ek052020

12+

5/2020 (c. 24)

(c. 30) Цифровой вход

Ethernet PHY

Источник питания PHY

PD-устройство + обратноходовой преобразователь

(c. 48)

Особенности, примеры использования и основные отличия Power Ethernet от других технологий

RJ45RJ45 Разъем Connector

AUX-Input OR-ing

(Вид снизу)

Александр Гончаров, CEO ALEXANDER ELECTRIC, описывает преимущества планарной конструкции модулей

(Вид сверху)

Силовой трансформатор

PD-устройство + первичная сторона обратноходового преобразователя Источник питания PHY

Цифровой выход

Конденсаторы Генератор Вторичная сторона тактовых PHY обратноходового преобразователя импульсов PHY

Микроконтроллеры семейства RZ/N компании Renesas с фирменной аппаратной технологией R-IN Engine

РЕКЛАМА

Самая крупная в России выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих

Ваш компонент успеха!

11–13 августа 2020 Москва МВЦ «Крокус Экспо»

457 участников

из 17 стран

450+ видов

РЕКЛАМА

электронных компонентов

Получите Ваш бесплатный билет по промокоду ee20print

expoelectronica.ru +7 (499) 750-08-28 electron@hyve.group

* Совместно с выставкой

РЕКЛАМА

содержание ЭК

№05/2020 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 6 Иван Фетисов Особенности нового стандарта JESD204C

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ 12 Кеннет Уайетт Почему изделия не проходят испытания на электромагнитную совместимость

20 Бакул Демл, Георгий Зеркалов, Джейсон Версем Проектирование устройств для измерения заряда литиево-железофосфатных аккумуляторов 24 Александр Гончаров Чем полезно для аппаратуры планарное исполнение AC/DC модулей AEPS-GROUP?

30 Александр Пономарев Проектирование систем с использованием PoE-технологии 36 Геннадий Денисов Лабораторные блоки питания от компании JIUYUAN Electronic

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ПРИБОРЫ 38 Бриг Асай Новые возможности измерений благодаря стремительному совершенствованию осциллографов

журнал для разработчиков

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ

27 Александр Кораблев LDO-стабилизаторы компании Diodes Incorporated

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распрост­ра­нение и подпис­ка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по пе­риодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­сия ре­дак­ции. При пе­ре­ пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному катало­ гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по пе­ чати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Дата выхода номера 12.05.2020 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4

электронные компоненты

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

РЕКЛАМА

ГЕНЕРАТОРЫ, ТАЙМЕРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ 41 Сергей Баринов содержание

Резонаторы компании Abracon

6

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ 58 Татьяна Колесникова Тепловой анализ печатной платы и ее компонентов в программной среде COMSOL Multiphysics 68 Дэвид Вай, Малколм Эдвардс, Энди Уоллес Проектирование понижающего преобразователя с помощью программного обеспечения AWR

44 Клаус Соби Простой способ управления ключами CoolSiC MOSFET

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 48 Сергей Волков Микроконтроллеры семейства RZ/N компании Renesas

ВСТРАИВАЕМОЕ ПО 54 Николас Демулен Масштабируемые встраиваемые средства безопасности в цепочке поставок

www.elcomdesign.ru

78 Александр Акулин Новый температурный симулятор – Celsius от компании Cadence

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 84 Леонид Авгуль, Сергей Курносенко, Виктор Кряжев, Юрий Юреня, Анатолий Ластовецкий, Михаил Шахматов, Андрей Мальцев Прецизионные ОУ класса Rail-to-rail по входу и выходу 1259УА015 и 1259УА025 (функциональные аналоги OP184, OP284) 88 Новинки месяца. Редакционный обзор 94 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 0 5 / 2 0 2 0

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S # 05 / 2020

NETWORKS and INTERFACES 6 Ivan Fetisov JESD204C Primer: What’s New and in It for You

EMC 12 Kenneth Wyatt The Top Five Reasons Products Fail EMI Testing

POWER SUPPLIES 20 Bakul Damle, Georgy Zerkalov and Jason Wortham Why Special Care Is Needed when Fuel-Gauging LiFeP04 Batteries 24 Alexander Goncharov Planar AC-DC Modules from AEPS-GROUP

DISCRETE POWER 44 Klaus Sobe The Simplicity of Driving CoolSiC MOSFETs: A Gate Driving Design Guide

MICROCONTROLLERS and MICROPROCESSORS 48 Sergey Volkov Renesas RZ/N Family of Microcontrollers

EMBEDDED SOFT 54 Nicolas Demoulin Make Embedded Security Scalable in Your Supply Chain

DEVELOPMENT TOOLS 58 Tatyana Kolesnikova Thermal Analysis of PCB and Its Components in COMSOL Multiphysics

30 Alexander Ponomarev A Small-Footprint PoE Solution for Machine-Vision Cameras and Sensors

68 David Vye, Malcolm Edwards and Andrew Wallace Design of a Complete RF Downconverter Module for Test Equipment

36 Gennady Denisov Laboratory Power Supplies from JIUYUAN Electronic

78 Alexander Akulin Celsius – Cadence New Temperature Simulator

INSTRUMENTATION 38 Brig Asay Real-Time Oscilloscopes Bridge the Measurement Gap

OSCILLATORS, TIMERS and SIGNAL SYNTHESIZERS 41 Sergey Barinov Resonators from Abracon

REFERENCE PAGES 84 Leonid Avgul, Sergey Kurnosenko, Victor Kryazhev, Yury Yurenya, Anatoly Lastovetsky, Mikhail Shahmatov and Andrey Maltsev Precision Rail-to-rail Op Amps 1259UA015 and 1259UA025 (functional analogues of OR184 and OR284) 88 Newly-Designed Products. Monthly Editorial Review 93 NEW

COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET электронные компоненты №05 2020

содержание

27 Alexander Korablev LDO Regulators from Diodes Incorporated

7

Особенности нового стандарта JESD204C Иван Фетисов, инженер В статье рассмотрены новые понятия, введенные в JESD204С. Подробно разобраны схемы кодирования 64b/66b и 64b/80b, перечислены отличия от предыдущей версии JESD204В. Описаны особенности модели OSI на всех уровнях.

В отличие от JESD204В, описание стандарта JESD204C более структурировано и понятно. Оно разделено на пять разделов: -- введение и общие требования; -- разделы, посвященные физическому, транспортному и канальным уровням (отдельно рассмотрены требования к 8b/10b, 64b/66b и 64b/80b). Кроме того, расширен список понятий. В основном, нововведения касаются слоев 64b/66b и 64b/80b, а также нового процесса синхронизации, используемого на этих уровнях. Транспортный уровень остается тем же, что и в JESD204B, а в физический уровень внесены незначительные изменения.

Транспортный слой

Транспортный уровень в JESD204C оставлен без изменений, т. е. кадры данных собираютс я на транспортном уровне и пересылаются блоками по восемь октетов. Однако были внесены изменения в описание стандарта: отредактированы текст и рисунки для облегчения понимания. В некоторых конфигурациях 64‑разрядным схем кодирования границы кадра не совпадают с границами блока, т. е. кадры могут иметь длину, отличную от восьми октетов. В результате возникает необходимость в дополнительных изменениях. Мы вернемся к этому вопросу ниже. Канальный уровень

Сети и интерфейсы

Новые термины

8

В JESD204C введено несколько новых терминов, а также добавлены параметры конфигурации 64b/66b и 64b/80b. В таблице 1 перечислены основные новшества вместе с их кратким описанием. Ниже мы рассмотрим их подробнее.

Итак , в с тандарте имеютс я два больших раздела, которые описывают разные схемы кодирования данных. Отметим, что схема 8b/10b, описанная в предыдущих версиях JESD204, осталась в исходном виде, включая использование вывода SYNC~, синхронизующих

символов K.28, выравнивания дорожек, отслеживания ошибок. Это сделано для обеспечения совместимости. Однако в большинстве приложений уже используются более совершенные 64‑разрядные схемы, которых не было в предыдущих версиях JESD204. Схема 64b/66b, основанная на стандарте IEEE 802.3, обеспечивает высокую эффективность. Хотя название совпадает с принципом кодирования, выполняются еще и дополнительные функции, к которым относится добавление двух битов в заголовок кадра с 64 битами данных. Обязательно применение скремблинга (перестановки битов) для обеспечения баланса постоянной составляющей и достаточной плотности переходов, которая необходима для надежного восстановления данных в приемнике. К р о м е того, до б ав лен в ар иан т 64b/80b, чтобы обеспечить такое же соотношение тактовых сигналов, что и в 8b/10b, и позволить использовать новые функции, среди которых – прямая коррекция ошибок. Ни одна из 64‑раз-

Таблица 1. Основные новшества JESD204C вместе с их кратким описанием Параметр

Определение

Блок

Структура, начинающаяся с двухразрядного заголовка и содержащая всего 66 или 80 (BkW) бит

BkW

Ширина блока, количество битов в блоке

cmd

Команда, используется в командном канале

Командный канал

Поток данных, использующий дополнительный полосу пропускания, которая предоставляется синхронизующим заголовком

E

Количество мультиблоков в расширенном мультиблоке

EMB_LOCK

Состояние, которое гарантирует, что достигнуто выравнивание расширенных мультиблоков

EoEMB

Бит-идентификатор конца расширенного мультиблока

EoMB

Последовательность конца мультиблока (00001), также называемая пилотным сигналом

Расширенный блок

Набор данных с одним или несколькими мультиблоками

FEC

Прямая коррекция ошибок

Бит заполнения

Используется для искусственного увеличения размера блока при кодировании 64b/80b

LEMC

Локальный тактовый сигнал расширенного мультиблока

Мультиблок

Набор данных с 32 блоками

PCS

Подуровень физического кодирования

SH

Синхронизующий заголовок

SH_LOCK

Состояние, которое показывает, что выравнивание заголовков достигнуто

Синхронизующий заголовок

Два бита, которые гарантируют, что перед каждым блоком произошел переход

www.elcomdesign.ru

рядных схем не совместима с кодированием 8b/10b, используемом в JESD204B.

Таблица 2. Скорость передачи данных для различных классов интерфейсов Класс интерфейса данных

Мин. скорость, Гбит/с

Макс. скорость, Гбит/с

В-3

0,3125

3,125

Физический уровень

В JESD204C верхний предел скорости на линию увеличен до 32 Гбит/с; при этом минимальная скорость остается 312,5 Мбит/с, как и в предыдущих версиях. Напомним, что максимальная скорость передачи в JESD204B составляет 12,5 Гбит/с. Хотя это не строгий запрет, но схему кодирования 8b/10b не рекомендуется применять для скоростей выше 16 Гбит/с, тогда как 64‑разрядные схемы рассчитаны на скорости не ниже 6 Гбит/с. Стандарт JESD204C предусматривает две категории классов, описывающих характеристики на физическом уровне. В таблице 2 указаны скорости для каждого класса интерфейсов. В таблице 3 приведены типы каналов для класса С и характеристики эквалайзера. Кроме того, JESD204C вводит концепцию запаса мощности (JCOM), который применяется для подтверждения соответствия физического уровня классу C. Расчет рабочего запаса дополняет глазковую диаграмму, которая применяется и в текущей, и в предыдущих версиях стандарта. Тактирование и синхронизация

0,3125

6,375

6,375

12,5

С

6,375

32

Таблица 3. Характеристики устройств JESD204C Класс

Относительная мощность

Мин. эквализация в передатчике (FFE)

Коррекция CTLE в приемнике

Количество сигналов DFE в приемнике

С-S

Низкая

9,5 дБ

6 дБ

0

C-M

Средняя

9,5 дБ

9 дБ

3

C-R

Высокая

9,5 дБ

12 дБ

14

FFE (feed forward equalization) – эквализация с упреждением DFE (decision feedback equalizer) – блок коррекции с решающей обратной связью

а инициализация синхронизации и отчет об ошибках запускаются на уровне приложения. Таким образом, исключены групповая синхронизация (code-group sync, CGS) и последовательность для исходного выравнивания (initial lane alignment sequence, ILAS). Введены такие понятия как синхронизация заголовков и расширенное выравнивание блоков. В обеих процедурах используется 32‑разрядное синхронизующее слово. Заметим , что д ля кодирования 8b/10b оставлены и вывод SYNC, и сигнал ILAS. Детерминированная задержка и синхронизация кристаллов

Как упоминалось, механизм обеспечения детерминированной задержки и синхронизации кристаллов остается в целом без изменений относительно предыдущей версии JESD204B. При использовании 64‑разрядных схем кодирования опция Subclass 2 удалена. Вместо нее поддерживается только режим Subclass 1. Сигнал SYSREF используется для выравнивания мультиблоков (LEMC) во всех устройствах в подсистеме JESD204. Прямая коррекция ошибок

Для обеспечения более надежной связи при высоких скоростях переда-

чи в JESD204 С включена функция прямой коррекции ошибок. Этот алгоритм основан на использовании кодов Файра и может частично применяться в измерительных системах. Заметим, что коды Файра используются только в 64‑разрядных схемах кодирования. В остальных случаях они опциональны. Коды Файра являются циклическими, т. е. позволяют исправить единичные ошибки. Преимуществом циклических кодов является то, что кодовые слова могут представляться на конечном поле в виде полинома, а не вектора. Коды Файра основаны на использовании синдрома, который можно разбить на два компонента для более быстрого декодирования. Канальные уровни 64b/66b и 64b/80b

При схеме кодирования 64b/66b на 66‑разрядный блок данных приходятся два синхронизующих бита заголовка, за которыми следуют восемь октетов данных. Частично эта структура заимствована из IEEE 802.3 (ст. 49). Однако в отличие от стандарта IEEE, не применяется шифрование, полезная нагрузка представляет собой выборку преобразователя, разбитую на кадры д анных на транспортном у р овне.

Рис. 1. Пример блока 64b/66b JESD204C при LMFS = 1.1.2.1, N = N’ = 16

электронные компоненты №05 2020

Сети и интерфейсы

В JESD204C по-прежнему используется SYSREF – принцип тактирования устройств идентичен определенному в JESD204B. Однако при использовании любой из 64‑разрядных схем вместо выравнивания по LMFC проводится выравнивание локальных счетчиков расширенных мультиблоков (local extended multiblock counter, LEMC) для обеспечения детерминированной задержки и синхронизации нескольких чипов. Процесс синхронизации в 64‑разрядных схемах кодирования кардинально отличается от используемого в JESD204B. Сигнал SYNC не используется,

В-6 В-12

9

Сети и интерфейсы

Рис. 2. Пример блока 64b/80b JESD204C при LMFS = 1.1.2.1, N = N’ = 16

10

Поскольку шифрование отсутствует, данные должны скремблироваться, чтобы обеспечить баланс постоянной составляющей. Переставленные октеты отправляются на канальный уровень. К ним добавляются два синхронизующих бита заголовка. Пример формата блоков 64b/66b показан на рисунке 1. По каждой линии данных передаются кадры данных только от одного преобразователя. Правила отображения блоков очень похожи на применяемые в JESD204B. При отображении октетов в 64‑разрядный формат блок D0 становится первым октетом кадра. Например, при F = 8 блок D0 является первым октетом в кадре JESD204C, D7 стоит на последнем месте. Старший бит первого октета кадра являетс я с таршим битом Sample0 преобразователя Converter0 (то же самое, что и в JESD204B). Рассмотрим другой пример, когда F = 2. Блоки D0 и D1 представляют собой первый кадр, D2 и D3 – второй кадр и т. д. Для сохранения подхода, принятого в JESD204B, октеты внутри мультиблока проходят скремблирование и восстановление в порядке от старшего к младшему. Для случая E = 1 каждый мультиблок начинается с границы кадра. Если E > 1, расширенный мультиблок должен также начинаться с границы кадра. Заголовок представляет собой пару битов (без скремблирования) в начале каждого блока. Содержание заголовка позволяет декодировать одиночный бит

Таблица 4. Бит перехода для разных значений заголовка Заголовок (0.1) Бит перехода Ошибка

01

1

10

0

11

Ошибка

перехода. Эти биты должны быть либо 0–1, чтобы показать логическую единицу, либо 1–0, чтобы показать логический ноль. В таблице 4 представлены значения бита перехода. На рисунке 2 показан формат блока 64b/80b. В дополнение к восьми октетам данных выборки и двум битам заголовка имеются два бита заполнения, расположенные между октетами. Значение битов заполнения определяются 17‑разрядной последовательностью PRBS. Они позволяют сократить выбросы в сигнале и обеспечивают требуемое количество переходов данных для сохранения баланса постоянной составляющей. Биты заполнения не проходят скремблирование – они вставляются в блок после этой процедуры. Конфиг урации 64b/80b введены для обеспечения того же соотношения между тактовыми сигналами, что и в 8b/10b, благодаря чему можно упростить ФАПЧ и свести к минимуму всплески сигнала. Эта схема предпочтительнее, чем 8b/10b, особенно при использовании прямой коррекции ошибок.

Рис. 3. Мультиблок и расширенный мультиблок JESD204C

www.elcomdesign.ru

00

Мультиблоки и расширенные мультиблоки

В мультиблоке содержатся 32 блока.

32 перехода битов синхронизации в каждом мультиблоке составляют 32‑разрядное синхронизующее слово. Расширенный мультиблок содержит Е блоков и целое число кадров. При E > 1 мультиблок содержит нецелое количество кадров. Формат мультиблока и расширенного мультиблока показан на рисунке 3. Мультиблок содержит 2112 (32×66) или 2560 (32×80) бит в зависимости от схемы кодирования. В большинстве с лучаев расширенный мультиблок содержит один мультиблок. Параметр Е введен в JESD204C для задания количества мультиблоков в расширенном мультиблоке. По умолчанию E = 1. Напомним, E > 1 устанавливается, когда количество октетов в кадре F не является степенью числа два: E = LCM (F, 256)/256. Эти конфигурации, как правило, предпочтительны при передаче 12‑разрядных выборок; N = 12 для повышения использования полосы пропускания канала. Эти требования гарантируют, что границы расширенного мультиблока совпадают с границами кадра. На рисунках 4–5 показаны примеры конфигурации JESD204C при E > 1. Показана конфигурация для LMFS = 2.8.6.1, N’ = 12 и E = 3. На рисунке 4 показано отображение транспортного слоя. В этой

Рис. 4. Отображение данных на транспортном слое при LMFS = 2.8.6.1, N’ = 12, E = 3

Сети и интерфейсы

электронные компоненты №05 2020

11

Сети и интерфейсы

12 Рис. 5. Преобразование выходного мультиблока в последовательный код, выравнивание кадров при LMFS = 2.8.6.1, N’ = 12, E = 3

конфигурации имеются четыре 12‑разрядных выборки на линию, которые отображаются на шесть октетов. Поскольку каж дый блок мультиблока должен содержать восемь октетов, блок дополняется двумя октетами (1,33 выборки) из следующего кадра. На рисунке 5 показано формирование блоков и мультиблоков из кадров данных на транспортном слое. Видно, что границы кадра выровнены с гра-

www.elcomdesign.ru

н и ц а м и б л о к а в к а ж д о м т р е т ь е м блоке. Поскольку мультиблок состоит из 32 блоков, выравнивание кадров внутри его не достигается до конца третьего мультиблока. Таким образом, E = 3. Счетчик расширенных мультиблоков LEMC в первом приближении эквивалентен LMFC в конфигурации 8b/10b. Сигнал SYSREF выравнивает все LEMC в системе; границы LEMC используются для обна-

ружения синхронизации и выравнивания линий. Синхронизующее слово

Синхронизующее слово образовано заголовками из 32 блоков внутри мультиблока, где 0 передается первым. Это слово используется для синхронизации линий и обеспечения детерминированной задержки. Кроме того, оно применяется при проверке контрольной суммы,

прямой коррекции ошибок, а также в командном канале передатчика для взаимодействия с приемником. В стандарте определены три формата 32‑разрядного синхронизующего слова. В каждом случае требуется оконечная последовательность, которая используется для синхронизации мультиблоков и выравнивания линий. Назначение полей синхронизующего слова указано в [1]. Режим 64b/66b

Процесс установки связи при использовании кодирования 64b/66b начинается с выравнивания заголовков. Затем проводится синхронизация расширенных мультиблоков, и процедура заканчивается выравниванием расширенных мультиблоков. Выравнивание заголовков

Синхронизующий бит перехода в заголовке гарантирует, что переключение данных происходит на каждой границе блока (т. е. каждые 66 бит). Автомат в приемнике JESD204C обнаруживает переключение данных и через 66 бит ждет следующего переключения. Если битовые переходы, отстоящие на 66 бит, обнаруживаются для непрерывно идущих 64 блоков, достигается блокировка синхронизующего заголовка (SH_lock). Если же 64 последовательных переключений не обнаружено, автомат перезагружается. Синхронизация расширенных блоков

Выравнивание расширенных мультиблоков

Выравнивание связей в режиме 64b/66b осуществляется по тому же принципу, что при кодировании 8b/10b. Таким образом, в приемнике используется буфер регулируемой емкости на каждой линии для хранения входящих данных, что называется выравниванием расширенных мультиблоков. Буферы выполняют хранение данных, начиная с границы EoEMB. Заметим, что в режиме 8b/10b хранение начинается при получении последовательности ILAS, а именно на границе между/K /и/R/. На рисунке 6 показано, как осуществляется выравнивание линий. Буфер на каждой линии начинает хранение данных в момент, когда получен последний бит EoEMB. Таким образом достигается выравнивание линий.

В пр и л оже ни я х , где т р е буе тся обеспечить отсу тствие ошибок, а к задержке не предъявляются строгие требования, используется прямая коррекция ошибок (например, в контрольно-измерительном оборудовании), обеспечивающая вероятность появления ошибки 10 –24. Схема прямой коррекции ошибок в передатчике рассчитывает биты четности и кодирует их в заголовок следующего мультиблока. Приемник рассчитывает синдром из принятых битов, который представляет собой разность между сгенерированными в приемнике и принятыми битами четности. Если синдром равен нулю, данные считаются верными; в противном случае, начинается процедура поиска ошибки. Биты четнос ти FEC рассчиты в а ю тс я а н а л о г ич н о ко н т р о л ьн о й сумме – из мультиблока выбираются 2048 скремблированных бит, к ним добавляются 26 бит четности для получения укороченного бинарного циклического кода. Генерирующий полином имеет вид: g(x) = (x17 + 1) (x9 + x4 + 1) = = x26 + x21 + x17 + x9 + x4 + 1. Этот полином помогает исправить ошибки длиной до 9 бит в одном мультиблоке.

Проверка и исправление ошибок

Синхронизующее слово JESD204C позволяет отслеживать и исправлять ошибки, которые мог у т появиться при передаче данных. Следует иметь в виду, что оно приводит к увеличению системной задержки. Для большинства приложений достаточно отслеживать ошибки с помощью проверки контрольной суммы CRC‑12 (синхронизующее слово), поскольку данный метод обеспечивает вероятность появления ошибочного бита более 10 –15. Шифрователь CRC‑12 в передатчике выбирает из каждого мультиблока скремблированные данные и составляет 12 битов четности. Они передаются во время последующего мультиблока. Аналогично, приемник рассчитывает 12 бит четности из каждого мультиблока и сравнивает с принятым словом. Если все биты четности не совпадают, имеется хотя бы одна ошибка в принятых данных, и вставляется флаг ошибки.

Выводы

В целях обеспечения более быстрой обработки данных в приложениях с большим объемом данных стандарт JESD204C определяет мультигигабитный интерфейс передачи между преобразователями данных и логическими элементами. Скорость до 32 Гбит/с на линию и кодирование 64b/66b обеспечивают широкую полосу пропускания с минимальной надбавленной нагрузкой, что повышает эффективность системы. Стандарт предназначен для таких устройств как системы связи 5G, радары, электронные военные системы, Методы коррекции ошибок обеспечивают надежную работу в течение многих лет. Литература 1. https://www.jedec.org.

Рис. 6. Выравнивание расширенных мультиблоков (линий) JESD204C

электронные компоненты №05 2020

Сети и интерфейсы

Когда достигну то выравнивание заголовков, приемник ждет оконечную последовательность расширенного блока (EoEMB = 100001) в битах перехода. Структура синхронизующего слова гарантирует, что последовательность в с т р ечае тс я только в т р е буе м ый момент. Когда EoEMB определена, автомат исследует каждое 32‑е синхронизующее слово, чтобы убедиться, что пилотный сигнал конца мультиблока (то есть 00001) еще присутствует. Если E = 1, бит EoEMB также присутствует с пилотным сигналом. При E > 1 бит EoEMB располагается после каждого блока из E×32 бит в пилотной последовательности.

После обнаружения четырех идущих одна за другой последовательностей достигается конец расширенного мультиблока (EMB_LOCK). Мониторинг блоков E×32 битов перехода продолжается, значение EMB_LOCK теряется. Если требуемая последовательность не обнаружена, процесс выравнивания перезапускается.

13

Почему изделия не проходят испытания на электромагнитную совместимость Кеннет Уайетт (Kenneth Wyatt)

Основной задачей при проектировании современного электронного обо‑ рудования является не только обеспечение заданных рабочих параме‑ тров, но и выполнение требований по электромагнитной совместимо‑ сти (ЭМС) [1]. Для решения этой задачи необходим комплексный подход. Публикуемая статья является авторским переводом публикации [2] и продолжает серию статей [3–4] одного из ведущих специалистов в этой области.

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Введение

14

Тремя основными причинами отказов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), с которыми автор статьи постоянно сталкивается в своей консультационной практике, являются: 1) радиационное излучение электромагнитных помех (ЭМП); 2) восприимчивость к внешним ЭМП; 3) недостаточная устойчивость к воздействию электростатического разряда (ЭСР). Проанализировав и протестировав сотни изделий за многие годы, автор пришел к выводу, что отказ РЭА происходит по следующим пяти основным причинам.

1. Плохо продуманная топология печатной платы и некорректное расположение слоев.

2. Экран кабеля не подключен к корпусу, или отсутствует синфазная фильтрация у неэкранированных изделий, а также неправильно используется вывод для подключения экрана.

3. Высокочастотные тактовые импульсы или сигналы проходят через зазоры в тракте возвратного тока (в общем или заземляющем слое).

4. Некорректная схема распределения питания.

5. Слишком большие отверстия или длинные щели в экранированном корпусе.

но требованиям электромагнитной совместимости. В первую очередь, это замечание относится к источникам информации старше десяти лет. Кроме того, многие эмпирические правила взяты из конкретных проектов, которые часто не соотносятся с текущими разработками, и потому не могут использоваться в качестве основы. Печатные платы следует проектировать, рассматривая тракты высокочастотных и тактовых сигналов, схемы распределения (разводки) электропитания (PDN) как линии передачи. Таким образом, следует учитывать, что передаваемый сигнал или энергия распространяется в виде электромагнитной волны. Тракты питания являются особым случаем, поскольку по ним проходит постоянный ток и они, кроме того, должны передавать энергию для импульсных переходных процессов с минимальным уровнем помех при одновременном переключении (simultaneous switching noise, SSN). Дело в том, что с одной стороны, характеристический импеданс линий распределения электропитания является очень низким (0,1–1,0 Ом), а, с другой, характеристический импеданс сигнальных трактов, как правило, составляет 50–100 Ом. Д ля коррек тного проек тирования печатной платы следует исходить

из того, что: 1) все токи протекают по замкнутым контурам; 2) высокочастотные сигналы распространяются как электромагнитные волны в линиях передачи. Эти два правила тесно связаны друг с другом [3]. Мы рассмотрим их более подробно.

а)

б)

Ток течет по замкнутому контуру Согласно теории цепей, ток течет в контурах от источника к нагрузке и обратно к источнику. Во многих случаях непрохождения изделием сертификационных испытаний на ЭМС возвратный тракт тока не был четко определен или был даже нарушен. Разработчики схем часто даже не обозначают возвратный тракт высокочастотного сигнала в сторону источника, указывая только символы заземления. Под высокими частотами мы подразу­ меваем значения выше 50–100 кГц. При меньших частотах обратный (или возвратный) ток, замыкая контур, следует по пути наименьшего сопротивления к своему источнику. На частотах выше 50–100 кГц обратный ток проходит непосредственно под сигнальным проводником к источнику по пути наименьшего полного сопротивления (импеданса), как видно из рисунка 1 [3]. Чтобы уменьшить ЭМП, с ледует минимизировать площадь контуров.

Проектирование печатной платы

Первый и наиболее важный фактор в выполнении требований к ЭМС и ЭМП связан с компоновкой функциональных узлов печатной платы, ее разводкой и формированием слоев. Заметим, что не вся информация, излагаемая в книгах, журнальных статьях или в указаниях по применению от производителей компонентов верна относительно проектирования печатных плат соглас-

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Результаты моделирования тракта обратного тока (зеленым) на частоте: а) 1 кГц; б) 1 МГц

Рис. 2. Пример распространения цифрового сигнала по микрополосковой линии [5]

Как распространяются сигналы На частотах выше 50–100 кГц цифровые сигналы начинают распространяться

в виде электромагнитных волн в линиях передачи. Как видно из рисунка 2, ВЧ-сигнал распространяется по линии передачи, а фронт волны наводит ток проводимости в медном проводнике и затем возвращается по соответствующему тракту. Этот ток не может протекать через диэлектрик печатной платы, но заряд на волновом фронте отталкивает аналогичный заряд на возвратной плоскости, создавая видимость протекания тока. Тот же эффект, который Максвелл назвал «током смещения», наблюдается, когда конденсаторы якобы пропускают переменный ток. Волновой фронт сигнала распространяется со скорос тью, которая меньше скорости света и определяется диэлектрической проницаемостью материала. Ток проводимости состоит из свободных электронов, концентрация которых в нем высока. Они движутся со скоростью около 1 см/с. Токи проводимости и смещения должны проходить по непрерывному тракту обратно к своему источнику. Сильное электрическое поле генерируется высокочастотными цифровыми сигналами, возникающими между микрополосковой линией и возвратной плоскостью. Если путь обратного тока нарушен, электрическое поле «цепляется» за следующий ближайший

металлический участок, который едва ли обеспечивает желаемый обратный тракт. Когда обратный путь тока четко не определен, электромагнитное поле «просачивается» сквозь диэлектрик и становится причиной протекания синфазного тока по всей плате. Неконтролируемое поле в этом же диэлектрике через сквозные отверстия в диэлектрическом слое вызывает перекрестное взаимодействие тактовых или других высокоскоростных сигналов с десятками других дорожек. Результирующие синфазные токи вызывают помехи в антенно-подобных элементах, например в кабелях ввода-вывода, отверстиях и щелях в экранированных корпусах, приводя к возникновению электромагнитных помех в устройстве. Слои печатных плат Сигнал представляет собой не только поток тока, как следует из теории цепей, но и фронт электромагнитной волны, которая согласно теории поля проходит через диэлектрик. Два этих исходных положения позволяют рассматривать трассировку проводников в т. ч. как проектирование линий передачи (сигнальных проводников с расположенными рядом обратными трактами). Чтобы разработать печатную плату в соответствии с принципами теории

Рис. 3. Сигнальный тракт через единственную опорную плоскость. Диэлектрический слой не показан для простоты, а направление распространяющегося поля представлено красными скобками

электронные компоненты №05 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Из-за не определенных разработчиками возвратных трактов часто появляются большие токовые петли между источником сигналов и нагрузкой. Эти контуры, похожие на рамочные антенны, наводят помехи, например, на кабели и на рядом находящееся оборудование. Несоответствие требованиям к ЭМП наблюдается в тех случаях, когда возвратные сигналы с большими значениями dV/dt, например сигналы от импульсных DC/DC-преобразователей или входные сигналы с высоким уровнем di/dt от цифровой логики, а также обратные токи так товых сигналов смешиваются с обратными токами цепи ввода–вывода, чувствительных радиочастотных модулей (особенно приемников) или с обратными токами чувствительных аналоговых схем. Следует помнить о необходимости четко определять тракты возвратных токов сигнальных цепей и источников питания. Вот почему на плате требуется использовать сплошные плоскости обратных токов под трактами высокочастотных сигналов и, кроме того, отделять друг от друга цифровые, силовые и аналоговые цепи.

15

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Рис. 4. Сигнальный тракт проходит через две опорные плоскости. Если тракт обратного тока не определен, возникает утечка поля в диэлектрическом слое

16

цепей и теории поля, следует добиться того, чтобы плоскости питания и возвратных питающих трактов были смежными. Смежными должны быть также слои сигналов и обратных сигнальных трактов. В таком случае и у сигнальных проводников, и у проводников питания всегда будут иметься четко определенные возвратные тракты. На рисунке 3 показано, как распространяется электромагнитное поле в диэлектрике по обеим сторонам возвратного слоя [3]. Если же сигнал проходит через две опорные плоскости, ситуация намного усложняется (см. рис. 4). Если две плоскости имеют одинаковый потенциал (например, обе используются для протекания обратных токов), к сквозным отверстиям для сигналов добавляются соединительные отверстия для формирования четко определенного обратного тракта.

В отсутствие между плоскостями непрерывной линии передачи тока (сшивки переходными отверстиями или конденсаторами) возникает утечка поля во всем диэлектрическом слое, когда сигнал пытается найти обратный путь к источнику. Эта энергия поля суммируется с излучениями других переходов и становится источником излучения по краям многослойной печатной платы. Если эти две плоскости являются опорными заземляющими с лоями, следует соединить их друг с другом, по к р айней м ер е, в одно м м е с те рядом с сигналом, проходящим через переходное отверстие, чтобы поле распространялось по всему тракту. В идеальном случае рекомендуется создать как можно больше переходных отверстий между плоскостями заземления на расстоянии 5 мм друг от друга.

Рис. 5. Очень распространенная компоновка слоев шестислойной печатной платы с недопустимым уровнем ЭМП

Рис. 6. Оптимальная компоновка слоев шестислойной печатной платы с точки зрения требований к ЭМП. Каждый сигнальный слой имеет смежную плоскость для возвратного тока; плоскости питания и соответствующего возвратного тока также являются смежными

www.elcomdesign.ru

Однако ес ли у дву х плоскос тей (опорной зазем ляющей и раздачи питания) – разные потенциалы, тогда в обязательном порядке рядом с переходным отверстием для передачи сигнала устанавливается конденсатор, «сшивающий» эти слои. Если на такой плате имеются десятки переходных отверстий для сигнала, может оказаться, что добавление сшивающего конденсатора для каждого перехода станет нецелесообразным. Это одна из причин, по которой можно равномерно распределить такие конденсаторы по всей плате. В результате уменьшатся помехи, вызванные скачками потенциала земляной шины, или шум одновременного переключения. В качестве примера давайте рассмотрим плохо продуманное расположение слоев печатной платы, которое очень часто встречается на практике (см. рис. 5). Заметим, что между слоем питания и возвратного питающего тока – два слоя. Любые переходные процессы в схеме распределения питания будут наводить помехи на эти два промежуточных сигнальных слоя. Поскольку не все сигнальные слои оснащены смежной плоскостью для возврата тока, обратный тракт распространяющейся волны станет проходить через любой ближайший металлический участок. При этом помехи от трактов тактового сигнала будут распространяться по всей печатной плате. Боле е совершенна я компонов ка слоев печатной платы показана на рисунке 6. В этой схеме отсутствует один сигнальный слой, но плоскости питания и возвратного тока являются смежными, а каждый сигнальный слой и слой питания имеют смежную плоскость для возврата тока. Чтобы у обратного тракта был наименьший импеданс, рекомендуется установить несколько соединительных переходных отверстий между двумя обратными плоскостями. При использовании этой или аналогич-

ных ей конструкций уровень ЭМП значительно уменьшится. Во многих случаях для удаления помех достаточно перегруппировать слои в плате. Заметим, что при прохождении сигналов между верхним и нижним слоями необходимо установить «сшивающие» переходные отверстия между плоскостями обратного тока и сшивающие конденсаторы между плоскостями питания и соответствующего возвратного тока в точке перехода сигнала для минимизации длины тракта возвратного тока. В идеале эти отверстия должны располагаться в пределах 1–2 мм от каждого сигнального переходного отверстия.

Рис. 8. Превышение уровня помех обусловлено отсутствием связи между разъемами портов вводавывода и экранированным корпусом

Рис. 9. Пример неудачного подключения экрана в кабеле HDMI

17

Заделка экрана кабеля и экранной оплетки

Кабельный ввод Первой проблемой, которая обнаруживается при анализе работы РЭА с недопус тимо большим уровнем излучения ЭМП, является излучение кабелей. Его причина в том, что кабель введен в отверстие корпуса изделия без соответствующих защитных мер (см. рис. 7). Кроме того, установленные на плату разъемы могут «выглядывать» из корпуса через его отверстия, что при подключении кабелей также приводит к появлению помех, если отсутствует

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Дополнительные рекомендации Все разъемы питания и системы ввода-вывода следует размещать вдоль одного края платы, чтобы уменьшить падение высокочастотного напряжения между разъемами, минимизировать излучение дорожек и кабеля. Кроме того, необходимо обеспечить пространственное разделение цифровых, аналоговых и радиочастотных каскадов и их цепей, чтобы свести к минимуму перекрестные помехи между источниками шума и чувствительными цепями. Тракты высокочастотных тактовых сигналов или высокоскоростных сигналов данных должны быть максимально короткими и прямыми. Эти быстро распространяющиеся сигналы не должны проходить по длинным краям платы или вблизи разъемов. Цифровые сигналы необходимо удалять от цепей обратной связи операционных усилителей, поскольку даже небольшая емкостная связь нарушает целостность аналоговых сигналов. Более подробную информацию о правильном конструировании печатной платы см. в [5–8]. В [4] даются рекомендации по оптимизации многослойной печатной платы. В [6] рассматривается способ установки во внутренней структуре печатной платы конденсаторов, сшивающих слои питания и возвратного тока.

Рис. 7. Прохождение кабеля сквозь экран нарушает его защитные свойства

Рис. 10. Результаты тестирования восьми кабелей HDMI в полосе частот 30–1000 МГц. У двух из них излучение ЭМП на 25 дБ выше, что неприемлемо [11]

электронные компоненты №05 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

соединения рассматриваемого типа импеданс на частоте 100 МГц равен 12 Ом. Он растет с увеличением частоты, ухудшая экранирующие свойства кабеля. В примере на рисунке 9 рассматривается соединение оплетки с кабелем HDMI, однако рабочая группа пока не смогла найти для интерфейса HDMI гарантированное решение задачи по подключению экрана кабеля к разъему. На рисунке 10 приведены результаты тестирования HDMI-кабеля восьми марок. Каждый из них возбуждался генератором сигнала, а уровень излучения ЭМП измерялся в испытательной камере путем сканирования по частоте. Подробный отчет об этом тесте см. в [10].

18

Рис. 11. Демонстрационная установка и испытательная плата с линиями передачи, нагруженными на импеданс 50 Ом. В одной линии передачи имеется зазор в плоскости обратного тока, а в другой отсутствует

синфазная фильтрация на портах вводавывода или на разъемах питания. В рассматриваемых случаях следует учитывать четыре возможные комбинации: экранированные и неэкранированные изделия, а также экранированные или неэкранированные кабели. Силовые кабели питания для потребительских или коммерческих изделий, как правило, не экранированы, и потому требуется фильтрация питающих линий в точке ввода или в разъеме монтажной платы. Кабели должны иметь экран, защищающий сигнальную жилу со всех сторон, и надежно соединяться с экранированным корпусом изделия. Если у изделия отсутствует экранированный корпус, необходимо установить синфазные фильтры в месте ввода кабеля или у разъемов портов ввода-вывода на печатной плате. На рисунке 8 иллюстрируется случай, когда разъемы в отверстиях экранированного корпуса не оснащены должной защитой от помех. Заделка кабельного экрана Еще одна проблема заключается в соединении оплетки кабеля вво да-вывода с корпусом ус тройс тва

www.elcomdesign.ru

или разъема косичкой, выполненной из той же экранной оплетки (см. рис. 9). В идеале для обеспечения низкого импеданса кабельные экраны должны быть круговыми, т. е. обеспечивать защиту в угле 360°. Косички ухудшают эффективность экранирования кабеля, увеличивая импеданс в месте подключения. Например, у 1‑дюймового

Щели в заземляющей плоскости Ра з р ы в ы и м п е д а н с а и л и щ е л и в тракте возвратного тока являются основными причинами излучения ЭМП, восприимчивости к радиоизлучению и отказов под воздействием разрядов статического электричества. Давайте вернемся к вопросу о неоднородностях тракта в плоскости обратного тока и рассмотрим подробнее, как они влияют на ЭМП. Когда тракт обратного тока в заземляющей плоскости прерывается, ток проводимости обтекает щель и находит ближайший (с наименьшим импедансом) путь к источнику. Электромагнитное поле распространяется по всей плате. В [12] и [22] рассматривается, как неоднородности в трактах обратных токов влияют на синфазные токи, приводя к генерации ЭМП (см. рис. 11). Для оценки влияния неоднородностей в линии передачи сигнала поочередно в один из двух разъемов BNC подавались импульсы длительностью 2 нс, а датчик тока в проводнике, соединенном с обратным трактом, измерял гармонические токи.

Рис. 12. Сигнал бирюзового цвета соответствует тракту возвратного тока без зазора, а красный сигнал – тракту с неоднородностью. Величина сигналов в случае возвратного тракта с зазором на 10–15 дБ больше сигналов в тракте без зазора

Рис. 13. Типовая модель схемы разводки электропитания

Проектирование схемы распределения питания

Схема разводки электропитания требует использования линии передачи с низким импедансом в пределах 0,1–1,0 Ом на частотах не менее 30 МГц. Назначение этой схемы состоит в передаче энергии по наиболее короткому пути от установленного на печатной плате ПК источника питания (часто модуля стабилизатора напряжения) импульсной ИС. При переключении выходного каскада цифровой ИС появляется временной интервал, когда оба выходных транзистора двухтактного каскада частично включены. В результате возникает большой импульс сквозного тока между шиной питания и выводом обратного тракта питания микросхемы. Этот импульс уменьшает напряжение питания, вызывая т. н. шум одновременного переключения (SSN) на шине питания, который распространяется по всей печатной плате. Хорошо продуманная схемотехника и распределение питания на печатной плате минимизируют эти шумы и ЭМП. Чтобы нейтрализовать уменьшение напряжения на шине питания, исполь-

зуются конденсаторы, емкость которых выбирается таким образом, чтобы ее было достаточно для накопления требуемого количества энергии. Однако это еще не все. На рисунке 13 показана типичная модель схемы распределения питания с его источником, подающим энергию в ИС. Меж ду ними имеется ряд конденсаторов (выходной для шины питания, сглаживающий и собственная емкость кристалла или плоскости) и линии передачи (тракты печатной платы). К сожалению, источнику питания требуется определенное время для передачи микросхеме необходимой энергии. Например, на передачу тока по дорожке длиной 1/16 дюйма для подключения ИС требуется около 600 пс [13]. По этой причине

особенно важно, чтобы тракты распределения питания были как можно более короткими и прямыми. Было бы очень хорошо, если бы общая потребность в энергии удовлетворялась за счет встроенных в кристалл конденсаторов и в т. ч. с помощью распределенной емкости плоскости питания. Поскольку емкости таких конденсаторов, как правило, не хватает, чтобы удовлетворить всю потребность в энергии, используются конденсаторы, расположенные рядом с нагрузкой. Последовательная индуктивность (в виде собственной индуктивности и индуктивности печатного проводника) сглаживающих конденсаторов должна быть как можно меньше. Чем она больше, тем труднее обеспечить требуемую

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Разница между сигнальными цепями в слоях обратного тока с зазором и без него видна на рисунке 12. Заметим, что у печатного проводника с неоднородностью в плоскости возвратного тока (показан красным) гармонические токи на 10–15 дБ выше. Эти токи являются источниками нежелательного излучения, вызывают наводки на плате и в кабеле, во многих случаях приводят к недопустимо высоким уровням ЭМП. Рисунки 11–12 весьма наглядно иллюстрируют то, как невнимательность при создании трактов обратных токов сигнала и питания может стать основной причиной несоответствия требованиям к уровню излучаемых ЭМП.

19

Рис. 14. Номограмма ослабления ЭМП в зависимости от длины щели и частоты

электронные компоненты №05 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Рис. 15. Диаграмма для определения резонансной частоты в зависимости от длины кабеля или щели в свободном пространстве. Полуволновые щели работают как дипольные антенны и потому доставляют разработчикам немало хлопот

20

энергию для нагрузки, и шумы одновременного переключения приводят к распространению помех по всей печатной плате. Если же упомянутые конденсаторы в состоянии обеспечить потребности в энергии для подавления шумов одновременного переключения, тогда задача выходного конденсатора источника питания состоит в том, чтобы «перезарядить» следующие за ним конденсаторы в промежутке между импульсными переходными процессами, связанными с переключениями ИС. Для обеспечения максимально короткого времени перезарядки разводка цепей питания выполняется в виде линий передачи с низким импедансом. Конденсаторы шины питания ИС емкостью 4,7–10 мкФ (тип.), как правило, устанавливаются рядом с входным разъемом цепи питания, а сглаживающие конденсаторы емкостью 1–10 нФ (тип.) – как можно ближе к самым шумным импульсным устройствам. Чтобы уменьшить последовательную индуктивность, все сглаживающие конденсаторы устанавливаются как можно ближе к ИС и максимально близко к переходным отверстиям. Чтобы в еще большей мере уменьшить эту индуктивность, используется несколько переходных отверстий для каждого вывода конденсатора. Особенности разводки цепей питания см. в [14–16]. Проектирование экранов

Для решения двух проблем с экранированными корпусами требуется, чтобы все элементы были хорошо соединены друг с другом, а кабель питания или кабель ввода-вывода проходили

www.elcomdesign.ru

в корпус, не вызывая утечки синфазных токов. Для надежного соединения металлических частей требуются специальные помехопоглощающие прокладки или другие методы скрепления. На рисунке 14 показана диаграмма для определения затухания на заданной частоте при заданной длине щели [13]. Например, если требуется, чтобы эффективность экранирования была не менее 20 дБ на частоте 1 ГГц, самая большая допустимая длина паза составит всего 1,27 см. Н а л ич и е п а з о в и л и о т в е р с т и й в экранированных корпусах вызывает проблему, когда их самый длинный размер приближаетс я к половине длины волны. На рисунке 15 представлен график зависимости длины волны от частоты [11]. Например, при наличии 15‑см щели полуволновой резонанс возникает на частоте 1000 МГц. Как правило, вентиляционные отверстия должны быть круглым, а их диаметр – не превышать 0,64 см. Можно использовать и прорези, но они не должны быть длиннее 1,27 см, чтобы не ухудшилась заданная эффективность экранирования. Подробнее об экранировании см. [11, 17], а также [18]. Выводы

Решение рассмотренных в этой с т ат ь е п р о б л е м п р о е к т и р о в ан и я изделий поможет уменьшить риск повышения уровня ЭМП при тестировании устройств на соответствие требованиям. Однако если заняться решением проблем ЭМС на самых ранних этапах ОКР, можно в итоге сэкономить немало времени и средств.

Литература 1. Рентюк В. Электромагнитная совме­ стимость: проблема, от решения которой не уйти//Компоненты и технологии. 2017. № 7.

2. Wyatt Kenneth. The Top Five Reasons Products Fail EMI Testing//interferencetechnology. com/the-top-five-reasons-products-fail-emitesting.

3. Уайетт К. Особенности конструиро­ вания печатных плат с выполнением тре­ бований по ЭМС//Компоненты и технологии.

2019. № 6.

4. Уайетт К. Особенности конструиро­ вания печатных плат с выполнением требо­ ваний по ЭМС: подробнее о разбиении платы на области и маршрутизации//Компоненты и технологии. 2020. № 5. Bogatin Eric. Signal Integrity – Simplified.

Prentice-Hall. 2009.

6. Morrison Ralph. Grounding and Shielding – Circuits and Interference. Wiley. 2016.

7. Morrison Ralph. Digital Circuit Boards – Mach 1 GHz. Wiley. 2012.

8. Beeker Daniel. Effective PCB Design//www. nxp.com.

9. Солберг Верн. Проблемы примене­ ния дискретных SMD-элементов во вну­ тренних слоях многослойных печатных плат//Электронные компоненты. 2019. № 1.

10. Dana J. Bergey, Nathan E. Altland, EMI Shielding of Cable Assemblies. DesignCon 2008//www.magazines007.com.

11. André Patrick and Wyatt Kenneth.

EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers. SciTech. 2014.

12. Wyatt Kenneth, Gaps in Return Planes – Bad News for EMI//interferencetechnology.com.

13. Ott Henry. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley. 2009.

14. Larry D. Smith, Eric Bogatin. Principles of Power Integrity for PDN Design. Prentice-Hall.

2017.

15. S a n d l e r Ste ve n , Po we r I nte g rit y.

Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems.

McGraw Hill. 2014.

16. Novak Istvan, Miller Jason. FrequencyDomain Characterization of Power Distribution Networks. Artech House. 2007.

17. Interference Technology’s 2016 EMI Shielding Guide//learn.interferencetechnology. com.

18. Рентюк В. Экраны для подавления электромагнитных помех: понимание основ и предложение компании TDK//Компоненты и технологии. 2020. № 2.

19. Kenneth Wyatt. Having Trouble Getting Your Product to Meet EMC Requirements?//www. emc-seminars.com.

20. Электромагнитная совместимость в электронике – 2018. Сборник//emc-e.ru.

21. Электромагнитная совместимость в электронике – 2019. Сборник//emc-e.ru.

22. Gaps in Return Plane Demo//www. youtube.com.

РЕКЛАМА

Проектирование устройств для измерения заряда литиево-железофосфатных аккумуляторов Бакул Демл (Bakul Damle), Георгий Зеркалов (Georgy Zerkalov), Джейсон Версем (Jason Wortham) Точное измерение уровня заряда литиево‑железофосфатных батарей имеет большое значение. В статье рассматривается алгоритм измере‑ ния заряда разомкнутой цепи аккумулятора (OCV), позволяющий эффек‑ тивно решить эту задачу.

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

Литиево‑железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, или LFP) используются в некоторых приложениях, где от источников питания требуется отдавать большой ток в нагрузку. Измерению заряда этих аккумуляторов следует уделять тщательное внимание, учитывающее их особенности. В статье поясняется, почему аккумуляторы этого типа отлично подходят для некоторых приложений, что следует учитывать при измерении их заряда, а также приводятся результаты испытаний, получен-

ные с использованием алгоритма для измерения заряда этих источников питания. Растущий спрос на литиево‑ионные аккумуляторы

Доля используемых во всем мире литиево‑ионных аккумуляторов (Li-ion) ежегодно увеличивается. Источники питания этого типа востребованы широким рядом приложений

а)

22

б) Рис. 1. а) типовая разрядная кривая LFP-аккумулятора; б) гистерезис LFP-элементов и соответствующая погрешность 35% при определении уровня заряда (SOC)

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Типовая разрядная кривая литий-никель-кобальтовой алюминиево-оксидной батареи

Недостатки Номинальное напряжение у LFPаккумуляторов сравнительно ниже – 3, 2 В. Э то з начи т, ч то и х эн ер ги я меньше, чем у элементов LCO, LMO, NMC и NCA. Элементы LFP реагируют на влажную среду и воду. В результате прямого контакта с водой активный

литий из оливиновой структуры теряется, что уменьшает плотность энергии этого материала. Только высококачественные аккумуляторы, прошедшие строгий контроль качества, устойчивы к умеренным условиям эксплуатации. Как и у источников питания с другим химсоставом, харак теристики LFP-

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

благодаря высокой плотности энергии, низкой скорости саморазряда и незначительным эффектам памяти. В настоящее время на рынке предс тав лено немало разновиднос тей литиево‑ионных аккумуляторов, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики. Однако все аккумуляторы этого типа можно разделить на несколько групп в соответствии с используемыми химическими процессами. У литиево‑ионных аккумуляторов каждого типа имеются свои достоинства и недостатки в зависимости от конкретной сферы применения. Преимущества и недостатки LFP-аккумуляторов

Преимущества В катодах LFP-аккумуляторов применяется литий-фосфат железа, а в аноде – углерод. Акк умуляторы этого типа термически и химически стабильнее аккумуляторов с другими химическими составами. LFP-аккумуляторы не выходят из строя даже в аварийных ситуациях, например при избыточном заряде или коротком замыкании, и их параметры практически не зависят от температуры. Эти аккумуляторы предназначены для эксплуатации в широком диапазоне температуры –40…70°C. По сравнению с источниками питания LCO, LMO, NMC и NCA, LFP-аккумуляторы обладают более продолжительным сроком службы, который составляет 1000– 2000 циклов заряд/разряд. В отличие от аккумуляторов с другим химсоставом, LFP-элементы намного устойчивее к воздействиям высокого напряжения в течение длительного времени при минимальных последствиях. Скорость разряда LFP-аккумуляторов достигает очень высоких значений – 25C.

Рис. 3. Результаты измерения напряжения, тока, уровня заряда (SOC), погрешности и температуры. Погрешность не превышает 2% вне первого цикла

Рис. 4. Высокая точность измерения заряда аккумулятора, который непрерывно эксплуатировался больше недели, не подвергаясь полной зарядке и разрядке. Погрешность измерения не превысила 2%

электронные компоненты №05 2020

23

Рис. 5. Погрешность измерения заряда не превышает 2% даже при –5°C

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

аккумуляторов ухудшаются при сравнительно низких температурах.

24

Области применения LFP-аккумуляторы пригодны для использования во многих приложениях, к которым относятся небольшие электромобили, электрические газонокосилки, подъемники, мусоровозы, роботы, домашние накопители энергии, гибридные генераторы, вспомогательные силовые установки для грузовиков, устройства для мониторинга погоды, морские буи, оборудование для нефте- и газопроводов, устройства для контроля номерных знаков автомобилей, игровое оборудование. Трудности при измерении уровня заряда LFP-аккумуляторов

У LFP-аккумуляторов – очень пологие кривые разряда и гистерезиса, что существенно затрудняет контроль над их зарядом. На рисунке 1а представлена типовая разрядная кривая LFP-элемента. Видно, что на некоторых участках графика напряжение немного изменяется по мере очень продолжительного разряда аккумулятора. На рисунке 1б представлена кривая гистерезиса LFP-элементов и погрешность измерения уровня заряда (SOC). Для сравнения на рисунке 2 показана кривая разряда литиево‑никелевого кобальтового алюминиево‑оксидного аккумулятора, напряжение которого изменяется значительно в процессе разряда. Некоторые источники питания с другим химическим составом ведут себя примерно так, как LFP-элементы, в т. ч. LiCoPO4-, LiFeSO4F- и LiMnPO4‑аккумуляторы. Точное измерение заряда LFP-аккумулятора

Существующие методы обеспечивают сравнительно высокую точность измерения заряда LFP-аккумуляторов. Повторимся, у таких элементов – очень пологая разрядная кривая: в результате изменения напряжения разомкнутой цепи на 1% напряжение разомкнутой схемы меняется всего на несколько мВ. Кроме того, у разрядной кривой LFP-элементов имеется гисте-

www.elcomdesign.ru

резис. Чувствительность по напряжению прогнозирующего алгоритма OCV (не требующего облегченных условий, полного заряда или разряда аккумулятора), который применяется в комбинации с измерением разрядного тока и его интегрированием по времени, значительно меньше по сравнению с другими схожими методиками. Большинство альтернативных методик требует использования аккумулятора в облегченных условиях и коррекции на основе измеренного напряжения. Такие методики преду­сматривают достаточно редкую коррекцию (несколько раз в день, а не множество небольших ежеминутных коррекций), что намного усиливает влияние любой ошибки. Ошибка в таких случаях сохраняется до следующей коррекции. По этой причине выбор алгоритма и использование результатов измерения напряжения особенно критичны для LFP-аккумуляторов. Оптимальный алгоритм минимизирует эти погрешности за счет малой зависимости от коррекций напряжения, и потому на него в гораздо меньшей степени влияет точность измерений. Испытуемый элемент

Мы протестировали работу OCV-алгоритма с использованием метода измерения разрядного тока и его интегрирования по времени на LFP-аккумуляторе ANR26650M1‑B с номинальной емкостью 2500 мА∙ч. Точность измерения заряда с помощью хорошо отрегулированных датчиков оказалось очень высокой. В соответствии с выбранной схемой испытаний, аккумулятор заряжался и разряжался в течение недели примерно до крайних уровней, но не полностью. В таких случаях измерение уровня заряда является очень сложной задачей не только для LFP-элементов. Как видно из рисунков 3–5, погрешность оказалась лучше 2% в течение всего цикла испытаний. Примеры использования ИС для измерения заряда LFP-аккумуляторов

В примере использовались микросхемы семейства MAX172xx для измерения заряда. Кривая OCV/SOC LFPаккумуляторов намного более пологая по сравнению

Рис. 6. Кривая OCV-SOC LFP-элемента и область, которая не используется при расчете полной емкости во избежание некорректного обучения

Чтобы настроить MAX1726x и MAX17055 для работы с LFPаккумуляторами, необходимо выполнить следующие действия.

1. Отправить аккумулятор в компанию Maxim для создания модели на основе его характеристик.

2. Записать 0x0060 в регистр ModelCFG (DBh) для активации LFP-режима и блокировки неиспользуемой зоны.

3. Загрузить оставшуюся часть модели (см. [2]). Выводы

LFP-аккумуляторы идеально подходят для приложений, работающих с большим током потребления, однако особое внимание требуется уделить точному измерению заряда этих источников питания. Мы рассмотрели пример использования алгоритма, позволяющего определять уровень заряда разомкнутой цепи аккумулятора путем измерения разрядного тока и его интегрирования по времени. Алгоритм этого типа решает те проблемы с точностью измерения заряда LFP-аккумуляторами, с которыми не справляются другие методы. Литература 1. Hushnak Singh. User Guide & Manuals 6260. MAX1720x/MAX1721x Software Implementation Guide//www.maximintegrated.com.

2. User Guide 6365 MAX17055 Software Implementation Guide.

User Guide 6595 MAX1726x Software Implementation Guide//www. maximintegrated.com.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| В 2024 г. TSMC планирует начать изготавливать 2-нм чипы |

Представители TSMC подтвердили, что компания уже разрабатывает 2‑нм техпроцесс и ведет предварительные исследования, связанные с освоением норм менее 2 нм. В будущем году TSMC рассчитывает начать рисковое производство с использованием 3‑нм техпроцесса N3, а выпуск серийной 3‑нм продукции должен начаться во второй половине 2022 г. Летом 2019 г. производитель сообщил о начале исследований, связанных 2‑нм технологическим процессом. Серийный выпуск 2‑нм продукции планируется начать в 2024 г. В настоящее время компания освоила в серийном производстве 5‑нм техпроцесс, но 35% дохода ей пока приносят поставки 7‑нм продукции, а суммарно все передовые технологии, к которым TSMC относит 16‑нм и более современные техпроцессы, обеспечивают 55% дохода. https://russianelectronics.ru

электронные компоненты №05 2020

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

со стандартными литиево‑кобальтовыми элементами, что обеспечивает более высокую чувствительность алгоритма при оценке напряжения элементов и напряжения разомкнутой цепи. Чтобы алгоритм всегда обеспечивал требуемую точность измерения заряда на протяжении всего цикла, полная емкость аккумулятора измеряется вне самого пологого участка с наибольшим гистерезисом кривой OCV/SOC. Для реализации алгоритма с помощью ИС MAX172xx применяются обучающие циклы заряда/разряда вне этой неиспользуемой области. На рисунке 6 показана кривая OCV-SOC LFP-элемента и неиспользуемая область. Д ля поддержки LFP-акк умуляторов с помощью ИС MAX172xx требуется выполнить следующие действия.

1. Отправить аккумулятор в компанию Maxim для создания модели на основе его характеристик.

2. Установить бит enSC в регистре nNVCfg1 (1B9h) для активации режима работы с LFP-аккумуляторами и блокировки неиспользуемой зоны.

3. Загрузить оставшуюся часть модели (см. [1]).

MAX17055 и MAX1726x поддерживают LFP-элементы после конфигурации модели. Чтобы обеспечить хорошую точность измерения заряда, необходимо измерить параметры используемого аккумулятора и получить его модель. Упомянутые микросхемы поддерживают дополнительный алгоритм, работающий с LFP и другими аккумуляторами с пологими характеристиками.

25

Чем полезно для аппарат уры планарное исполнение AC/DC-модулей AEPS-GROUP? Александр Гончаров, CEO Alexander Electric SRO

Перед вами вторая статья, посвященная модулям питания компании AEPS-GROUP. В первой статье [1] была кратко представлена продукция компании. Во второй публикации автор более подробно описывает осо‑ бенности модулей питания планарного исполнения, акцентируя внима‑ ние на их тепловых характеристиках.

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

Успех – это проекция цели на плоскость упорного труда. Неизвестный автор

26

По сути, малогабаритный модуль электропитания в металлическом корпусе представляет собой коробочку, из которой поступает электрическая мощность в виде напряжения и тока, а внутри рассеивается мощность потерь в виде тепла. (Автор подозревает, что термин «модуль для устройств электропитания» был придуман им и обнародован в 1990 г. для названия изделий первых своих фирм – «Александеров…». В дальнейшем термин «модуль электропитания» был принят мировым сообществом производителей унифицированных устройств электропитания. Пусть читатели напишут, что известно им, – эта информация понадобится для мемуаров автора). Важнейший показатель для модулей электропитания с позиций компоновки в аппаратуре – конструктивная удельная мощность (энергетическая плотность). У современных модулей AC/DC показатель величиной 5–15 Вт/дюйм3 считается очень хорошим, однако он ничего не говорит о КПД и о температуре внутри корпуса модуля. Если система охлаждения в аппаратуре высокоэффективна, почти идеальна, она справится с большим перегревом модуля электропитания и проблема невысокого КПД с точки зрения отвода тепла легко решится. Останется лишь проблема значительного потребления от входной электропитающей сети. В таком случае можно реализовать высокий показатель удельной мощности. К сожалению, на практике заставить тепло без потерь (т. е. через малое тепловое сопротивление) выйти из модуля на поверхность корпуса, а затем конструктивно обеспечить отвод тепла в аппаратуре является весьма непростой проблемой, часто перечеркивающей всю задуманную миниатюризацию. В таком случае приемлемой конструктивной удельной мощностью считается величина 5–10 Вт/дюйм3. Как решаются проблемы с отводом тепла?

Во‑первых, наша команда разработчиков и технологов AEPS-GROUP (Alexander Electric Power Supplies Group) при про-

www.elcomdesign.ru

ектировании модулей электропитания новой серии старалась вывести тепло как минимум на одну грань корпуса модуля электропитания, прилегающей к условной поверхности радиатора. Наиболее передовые фирмы (например, Vicor) используют даже две грани корпуса – двухсторонний теплоотвод, а в устройствах, работающих в специальной охлаждающей жидкости, задействованы все шесть граней корпуса модуля. Во‑вторых, легко заметить, что близкий к кубу или к толстому параллелепипеду конструктивный объем модуля существенно проигрывает по поверхностной площади для отвода тепла плоской низкопрофильной или, если быть точнее, – планарной конструкции корпуса модуля электропитания (похоже, еще один авторский термин). Представьте себе, что вы возьмете условный молоток (это конечно шутка, не пытайтесь повторить) и начнете плющить модуль так, чтобы уменьшить его профиль. Ничего, что у модуля начнет увеличиваться длина или ширина, или оба параметра. Главное, что у него начнет увеличиваться поверхность охлаждения. В какой-то момент вы как конструктор будете удовлетворены – тепло начнет эффективно сниматься с помощью слабенького вентилятора и окружающего воздуха, а надежность модуля станет резко расти (сокращение перегрева на каждые 10°C позволяет примерно вдвое увеличить время наработки на отказ!). Если с тем же упорством продолжить начатое, вы достигнете идеала – профиль станет нулевым, а площадь поверхности – бесконечно большой. Что там вентилятор или воздух – охлаждение будет отличным и в космическом вакууме! Таким образом, мы изобрели способ получения планарного модуля, вообще не требующего системы охлаждения. Что дает планарность

1. Рассмотрим планарность как весьма желательный параметр конструкции. Модули электропитания в большинстве случаев являются самыми толстыми элементами конструкции и очень плохо компонуются с другими микроэлектронными устройствами. Тонкому прибору легче найти место в современной аппаратуре с типовыми низкопрофильными компонентами.

Рис. 1. Модули JETA100-LP JETA700-LP и JETA3000-LP

Входные сети электропитания. Модули планарного исполнения LP (low profile) серии JETA-LP рассчитаны на электрические сети переменного тока американского стандарта 120 В/60 Гц (~100–127 В) и европейского стандарта 220–240 В/50 Гц (~198–242 В). Для таких применений используется входная сеть 230 Вт (~100–242 В) с частотой 50–60 (на заказ – 400) Гц. При этом возможны переходные отклонения в течение 1 с и питание от постоянного напряжения любой полярности; допускается ~100–264 В, или 140–340 В выпрямленного напряжения. С учетом требований для специальных применений на заказ осуществляется исполнение для сетей переменного тока 230 В (~182–242 В, отклонение ~176–264 В в течение 1 с) или 115 В (~81–138 В, отк лонение ~81–150 В в течение 1 с) с частотой 50– 60 (на заказ – 400) Гц. Возможно питание и от постоянного напряжения любой полярности 256–342 В для входа сети 230 В и 113–195 В для входа сети 115 В. Заметим, что числа 100, 150, 300, 700, 1500, 2000 и 3000 в обозначении модулей определяют максимальную выходную мощность в Вт. Однако для обеспечения долговременной надежности коэффициент нагрузки модулей рекомендуется выбирать в диапазоне 0,7–0,8. Это значит, что модули данной серии оптимизированы на среднюю мощность 80, 120, 240, 600, 1200, 1600 и 2400 Вт, соответственно.

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

2. Компоновка осложняется в еще большей мере, когда к модулю электропитания прикреплен радиатор, который тоже занимает определенное пространство. Конечно, лучше всего использовать радиатор с максимальной толщиной, распластав на нем планарный модуль.

3. Внутренние точечные источники тепла, или концентраторы тепла, в планарной конструкции максимально приближаются к поверхности охлаждения модуля, благодаря чему их тепловое сопротивление значительно уменьшается. Новая серия AEPS-GROUP планарных AC/DC-модулей электропитания состоит из семи моделей: JETA100‑LP, JETA150 ‑ LP, JETA30 0 ‑ LP, JETA70 0 ‑ LP, JETA150 0 ‑ LP, JETA2000‑LP и JETA3000‑LP. Как видно из обозначения модулей, они охватывают диапазон мощностей 100–3000 Вт. Для примера на рисунке 1 показаны модули JETA100‑LP JETA700‑LP и JETA3000‑LP. Внешне они имеют одну конструкцию и различаются (кроме выходной мощности) только размерами в диапазоне 100×51×18…299×169×38 мм. На рисунке показан самый маленький модуль серии JETA100‑LP, средний по размерам и выходной мощности JETA700‑LP и флагман серии AEPS-GROUP – самый мощный JETA3000‑LP. Рассмотрим характеристики новых изделий – однофазных планарных безвентиляторных AC/DC-модулей.

27

Рис. 2. Тепловые характеристики

электронные компоненты №05 2020

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

28

Электрические преимущества: все одноканальные модули JETA-LP содержат синхронные выпрямители до выходного напряжения 27 В, что значительно увеличивает их КПД. Возможность реализации двухканального выхода с гальванически развязанными каналами дает уникальную схемную реализацию выхода во всех четырех возможных вариантах: два независимых канала, параллельно включенные каналы, последовательно включенные каналы для обеспечения высоковольтного выхода, выход со средней точкой. За исключением JETA100‑LP и JETA150‑LP все модули имеют корректор коэффициента мощности. Начиная с JETA300‑LP и заканчивая JETA3000‑LP, модули содержат полный функционал сервисных функций, вплоть до параллельной работы. Конструктивные преимущества: модули JETA-LP исключительно малогабаритны в совокупности с высоким КПД. Благодаря этому у них – беспрецедентная конструктивная удельная мощность в диапазоне 17–25 Вт/дюйм3. Алюминие­ вое или медное основание корпуса имеет ребра жесткости и одновременно служит для кондуктивного отвода тепла. Учитывая, что все компоненты с заметным весом конструктивно соединены с основанием и залиты жестким теплопроводящим компаундом, стойкость и прочность к механическим воздействиям весьма высоки. На рисунке 2 показано, как планарность модулей электропитания влияет на надежность аппаратуры в случае использования герметичных конструктивных объемов. Представим себе, что в герметичном объеме блока 1 кроме электронных устройств, практически не выделяющих тепло (они на рисунках не показаны), используются четыре высокоэффективных современных модуля электропитания фирмы ХХХ, каждый с выходной мощностью 225 Вт и КПД равным 90%. Такие параметры отвечают рассеиваемой мощности каждого модуля 25 Вт. Модули имеют обычную конструкцию, не планарные («сундукообразные»), т. е. большой толщины. На рисунке показаны металлические основания модулей, через которые они отдают тепло в корпус–радиатор изнутри герметичного объема. Красными кружками условно показаны концентраторы тепла внутри каждого «сундучка». Это нагретые трансформаторы, отдельно установленные силовые полупроводники, т. е. сильно греющиеся компоненты. Выделяемые каждым модулем 25 Вт тепла распределяются на две части: тепло мощностью 15 Вт уходит в корпус радиа-

тор, а вторая часть переходит во внутренний аппаратурный объем корпуса, нагревает все, что внутри и опосредованно переходит также в корпус–радиатор. В результате через корпус–радиатор через основание модулей наружу выйдет тепло мощностью 4×15 = 60 Вт, а опосредованно через внутренний объем – 4×10 = 40 Вт; в сумме – 100 Вт тепловой мощности. При этом внутренняя температура блока составит, например, 120°C, что определит наработку на отказ 5000 ч. Автор предупреждает, что для упрощения рассматривается задача, когда полезная выходная мощность покидает герметичный объем, а не рассеивается внутри. На рисунке 2 б в блоке 2 иллюстрируется распределение тепла в случае планарных модулей, у которых все концентраторы тепла максимально приближены к основаниям и, как результат, от каждого модуля в корпус–радиатор передаются 20 Вт рассеиваемой мощности, а во внутренний объем поступают только 5 Вт. Ситуация существенно изменилась. Как и в первом случае, с корпуса радиатора во внешнюю среду суммарно поступят те же 100 Вт, но внутренняя температура блока установится на уровне 80°C, что позволит значительно увеличить наработку на отказ примерно до 30000 ч! И это именно благодаря планарной конструкции новых модулей AEPS-GROUP серии JETA-LP. На нашем сайте [2] приводятся 11 областей применения. Модули AEPS-GROUP серии JETA-LP наиболее эффективны для использования в областях 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11 – для летающих объектов на высотах до 5 км в негерметизированных отсеках. К этим объектам относятся самолеты, вертолеты, дроны, летающие шары, планирующие аппараты, метеозонды. Модули также предназначены для эксплуатации в наземном транспорте всех видов – в железнодорожных локомотивах и вагонах, автомобилях, гусеничных передвижных средствах. Модули оптимальны для использования в суперкомпьютерах, радарах и экранах для отображения информации, работающих в условиях окружающей среды. Наконец, модули успешно работают в Арктике и Антарктиде, в горах на всех высотах, в холодных и раскаленных пустынях. Литература 1. Александр Гончаров. Можно ли конкурировать с Traco Power? Нужно!//Электронные компоненты № 4. 2020.

2. www.aeps-group.com.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| «Миландр» создает производство систем безопасности автотранспорта |

Разрабатываемый и запускаемый в производство комплекс представляет собой блок электронных компонентов (российский процессор архитектуры ARM, ОЗУ 1 Гбит, SSD 16 Гбит и более плюс микросхемы и блоки датчиков; все программное обеспечение – отечественное), а также два компактных миллиметровых радиолокатора (76–77 ГГц). Один из радаров – однолучевой с углом обзора по горизонтали 40° на дистанции 70 м (90° на 20 м), угол обзора по вертикали – 36°. Радар обнаруживает одновременно до 10 объектов. Второй радар – многолучевой; по горизонтали на расстоянии до 180 м угол его обзора составляет 12° (соответственно на 20 м дистанции он увеличивается до 90°), угол обзора по вертикали – 24°. Этот радиолокатор обнаруживает до 16 объектов одновременно. Радары, входящие в состав комплекса, имеют габариты 21×10 см и 15×11 см при массе 0,5 кг каждый. Предполагается, что время службы системы составит не менее шести лет. Собранный комплекс устанавливается на автомобиль и становится интеллектуальной системой, помогающей водителю в пути. Она предупреждает об опасности столкновения и в случае экстренной ситуации автоматически запускает экстренное торможение, осуществляет адаптивный круиз-контроль и автоматически управляет светом фар. Кроме того, разработчики закладывают в свою аппаратуру контроль «слепых» зон на дороге, подсказки водителю при смене полосы движения и оценку обстановки на дороге в условиях плохой видимости. Стоимость государственных вложений в проект довольно невысока – около 150 млн руб. Столько же вносит в проект компания «Миландр». Серийная сборка начнется в 2022 г. https://russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

LDO-стабилизаторы компании Diodes Incorporated Александр Кораблев, инженер LDO-стабилизаторы напряжения – довольно распространенные компо‑ ненты, которые производит немало компаний. Стабилизаторы каждой компании имеют свои особенности. На наш взгляд, LDO-стабилизаторы от Diodes Incorporated являются лидерами по соотношению цена/харак‑ теристики.

Рис. 1. LDO-стабилизатор устанавливается между выходом DC/DC-преобразователя и нагрузкой

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

В настоящее время практически к а ж дый 32‑ бит м икр оконтр ол лер имеет в своем составе 12‑бит АЦП, реже 14‑бит АЦП последовательного приближения. Входная шкала этих АЦП, как правило, варьируется в пределах 2,048–2,5 В. Следовательно, величина младшего значащего разряда (МЗР) 12‑бит АЦП находится в диапазоне 0,5–0,6 мВ, а 14‑бит АЦП – в диапазоне 0,125–0,15 мВ. Эти значения и задают требования к построению сигнального тракта для приложений с использованием 12‑бит АЦП. Создание шины питания для таких приложений не является очень сложной задачей, но и тривиальной ее тоже не назовешь. Выходное напряжение DC/DC-преобразователей содержат высокочастотные шумы и пульсации, которые неизбежно через шину питания «пролезают» в сигнальные цепи и с учетом наложения частот при аналогово‑цифровом преобразовании могут превратиться в низкочастотную помеху. Ч то б ы очи с т и т ь шин у пи т ани я от высокочастотных пульсаций, применяются линейные стабилизаторы напряжения с минимально допустимым падением напряжения на них – LDOстабилизаторы. Они устанавливаются между выходом DC/DC-преобразователя и нагрузкой, как показано на рисунке 1. Их производ ят немало компаний. В этой статье мы рассмотрим изделия компании Diodes Incorporated. LDOстабилизаторы этой компании находятся среди лидеров по показателю цена/характеристики. Поскольку в производственную линейку компании входят более 80 компонентов, невозможно рассмотреть все их подробно в рамках небольшого обзора. Мы перечислим только значения основных параметров в общем виде, не указывая их конкретный тип: -- диапазон входного напряжения: 2–40 В; -- регулируемое или фиксированное выходное напряжение: 0,8–5,0 В; -- выходной ток (макс.): 150–3000 мА;

29

Рис. 2. Функциональная схема АР2127

Рис. 3. Схема включения АР2127

электронные компоненты №05 2020

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

30

-- ток собственного потребления: 0,25–6000 мкА; -- ток потребления в режиме останова: 0,01–0,1 мкА; -- минимально допустимое падение напряжения: 0,055–1 В; -- диапазон рабочей температуры: –40…85 и –40…125°C. Поскольку принцип функционирования LDO-стабилизаторов хорошо известен, мы не будем повторяться, а лишь приведем для примера функциональную схему одного из LDO-стабилизатора, чтобы пояснить особенности этих компонентов компании Diodes Incorporated. На рисунке 2 показана функциональная схема АР2127, на рисунке 3 – схема включения этого стабилизатора. На обоих рисунках показана модификация с регулируемым напряжением. Если используется стабилизатор с фиксированным напряжением, резисторный делитель R1–R 2 , служащий для формирования напряжения обратной связи, устанавливается в корпус микросхемы. Пользователи не имеют к нему доступ. Заметим, что использование модификации с регулируемым выходным напряжением предоставляет дополнительные возможности. На рисунке 4 показано, как с помощью конденсатора C f вводится опережающая обратная связь по напряжению. При резком нарастании входного напряжения соответствующее нарастание выходного напряжения через конденсатор Cf, который шунтирует резистор R1, поступает на усилитель ошибки регулятора, и возникший сигнал рассогласования предотвращает дальнейшей рост выходного напряжения. Другими словами, конденсатор Cf преобразует П‑регулятор в ПД-регулятор.

LDO-стабилизаторы довольно просты в использовании, но для их корректного применения необходимо учесть ряд особенностей. LDO-стабилизаторы Diodes не предъявляют повышенных требований к выходному конденсатору COUT (см. рис. 3), но все же перед тем как его выбрать, следует убедиться, что эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) обеспечит стабильность регулирования. На рисунке 5 представлена зона безопасной работы стабилизатора АР2127 в функции ESR выходного конденсатора. Если производитель конденсатора не приводит значения ESR в документации, лучше выбрать другой конденсатор. Одним из назначений LDO является уменьшение пульсаций напряжения на шине питания. Поскольку коэффициент PSRR ослабления пульсаций зависит от их частоты, следует обратить внимание при выборе стабилизатора на эти зависимости. На рисунках 6 и 7 показаны

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Схема включения АР2127 с опережающей обратной связью по напряжению

Рис. 5. Зона безопасной работы стабилизатора АР2127 в функции ESR выходного конденсатора

Рис. 6. Зависимости PSRR от частоты стабилизатора АР2127

Наименование регулятора

Входное напряжение, В

Выходной ток (макс.), мА

Шум в полосе 10 Гц…100 кГц

PSRR, дБ на частоте 1 кГц

Линейная регулировочная характеристика

Нагрузочная регулировочная характеристика

Ток потребления в режиме останова, мкА

Тип проходного транзистора

Корпус

Таблица. Основные параметры некоторых LDO-стабилизаторов компании Diodes Incorporated

АР2114

2,5–6

1000

30 мкВ (СКЗ)

68

0,02% ∙ V

0,2%

60*

pMOS

SOT-223, TO-252-2, TO-252-2, TO-252-2,TO-263-3, SOIC-8, PSOP-8

АР2120

2–6

100

15 мкВ (СКЗ)

65

4 мВ

12 мВ

60*

pMOS

SOT-23, SOT-89, TO-92

АР2125

до 6

300

50 мкВ (СКЗ)

70

1 мВ

6 мВ

0,01

pMOS

SOT-23-3, SOT-23-5

АР2127

2,5–6

300

60 мкВ (СКЗ)

68

0,5 мВ

4 мВ

0,1

pMOS

SOT-23-3, SOT-23-5, SOT–89

АР2202

2,5–13,2

150

260 нВ/√Гц

75 при 100 Гц

0,004% ∙ V

0,02%

0,01

биполярный p-n-p

SOT-23-5, SOT–89

АР2204

2,6–24

200

30 мкВ

60

0,05%

0,5%

0,01

биполярный p-n-p

SOT-23-5, SOT–89, PSOP-8

АР7313

2–6

150

нет данных

65 при 100 Гц

0,01% ∙ V

±0,6%

65*

pMOS

SOT-23, SOT-23R

* Ток собственного потребления.

зависимости PSRR от частоты стабилизаторов АР2127 и АР2022, соответственно. Как видно из этих рисунков, в диапазоне частот примерно до 80 кГц стабилизатор АР2022 выигрывает у АР2127, а при более высоких частотах выигрыш уже не стороне АР2127. Чтобы пользователи смогли оценить стабилизаторы, выпускаемые Diodes Incorporated, мы приведем сводную таблицу с их основными параметрами для некоторых типичных представителей производственной линейки компании. Как видно из таблицы, выбор достаточно велик для приложений с 12‑ и даже 14‑бит АЦП. Возможность переключить стабилизатор в режим пониженного энергопотребления с током

0,01 мкА позволяет использовать стабилизаторы АР2125, АР2202 и АР2204 в приложениях с батарейным питанием. Обратим внимание на сбалансированнос ть параметров инженер ной лаконичности разработки. В LDO преду­смотрены все необходимые функции (защита по току, тепловая защита, режим пониженного энергопотребления), и нет ничего лишнего. Подобный подход позволяет максимально снизить стоимость регуляторов, но при этом обеспечить очень хорошие параметры для рассматриваемых приложений с 12‑ и 14‑бит АЦП. Напр и м ер, в к ач е с т в е пр оход ного к люча использу ютс я только p‑канальные полевые транзисторы,

электронные компоненты №05 2020

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

Рис. 7. Зависимости PSRR от частоты стабилизатора АР2022

хотя сопротивление канала у них выше, чем у n‑канальных аналогов. Дело в том, что напряжение затвора p‑канального транзис тора должно быть меньше напряжения истока, что всегда выполн яе тс я, т. к . входно е напря жение это и есть напряжение истока. При использовании в качестве проходного элемента n‑канального транзистора напряжение затвора должно быть больше напряжения истока. Для реализации этого решения в кристалл стабилизатора придется дополнительно встроить зарядовый насос, что увеличит стоимость устройства. По этой причине в компании отказались от такой идеи. Глядя на таблицу с параметрами, можно сказать, что есть стабилизаторы с лучшими параметрами. Например, можно использовать LDO-регулятор LT3042 компании Analog Devices с шумом 0,8 мкВ (СКЗ) в диапазоне 10 Гц…100 кГц, PSRR = 70 дБ на частоте 1 МГц. Отличный регулятор, очень хорошо подойдет для приложения, где величина входного сигнала составляет не более нескольких микровольт. Но для приложений, о которых идет речь в нашей статье, его использование бессмысленно. И 12-, и 14‑бит АЦП не «увидят» разницу между этим регулятором и любым другим LDO из приведенной выше таблицы и точность измерения не повысится. Зато ваш заказчик эту разницу почувствует – вместо LDO-стабилизатора стоимостью 7–10 центов ему придется оплатить счет за LDO-регулятор стоимостью 10 долларов, что в 100 раз больше, но при этом параметры системы не улучшатся! Как вы думаете, что он вам скажет и станет ли к вам обращаться следующий раз?

31

Проектирование систем с использованием PoE-технологии Александр Пономарев, инженер

На рынке растет спрос на приложения, работающие по технологии Power over Ethernet (PoE). Небольшие устройства с малым энергопотреблением все чаще оснащаются функцией PoE. В статье рассматриваются вопро‑ сы реализации PoE-технологии в сетях 10/100 Ethernet и Gigabit Ethernet, пример решения для видеокамер в системе машинного зрения, а также основные вопросы проектирования PSE-систем и их решение.

www.elcomdesign.ru

2

24

1

22

3

20

5

21

4

19

6

17

8

18

7

16

9

14

11

15

10

13

12

75 Ом

75 Ом

1 2 3 4 5 6 7 8

К кабелю

S1 S2

К Ethernet PHY

75 Ом

GND

75 Ом

а)

10 нФ GND

10 нФ 100 В

К кабелю

1 2 3 4 5 6 7 8

10 нФ 100 В

S1 S2

10 нФ 100 В

2

24

1

22

3

20

5

21

4

19

6

17

8

18

7

16

9

14

11

15

10

13

12

75 Ом

75 Ом

К Ethernet PHY

75 Ом

GND

10 нФ 100 В

23

75 Ом

1000 пФ 1

GND 4

б)

1

+

32

23

+

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

Введение

Машинное зрение получает все большее распространение в системах промышленной автоматизации. Видео­ камеры не только считывают коды, но и определяют объекты, осуществляют испытания качества и управление производственными процессами. Благодаря двум последним функциям появилась идея установить 100-% технический контроль над производственными линиями [1]. Видеокамера системы машинного зрения обеспечивает «сырое» изображение объектов. Большинство видеокамер выпускается в очень малом формате (29×29×29 мм) со всей необходимой электроникой, включая интерфейсы, в небольшом корпусе [2]. КМОП-датчики, которые применяются в таких видеокамерах, очень чувствительны к теплу. Поскольку качество изображения ухудшается с ростом температуры, необходимо, чтобы рассеиваемая мощность была мала. Компактный корпус, в котором отсутствует место для вентилятора или теплового радиатора, не позволяет рассеивать мощность в больших объемах, и потому ее величина крайне ограничена. В си с те м а х м ашинн о го з р е ни я используются КМОП-датчики, ПЛИС или процессор, а также высокоскоростной интерфейс и источник питания. Электронная система должна захватывать, обрабатывать и передавать несжатые видеокадры с высокой скоростью и разрешением. Часто интерфейс работает на максимальной скорости, что становится ограничивающим фактором. К стандартным интерфейсам относятся USB 3.x, Gigabit Ethernet (GigE) или даже 10‑Gigabit Ethernet. Оба Gigabitинтерфейса, как правило, оснащены

~

~ − 2

3

4

~

~

2

Рис. 1. Схема электроавтоматики: а) без использования PoE; б) с функцией PoE

3

К PD-устройству

технологией PoE. Gigabit Ethernet обеспечивает высокую скорость передачи данных и питание по кабелю длиной до 100 м. Датчик изображения отличается от видеокамеры тем, что в него интегрирован блок обработки данных. Требования к размерам и потребляемой мощности этими датчиками менее жесткие. Эти устройства имеют достаточно большие размеры и могут даже оснащаться теплоотводом. В состав датчика изображения также входит контроллер для управления освещением [3] и мощный процессор. Поскольку выходные данные в таком случае обрабатываются быстрее, чем «сырое» изображение, их скорость, как правило, ниже. Несмотря на то, что датчики изображения работают в сетях 10/100 Ethernet с промышленными протоколами, применяется также технология PoE. Основы PoE

2 Включение питания

Опознание по четырем точкам 1

Напряжение PSE (10 мА/дел) Время (40 мс/дел)

Рис. 2. Обнаружение и классификация

значенный для питания PoE PD, может стать причиной повреждения других устройств. Обнаружение PD-устройств

PSE-оборудование определяет подключение PD-устройства к сети. В 2003 г. стандарт IEEE 802.3af определил способ обнаружения и вид классификации, ограничив питание величиной 15,4 Вт на выходе PSE-оборудования. В 2009 г. стандарт IEEE 802.3at повысил это значение до 30 Вт. Данный стандарт не только определяет процедуру оповещения оборудования об уровне подаваемой мощности, но и протокол канального уровня. При подключении PD-устройства к PSE-оборудованию оно сначала осуществляет опознание. На данном этапе на PD-устройство подается напряжение в диапазоне 2,7–10,1 В, чтобы измерить ток на резисторе идентификации (сигнатуры). На рисунке 2 показана полная процедура обнаружения PD-устройств, совместимых со стандартом IEEE 802.3af Class 3. Обнаружение резистора иден-

тификации (в диапазоне 19–26,5 кОм) осуществляется в четыре этапа, что обеспечивает надежность этой процедуры. По с л е корр е к т н о го о п оз нани я н ач и н а е т с я к л а сс и ф и к а ц и я . P S E оборудование повышает напряжение в диапазоне 15,5–20,5 В, после чего PD-устройство начинает потреблять постоянный ток, сигнализируя о своих потребностях в питании. Например, ток 0 мА по классификации относится к разряду Class 0, что соответствует мощности 15,4 Вт, поступающей от PSEоборудования. На начальном этапе (см. рис. 2) напряжение подается в диапазоне 5–8 В; в течение этого времени определяется сигнатура. После успешного завершения этой процедуры напряжение увеличивается до 19 В, а PD-устройство потребляет ток 28 мА. PSE-оборудование, получив информацию о подключении устройства Class 3, обеспечит мощность до 15,4 Вт. Устройствам type 1 PSE-оборудование подает напряжение в максимальном диапазоне 44–57 В.

Таблица 1. Режимы потребления мощности в соответствии со стандартом IEEE 802.3af Этап Обнаружение

Комментарии

Напряжение, В

Измерение сопротивления резистора идентификации

2,7–10,1

Классификация Запуск

Определение класса мощности (см. табл. 2)

14,5–20,5

Начало подачи напряжения на PD-устройство

42

Диапазон напряжения питания

36–57

Функционирование Таблица 2. Классы мощности Класс

Ток, мА

Мощность на PD-устройстве

Мощность от PSEоборудования, Вт

0

0–4

0,44–12,94

15,4

1

9–12

0,44–3,84

4

2

17–20

3,84–6,49

7

3

26–30

6,49–12,95

15,4

4

36–44

12,95–25,5

30

Комментарии

Стандарт 802.3at требует оповещений от PD-устройств по протоколу LLDP на канальном уровне. Протокол LLDP, как правило, реализуется на системном процессоре, а не в PD-контроллере.

PSE-оборудованию не требуется реализация этого протокола

электронные компоненты №05 2020

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

Для оснащения Ethernet-системы функцией PoE требуется осуществить несколько модификаций [4]. На рисунке 1а показано, как трансформаторы обычно подключаются к сети Gigabit Ethernet в приложении без функции PoE. Средние выводы этих трансформаторов соединяются друг с другом через 75‑Ом резисторы и заземляются через конденсатор. Такая схема называется сопряжением по методу Роберта Смита. В рассматриваемом случае землей, как правило, является корпус устройства или экран кабе ля. Как видно из рис унка 1а, в такой схеме отсутствует возможность подавать питание устройству по Ethernet-кабелю. Для реализации возможности подавать питание в схему добавляется по одному конденсатору на ответвление от средней точки, чтобы убрать постоянную составляющую. Поскольку этот тракт больше не закорочен, напряжение постоянного тока прилагается симметрично между каждой дифференциальной парой. В общей сложности, можно реализовать до четырех пар витого кабеля. Эти пары соединяются с контроллером запитываемого устройства (powered-device, PD) по двум выпрямительным мостам. При использовании выпрямителя полярность не имеет значения (см. рис. 1б). Перед подачей питания питающее оборудование (PSE) должно убедиться в подключении к сети питаемого устройства, работающего по технологии PoE, чтобы не повредить его. На рынке предлагается несколько пассивных PoEреализаций, когда источник питания подключается к среднему ответвлению трансформатора, не используя функцию обнаружения. Такой подход, предна-

Классификация Ток PSE (20 мА/дел)

33

Пример компактного решения для видеокамер систем машинного зрения

Как уже упоминалось, в системах м ашинн о го зр ени я и спользу ютс я очень компактные видеокамеры, что

www.elcomdesign.ru

2

14

3

11

6

10

7

9

8

75 Ом

GND

1000 пФ

4 5 12 13

NC NC NC NC

GND 1

4

1

~

~ –

PoE в системах 10/100 Ethernet

Выше мы обсудили, как реализуется PoE-технология в сетях Gigabit Ethernet с помощью четырех пар. PD-устройства

15 75 Ом

S1 S2 10 нФ 100 В

1

К Ethernet PHY

10 нФ 100 В

1 2 3 4 5 6 7 8

16

2

Рис. 3. Технология PoE для сетей 10/100 Ethernet

+

34

В сетях 10/100 Ethernet и Gigabit Ethernet используются совершенно разные кабели и оповещения. Как правило, Ethernet состоит из дву х основных групп: скорость передачи данных в сетях 10/100 Ethernet составляет 10 и 100 Мбит/с, а в сетях Gigabit Ethernet – 1000 Мбит/с. В технологии 10/100 Ethernet используются только четыре линии с кабелями и двумя разными каналами: один работает на передачу, другой – на прием. Для передачи сигналов с двумя разными скоростями требуется изоляция в виде трансформатора в передающей и принимающей линиях передачи на обоих концах кабеля. Таким образом, как правило, используются два трансформатора в одном корпусе. Для передачи на скорости 10 Мбит/с в соответствии со стандартом IEEE 802.3i 10BASE-T при кодировании сигналов применяется манчестерский код, а для передачи со скоростью 100 Мбит/с согласно IEEE 802.3u 100BASE-TX – линейное кодирование.

Gigabit Ethernet, или 1000‑Мбит/с Ethernet, – другое название стандарта 802.3ab 1000BASE-T. Физический уровень Gigabit Ethernet – совершенно иной. Все восемь линий кабеля используются для реализации четырех дифференциальных каналов, и все одновременно являются двунаправленными. Потребность в изоляции и трансформаторах та же, что и в случае с 10/100 Ethernet: каждой паре требуется один трансформатор. В общей сложности, на каждом конце кабеля применяются четыре трансформатора. Поскольку интегральные трансформаторы для Gigabit Ethernet состоят из четырех трансформаторов, их размеры, как правило, больше размеров трансформаторов для линий 10/100 Ethernet. В приложениях, критичных к занимаемому пространству, можно использовать два трансформатора 10/100‑Ethernet для Gigabit Ethernet.

в значительной мере ограничивает энергопотребление. Реализация технологии PoE в сетях Gigabit Ethernet в таких с лучаях требует высокого уровня интеграции. Для установки печатной платы в корпус размером 29×29×29 необходимо, чтобы ее размер не превышал 25×27 мм. Благодаря малому размеру систему можно разделить на небольшие подсистемы по нескольким разным платам. На рисунке 4 показано полное решение, в котором реализован интерфейс питания и данных для видеокамер в системах машинного зрения и других PoE-приложениях с ограниченным занимаемым пространством. В состав исходного проекта с изолированными блоками PoE и GigE для видеокамер и датчиков изображения систем машинного зрения входят две небольшие печатные платы, соединенные посередине гибкой печатной платой (см. рис. 4). На печатной плате слева имеются разъемы, преобразователь данных и каналы входа/выхода. На печатной плате справа реализовано PoE-решение и физический уровень Gigabit Ethernet, включая генератор тактовых сигналов и источник питания. Посередине между двумя платами находится печатная плата, которую можно изогну ть, чтобы установить конструкцию в корпус. Чтобы размер решения был небольшим, в исходном проекте применяется интегральная ИС (TPS23758), оснащенная функциями отдельного PD-контроллера, обратноходового контроллера и полевого транзистора. Наличие обратной связи (ОС) на первичной стороне исклю-

+

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

Отличия сетей 10/100 Ethernet от Gigabit Ethernet

используют все пары д ля работы с модификациями PSE-оборудования A и B. Поскольку в сетях Ethernet со скоростями 10/100 используются только две пары, незадействованными остаются две другие пары. Эти две пары (выводы 7/8 и 4/5 разъема RJ45) часто применяются только для реализации PoE-технологии. Недостаток такого подхода в том, что требуется кабель с восемью линиями. Если по какой-либо причине требуется кабель с четырьмя линиями, мощность следует инжектировать симметрично в пары линий данных в трансформаторы. В таком случае используется тот же метод, что и для сетей Gigabit Ethernet. Для оповещений стандарт 802.3at требует от PD-устройств применения протокола LLDP канального уровня. Как правило, он реализуется в системном процессоре, а не в PD-контроллере. Для работы PSE-оборудования протокол LLDP не требуется. На рисунке 3 представлена реализация PoE PD -ус тройс тв в сетях 10/100 Ethernet. Как и в случае с Gigabit Ethernet, все четыре линии соединены с PD-контроллером через выпрямительный мост. Эта схема обеспечивает питание устройства независимо от его полярности. Она работает при добавлении линий питания к линиям данных или незанятым линиям.

К кабелю

Описанная процедура расширена для устройств стандарта IEEE 802.3at. Первая классификация осуществляется для устройств Class 4 IEEE 802.at с сигналами тока 36–44 мА, после чего необходима вторая классификация. Мощность устройств этого класса достигает 30 Вт [5]. В таблице 1 перечислены режимы потребления мощности, а в таблице 2 представлен список категорий и значений тока.

3

4

~ 3

~ – 2

К PD-устройству

Ethernet PHY

Источник питания PHY

(Вид сверху)

Силовой трансформатор

RJ45RJ45 Разъем Connector

PD-устройство + первичная сторона обратноходового преобразователя

(Вид снизу)

AUX-Input OR-ing

Источник питания PHY

Цифровой выход

Структурная схема PoE-системы

Конденсаторы Генератор Вторичная сторона тактовых PHY обратноходового преобразователя импульсов PHY

Рис. 4. Исходный проект TIDA-010083E1 для PoE-изолированных видеокамер и датчиков в системе машинного зрения GigE

Изменение напряжения, зависящее от температуры и тока, становится значительно меньше по сравнению с диодом, что позволяет полевому транзистору подавать питание непосредственно на PMIC. На рисунке 5 показаны графики КПД и выходного напряжения контроллера TPS23758 с двумя разными трансформаторами. Один из них рассчитан на выходную мощность 7 Вт при 4 В, а другой – на 13 Вт при 5 В. Итак, PoE-технология – простой и эффективный способ комбинировать

Проблемы проектирования PSE-систем

К техническим проблемам, возникающим при проек тировании PSE-оборудования для PoE-систем, относятся следующие.

–– Уп рав ле н и е п итан и е м пор та. У коммутатора Ethernet, как прав и л о , – н е с к о л ь к о п о р т о в (16 , 24 или 48), но источник питания не в состоянии обеспечить полную мощнос ть д ля всех портов.

100

5,7

96

5,55

КПД LDT1018

92

5,4

88

5,25 КПД LDT750318517

84

5,1

80

4,95 Выходное напряжение LDT1018

КПД, %

76

4,8

72

4,65

68

4,5

64

4,35

60

4,2

Выходное напряжение LDT750318517

56

4,05

52

3,9

48

3,75

44

3,6

40

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

2,25

2,5

3,45 2,75

Выходной ток, А

Рис. 5. КПД PoE-решения с использованием контроллера TPS23758 и двух разных трансформаторов

электронные компоненты №05 2020

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

чает необходимость в использовании ОС оптопары. В результате конструкция имеет сравнительно малый размер и более высокую надежность, а стабилизация напряжения осуществляется быстрее. Величина рассеиваемой мощности является критичным показателем для приложений этого типа, определяя выбор выпрямителя на вторичной стороне. Наряду с обратной связью на первичной стороне диод позволяет определить температуру по падению напряжения на нем. В большинстве приложений этот фактор не является критичным, но в тех случаях, когда обратноходовая схема рассчитана на 5 В и требуется подать 5,5 В на управляющую ИС по управлению питанием (PMIC), выброс напряжения при малом токе может доставить неприятности разработчику. Обе проблемы (уменьшение падения напряжения, зависящее от температуры и тока, а также рассеяние мощности) можно решить, заменив диод полевым транзистором и добавив обмотку в трансформатор для управления этим транзистором. Синхронное выпрямление побуждает стабилизатор работать в режиме непрерывной проводимости даже при малых нагрузках, благодаря чему уровень выходного напряжения остается прежним при малых нагрузочных токах. Поскольку у полевого транзистора намного меньше потери на проводимость, чем у диода, рассеиваемая мощность уменьшается.

На рисунке 6 показана структурная схема самой распространенной PoEсистемы. Микроконтроллер управляет PSE-оборудованием по интерфейсу I2C и связывается с центральным обрабатывающим модулем хоста по интерфейсам I2C, SPI или UART. Источник постоянного тока (44 –57 В) подает питание на плату PSE и в PD-нагрузку по кабелям Ethernet.

Выходное напряжение, В

Цифровой вход

подачу питания и высокоскоростную передачу данных по одному кабелю. При реализации PoE имеются важные различия между сетями 10/100 Ethernet и Gigabit Ethernet. Чтобы отличить PoEустройство от тех устройств, которые не поддерживают эту технологию, следует корректно осуществить распознание. Оповещение о необходимости получить питание от PSE-оборудования является необходимой процедурой. Пример реализации решения очень малого размера, приведенный на рисунке 4, показал, что PoE-интерфейс обеспечивает мощность величиной 7 или 13 Вт при очень высоком КПД около 90% (см. рис. 5).

PD-устройство + обратноходовой преобразователь

35

Коммутатор Ethernet

Плата PSE

44–57 В I 2C/SPI/UART Главный ЦП

I 2C Изолятор I 2C

МК

PSE 1

Порт 1 Порт 2

PSE 2

Порт 3

EthernetPD-нагрузка кабель IP-камера IP-телефон Точка беспроводного доступа

I 2C PSE M

Порт N

Цифровая вывеска

Рис. 6. Структурная схема PoE-системы +0,1 мс

A1 Write [0×40]

0×30 + ACK

Read [0×41]

0×4D + ACK

+0,2 мс

A2 0×01 + NAK

Write [0×40]

0×32 + ACK

+0,3 мс Read [0×41]

0×75 + ACK

0×33 + NAK

0,1447 мс

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

Рис. 7. Временная диаграмма для расчета тока, протекающего через один порт

36

Например, в 48‑портовой конфигурации потребляемая мощность каждой нагрузки, подключенной к порту, достигает 30 Вт. Следовательно, в общей сложности PSEоборудованию требуется 1440 Вт. Однако б ольшинс тво пр оизво дителей предпочитает экономить на поставках систем с источниками питания по переменному току, подающими всю требуемую мощность на всех портах. Таким образом, возникает вопрос об обеспечении питания как можно большего количества PD-устройств и сохранении питания высокоприоритетных портов в случае дефицита мощности.

–– Ступенчатое изменение нагрузки. Известно множество способов управлять изменениями нагрузки с помощью соответствующих портов. Наиболее распространенный из них метод основан на динамическом контроле над потребляемой мощнос тью каж дого порта. Э то эффективный метод, поскольку его применение не вызывает потерь энергии. Информация о потребляемой мощности в режиме реального времени при осуществлении динамического управления питанием позволяет рассчитать оставшийся заряд батареи и принять решение о включении питания. ПО для PSEоборудования использует динамический контроль, позволяющий получать сведения о суммарной потребляемой мощности, для чего

www.elcomdesign.ru

на всех портах считываются показания тока и напряжения. В системе с большим количеством портов расчет суммарной потребляемой мощнос ти с помощью дина мического контроля требует много времени. Например, предположим, что для связи между PSE-оборудованием и микроконтроллером применяется коммуникационный протокол I2C (4 0 0 кГц ). Д ля расчета мощнос ти, приходящейся на один порт, считываютс я показания дву х регис тров для тока и двух регистров для напряжения. Для считывания информации о напряжении на одном порту требуются пять транзакций I2C, что занимает 1/400 кГц ∙ 9 бит ∙ 5 = 0,11 мс. В общей сложности, необходимы 0,22 мс для расчета мощности на одном порту. Теоретически, на один цикл расчетов уходят 0,22 мс ∙ 96 каналов = 21,12 мс. На рисунке 7 представлены экспериментальные данные для шины I2C. На считывание напряжения потребовались 0,1447 мс и еще 0,1447 мс – на счи т ыв ани е ток а , ч то в с у м м е дает 0,2894 мс; при этом необходимо некоторое время на сохранение данных и включение регистров. В случае 96‑канальной системы потребуются, по крайней мере, 27,7824 мс на операцию считывания.

–– Несколько источников питания. В некоторых системах применяется несколько источников питания по переменному току. В одних случаях они работают сообща, чтобы

обеспечить требуемую суммарную мощность, а в других дополнительный источник используется в качестве резервного. В обоих случаях следует учитывать возможность того, что один из источников питания может прекратить функционировать или временно перей­д ет в автономный режим. При этом необходимо быс тро отк лючить порты с малым приоритетом во избежание перегрузки источника питания. Решения для PSE-систем

Давайте рассмотрим решения каждой из трех упомянутых задач при проектировании PSE-оборудования.

–– Управление портами питания. Как упоминалось, управление портами питания необходимо для обеспечения питанием как можно большего количества PD-устройств; при этом с уммарное энергопо требление не должно превышать допустимого уровня, а циклы переключения мощности этих устройств ограничены. Как видно из рисунка 8, мощностью порта можно управлять, ограничив уровень класса или заранее установив предельные значения мощности. При динамическом управлении для расчета оставшейся мощности используется фактическое значение потребляемой энергии, а в с татическом режиме – предельное значение мощности из расчета на порт. Например,

Динамический режим с приоритетом

Режим ограничения мощности порта

Ограничение мощности порта задается хостом

Управление портами питания

Динамический режим без приоритета (обслуживание в порядке очереди)

Статический режим с приоритетом

Режим ограничения по классам

Ограничение мощности порта основано на классе

Статический режим без приоритета (обслуживание в порядке очереди)

Рис. 8. Методологии управления питанием

Источник питания #1

Источник питания #2

PG 1

PG 2 МК OSS

PSE 1

PSE M

Рис. 9. PSE-система с несколькими источниками питания

лер назначает разные приоритеты быстрого выключения разным портам на основе бюджета питания. В случае нарушения функционирования одного источника питания МК отправляет заранее определенные сигналы быстрого отключения (OSS) в PSE-систему и отключает порты с низким приоритетом во избежание перегрузки источника питания. Испытания показали, что МК может отк лючить эти порты менее чем за 200 мкс. На рисунке 9 показана структурная схема PSE-системы с двумя источниками питания. Каждый из них имеет возможность отправить микроконтроллеру сигнал индикации PG в качестве прерывания. И т а к , с а м ы е т руд н ы е в о п р о с ы проектирования PSE-системы всегда связаны с обеспечением управле ния питанием, поскольку источники

питания, как правило, не рассчитаны на работу с полной мощностью в силу н е до с т аточн о го р аз м ер а и в ы со кой стоимости. Поскольку решение проблем проек тирования системы на уровне интегральных схем может оказаться дорогостоящим, имеются другие более экономичные решения с использованием системного ПО. Конфигурация систем с помощью ЦП, интерфейсов I2C или UART позволяет существенно сократить цикл проектирования и уменьшить расходы. Литература 1. VDMA Key Technology for Automation Solutions Machine Vision 2017/18.

2. Camera Sizes: the Smaller, the Finer.

3. LED-Lighting Control Reference Design for Machine Vision. Texas Instruments Reference Design (TIDA‑01081).

4. Würth WE-RJ45 RJ45 LAN transformer.

5. TPS2388 PSE controller data sheet.

электронные компоненты №05 2020

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

если общий бюджет мощности системы равен 100 Вт, класс PD-устройства можно ограничить. При использовании PD-устройства Class 4, когда величина максимальной потребляемой мощности достигает 30 Вт, на один работающий порт приходятся 20 Вт. В динамическом режиме величина оставшейся мощности составила бы 100 Вт – 20 Вт = 80 Вт. В статическом режиме эта величина равнялась бы 100 Вт – 30 Вт = 70 Вт. Существуют два способа приоритезации портов: 1) приоритет определяется пользователем; 2) обслуживание осуществляется в порядке очереди.

–– Ступенчатое изменение нагрузки. Мощность PSE-оборудования можно измерить с помощью внешней измерительной схемы на входе сис темы, не считывая значений напряжения и тока на отдельных портах из регистра PSE. Микро контроллер может быстро выключить порты с низким приоритетом во избежание перегрузки источника питания, что сократит задержку системы. МК непрерывно считывает показании АЦП и контролирует общее потребление поступающей мощнос ти. Несмотря на то, что время реакции системы определяется частотой выборки АЦП, преобразователь можно регулировать в соответствии с разными требованиями. В условиях перегрузки микроконтроллер в соответствии с расчетными данными отключает порты с низким приоритетом, чтобы сохранить энергопотребление в пределах выделенного бюд жет мощнос ти, позволяя избежать повторной загрузки систем ы . В о т с у т с т в и е п е р е г ру з к и М К постепенно наращивает мощность на отк люченных порта х , ес ли это позволяет бюджет. В другом методе по управлению питанием применяется компаратор, который генерирует ступенчатый сигнал напряжения, если ток перегрузки соответствует заданному пороговому значению. Сигнал подается на порты ввода/вывода общего назначения МК, который выдает аппаратное прерывание и быстро выключает порты. И в этом случае, когда условия перегрузки ус транены, МК пос тепенно наращивает мощность на отключенных портах, если это позволяет бюджет. В результате задержка системы сокращается со 127 мс до менее чем 1 мс.

–– Несколько источников питания. Решение зак лючаетс я в подаче PG-сигналов (power-good) источников питания на выводы аппаратного прерывания МК. Микроконтрол-

37

Лабораторные блоки питания от компании JIUYUAN Electronic Геннадий Денисов, инженер

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

В статье приводится краткий обзор лабораторных источников пита‑ ния китайской компании JIUYUAN Electronic. Поскольку компания относи‑ тельно мало известна на российском рынке, мы надеемся, что статья будет представлять практический интерес для читателей.

38

В [1] приведен довольно полный и интересный обзор линейных источников питания известнейшей компании Rohde & Schwarz. Изделия компании не нуждаются в представлении, и их стоимость заслуженно высока. В этой статье речь пойдет о лабораторных источниках питания гораздо менее известной на российском рынке китайской компании JIUYUAN Electronic. Источники питания этой компании едва ли могут соревноваться по функциональным возможностям с аналогичной продукцией Rohde & Schwarz, однако в относительно простых приложениях источники питания JIUYUAN Electronic составят достойную конкуренцию аналогам в своей ценовой нише. Штаб-квартира китайской компании JIUYUAN Electronic находится в г. Нинбо, что в двух часах езды от Шанхая. Численность компании относительно невелика. В штат входят 200 сотрудников, из которых 30 занимаются исследованиями и разработкой, а 20 (10%!) работают в службе контроля качества, немудрено, что продукция компании не вызывает нареканий. JIUYUAN Electronic не только является OEM-партнером известных брендов, но и продвигает на рынке свой бренд. В производственную линейку JIUYUAN Electronic входит: -- промышленная мебель для оборудования лабораторий; -- источники и модули питания разного назначения, в т. ч. для морских судов, промышленного и лабораторного оборудования; -- коммутационная аппаратура. Мы кратко рассмотрим лабораторные источники питания в разном конструктивном исполнении – многоканальные и одноканальные, линейные и импульсные. Все рассмотренные нами блоки питания работают либо в режиме постоянного выходного напряжения (CV), либо в режиме постоянного выходного тока (CI). Диапазон рабочей температуры лабораторных блоков питания составляет 0–40°C. Если нагрузка мала и ток нагрузки ниже установленного пользователем предела, блок питания работает в режиме источника напряжения. При увеличении нагрузки, когда выходной ток достигает установленного пользователем значения, блок питания переходит в режим источника тока. Многие блоки питания имеют простое и понятное обозначение. Начальные буквы обозначают серию, далее следуют четыре цифры: первые две из них соответствуют максимальному напряжению, а последние две – максимальному току; последние буквы обозначают вариант конструктивного исполнения. Например, максимальное выходное

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Переносной импульсный блок питания PS3010HB

напряжение блока PS3010HB (см. рис. 1) равно 30 В, а максимально допустимый ток – 10 А. Буквы HB в данном случае указывают на переносное исполнение. Погрешность измерения тока и напряжения не превышает ±1%. Размер блока: 85×160×230 мм, а его вес – 1,8 кг. Множество преимуществ импульсных источников питания над линейными многократно описано, и мы не будем повторяться. Заметим только, что у линейных источников питания имеется один, но важный довод в свою пользу – низкое напряжение шумов и пульсаций выходного напряжения. Именно по этой причине в производственной линейке компании JIUYUAN Electronic имеется немало линейных блоков питания. Вес у этих источников питания немалый – до 35 кг, но и пульсации выходного напряжения невелики – всего 0,5–3 мВ (СКЗ) в зависимости от мощности. Для сравнения: пульсации выходного напряжении в импульсных источниках сравнимой мощности колеблются в диапазоне 50–200 мВ (СКЗ). К тому же, массогабаритные показатели лабораторных блоков питания

Рис. 2. Линейный блок питания QJ3003CIII

Рис. 3. Портативный импульсный блок питания PS2002H

Рис. 4. Линейный блок питания QJ6010E

Нельзя не обратить внимания и на портативный импульсный блок питания PS2002H, который показан на рисунке 3. Его мощность относительно невелика (50 Вт), но для питания большинства датчиков и устройств с низким энергопотреблением этой мощности вполне достаточно. В зависимости от режима работы регулируемое выходное напряжение выбирается в пределах 0–20 или 0–12 В при максимальном токе 2 или 4 А, соответственно. Размер блока невелик – 86×180×35 мм. Вес прибора составляет 0,7 кг, что не затрудняет его переноску. Поскольку мы кратко описали импульсный блок питания малой мощности, будет справедливым упомянуть и линейный мощный блок питания, чтобы читатель мог представить многообразие производственной линейки компании JIUYUAN Electronic. Рассмотрим для примера серию линейных блоков питания QJ3010E, QJ3020E, QJ36005E, QJ6010E, QJ12003E (см. рис. 4). Как видно из названия, в нее входят блоки с максимальным выходным напряжением 30–120 В и максимальным током 3–20 А. Попутно заметим, что по мере увеличения мощности блока питания все более весомым параметром становится выигрыш в стоимости линейного источника по сравнению с цифровым. При большом токе нагрузки и значительной д лине кабеля питания выходное напряжение блока питания и напряжение на нагрузке могут различаться из-за падения напряжения на кабеле питания, что приводит к ошибке регулирования. Чтобы компенсировать эту ошибку, предусмотрены дополнительные к леммы S+ и S– д ля подк лючения сигнала обратной связи по напряжению на нагрузке. Приведем некоторые основные параметры этих блоков: -- выходное напряжение (рег.): 0–30; 0–60 или 0–120 В; -- ток канала (макс.): 3; 5; 10 или 20 А; -- пульсации выходного напряжения: не более 2–5 мВ; -- регулировочная нагрузочная характеристика: 100 ppm + 2 мВ; -- размер: 265×140×360 мм; -- масса: 15–17 кг. В заключение заметим, что все лабораторные блоки питания компании JIUYUAN Electronic имеют защиту от токов короткого замыкания, от ошибки полярности и тепловую защиту. Точность регулирования напряжения и срабатывания защит обеспечивается с помощью встроенного микроконтроллера. Литература 1. Сергей Круглов. Питаемся правильно. Обзор источников пита­ ния компании Rohde & Schwarz//Электронные компоненты. № 11.

2019.

электронные компоненты №05 2020

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

не имеют такого большого значения, как в случае с другими приложениями. Компания не преминула воспользоваться еще одним преимуществом линейных блоков питания – в них гораздо проще, чем в импульсных блоках, реализовать многоканальные модификации. Буквально в двух словах опишем многоканальные линейки блоки питания QJ3003CIII, QJ3005CIII и QJ5003CIII. Внешний вид блока QJ3003CIII показан на рисунке 2. В этих блоках помимо двух независимо регулируемых каналов имеется еще и третий независимый канал с фиксированным выходным напряжением 5 В и максимальным выходным током 3 А. Два регулируемых канала можно соединять параллельно или последовательно; при этом контроль напряжения и тока обоих каналов осуществляется только одним ведущим каналом. Блоки могут длительное время работать при полной нагрузке. Основные параметры блоков QJ3003CIII, QJ3005CIII и QJ5003CIII: -- регулируемое выходное напряжение: 0–30 или 0–50 В; -- ток канала (макс.): 3 А или 5 А; -- пульсации выходного напряжения: не более 0,5 мВ; -- регулировочная нагрузочная характеристика: 100 ppm + 2 мВ; -- размер: 270×180×310 мм; -- масса: 11,5 или 13,5 кг.

39

Новые возможности измерений благодаря стремительному совершенствованию осциллографов Бриг Асай (Brig Asay), директор по стратегическому планированию, Keysight Technologies

Долгие годы развитие когерентной демодуляции и физики высоких энер‑ гий сдерживалось производительностью существующих дигитайзеров из-за ограничений, связанных с полосой пропускания и целостностью сиг‑ нала. Метрологические потребности других приложений удовлетворя‑ лись, например, анализаторами спектра. Появившиеся недавно дигитай‑ зеры/осциллографы реального времени обладают расширенной полосой пропускания и меньшим уровнем шумов, что позволяет наблюдать сиг‑ налы большей частоты или меньшей амплитуды. Усовершенствованные дигитайзеры открывают новые возможности измерений.

Измерительные средс тва и приборы

Полоса пропускания

Расширение полосы пропускания осциллографов шло стремительными темпами: если в 2009 г. ее ширина составляла 20 ГГц, то к настоящему времени этот показатель достиг 110 ГГц у осциллографов Keysight серии UXR (см. рис. 1). П р е о д о л е н и е р у б е ж а в 5 0 Г Гц позволило использовать осциллографы реального времени в новых областях, где до этого применялись только специализированные приборы. Рассмотрим, например, магистральные оптические линии (см. рис. 2). Исследования в этой области в значительной

мере зависят от полосы пропускания дигитайзера, которая должна обеспечивать измерение скоростей передачи в оптической линии. Когда полоса пропускания осциллографов достигла величины 33 ГГц, появилась возможность измерять скорости 400 Гбит/с. Полоса 63 ГГц позволяет наблюдать сигналы с терабитными скоростями. Ширина полосы современных осциллографов составляет 100 ГГц и больше, что соответствует скоростям значительно выше 1 Тбит/с. Нынешние технологии достигли точки, в которой ограничивающим фактором являются не дигитайзеры, а генераторы сигналов.

40

В приложениях сотовой связи много внимания уделяется стандартам 5‑го поколения (5G). И хотя большинство технологий использует частоты ниже 8 ГГц, наблюдается устойчивая миграция в сторону миллиметрового диапазона. В США планируется переход на диапазоны 28 и 39 ГГц. С этими частотами могут работать многие измерительные приборы, но нас интересуют именно осциллографы, поскольку они обладают достаточно широкими полосами пропускания. Полная ширина спектра сигнала стандарта 5G, которую осциллографы могут оцифровать непосредственно, превышает 1 ГГц. Недавно федеральная комиссия связи США заявила о возможности использования частот выше 60 ГГц. Поскольку частотный диапазон современных осциллографов уже превысил 100 ГГц, они обладают достаточной полосой не только для измерения используемых в настоящее время сигналов 5G, но и для измерения сигналов, которые появятся в скором времени, гарантируя поддержку будущих технологий. Когерентность каналов

Рис. 1. 4-канальный осциллограф Keysight Infiniium серии UXR с полосой пропускания 110 ГГц

www.elcomdesign.ru

Предполагается, что устройства 5G будут использовать технологию MIMO с числом входов до 64. В настоящее время в типовое решение для измерения характеристик систем MIMO входит несколько приборов, использующих общий гетеродин. Современные осциллографы реального времени выпускают-

Рис. 2. Применение осциллографа для исследования оптических сигналов и когерентной модуляции

Уровень шумов

В прошлом применение осциллографов реального времени для исследования широкополосных технологий ограничивалось еще одним фактором – собственными шумами. Шум является распространенной проблемой и порождается многими источниками внутри осциллографа. Перед оцифровкой сигнал должен пройти через всю систему захвата осциллографа, причем на каждом участке этого тракта добавляется шум. К самым сильным источ-

Измерительные средс тва и приборы

ся в виде 2‑ или 4‑канальных моделей. Благодаря недавно усовершенствованным встроенным в осциллографы тактовым генераторам обеспечивается очень малый межканальный джиттер и фазовый шум. Например, у осциллографа Keysight UXR заявленный в специ­ фикациях межканальный д жит тер улучшился со 150 фс до менее чем 35 фс, что позволяет осциллографом измерять MIMO-сигналы с той же точностью, что и в системах с общим гетеродином. Кроме того, осциллографы реального времени имеют прецизионный выход тактовой частоты, который позволяет синхронизовать несколько приборов. Таким образом, осциллографы отлично подходят для приложений MIMO. Кроме того, эти приборы позволяют аппаратно выполнять прореживание в режиме реального времени с помощью специальных ИС, что делает их еще более предпочтительными для технологий MIMO.

41 Рис. 3. Уровень шумов осциллографа менее –160 дБм/Гц позволяет использовать его в новых приложениях

никам шумов осциллографа относятся предусилитель и дигитайзер. К сожалению, оба этих функциональных узла отвечают за обеспечение очень широкой полосы пропускания, что порождает неизбежный компромисс между уровнем шумов и полосой. Кроме того, некоторые осциллографы используют для расширения полосы такие методы как частотное перемежение, которое требует достаточно большой вычислительной мощности для коррекции АЧХ и является источником дополнительного шума. Шум заметно затрудняет ана-

лиз сигналов, усложняя исследования оптических и радиосигналов. Прежде типовой уровень собственных шумов осциллографов составлял приблизительно –145 дБм/Гц. И хотя это не так уж плохо, у других приборов был значительно меньший уровень шумов равный –160 дБм/Гц. Недавние достижения позволили сократить шумы осциллографов с –145 до менее чем –160 дБм/Гц (см. рис. 3). Это действительно революционные достижения, позволяющие успешно проводить новые эксперименты с помощью осциллографов.

электронные компоненты №05 2020

Идеальным примером является сигнал с 64‑позиционной квадратурной амплитудной модуляцией (64QAM). На этот сигнал существенно влияют собственные шумы измерительного прибора. Для получения хорошего результата следует четко различать все позиции сигнала. К сожалению, в прошлом решение этой задачи вызывало серьезные трудности, из-за которых разработчики были вынуждены сужать полосу измерения для подавления высокочастотного шума осциллографа. Ограниченная полоса осциллографа приводила к ограничению пропускной способности когерентной передачи данных. Благодаря недавним революционным достижениям в области снижения шумов осциллографов задача исследования сигналов 64QAM с большей полосой стала вполне реальной, обеспечив, в свою очередь, революционный прорыв в развитии магистральных линий связи.

Измерительные средс тва и приборы

Эффективная разрядность (ENOB)

42

Эффек тивная разрядность – это параметр, определенный инстит утом IEEE для оценки качества осциллографа и показывающий, насколько точно изображение на экране осциллографа соответствует форме реального сигнала. Как правило, осциллографы оснащаются 8‑ или 10‑разрядными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Искажения в АЦП и сигнальном тракте осциллографа снижают качество сигналов. ENOB стал ключевым показателем на современным рынке оптических устройств. С появлением стандарта 400G кодирование сигналов сменилось с NRZ (без возврата к нулю) на PAM4 (4‑уровневая амплитудноимпульсная модуляция) (см. рис. 4). В прошлом сигналы 400G исследовались преимущественно с помощью стробоскопических осциллографов, поскольк у на форму пос т упающих сигналов большое влияние оказывала ENOB. В настоящее время, когда показатель ENOB улучшился до 6+ в диапазоне 50 ГГц, полоса пропускания осциллографов реального времени расширилась нас только, что измерения, выполненные этими при-

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. В стандарте 400G широко применяется модуляция PAM4

борами, мало отличаются по качеству от результатов измерений, полученных с помощью стробоскопических осциллографов. Теперь на рынке 400G инженеры могут использовать один и тот же осциллограф для отладки и для измерения характеристик. Отношение уровня сигнала к уровню шума и искажений (SINAD)

Тесную связь с параметром ENOB имеет отношение уровня сигнала к уровню шума (С/Ш) и отношение уровня сигнала к уровню шума и искажений (SINAD). В мире радиосвязи одним из важнейших факторов, сдерживающих применение осциллографов, являются его собственные шумы. Эти шумы ограничивают возможность осциллографа отображать низкоуровневые сигналы беспроводной связи. Благодаря усовершенствованным АЦП и уменьшению собственных шумов осциллографа параметр SINAD значительно улучшился.

Для инженеров, работающих в конкретном частотном диапазоне, шумы осциллографа существенно затрудняют выделение полезного сигнала на фоне шума прибора. Осциллограф очень удобен для таких технологий как MIMO, но если качество измерения недостаточно высоко, его преимущества могут быть перевешены недостатками. По этой причине производители осциллографов стараются удовлетворить специфические потребности измерений для широкого ряда приложений. Выводы

С развитием технологий осциллографы превращаются из инструмента, используемого преимущественно для работы с высокоскоростными цифровыми интерфейсами, в контрольно-измерительный прибор, который можно успешно применять во многих беспроводных приложениях. Теперь один прибор выполняет работу, для которой ранее потребовались бы три или четыре прибора.

Резонаторы компании Abracon Сергей Баринов, инженер

Компания Abracon не очень хорошо известна на российском рынке. В этом кратком обзоре мы буквально в двух словах представим Abracon, рассмо‑ трим кварцевые и керамические резонаторы ее производства.

Рис. 1. Эквивалентная схема резонатора

Рис. 2. Генератор Пирса

Из этой схемы можно вычислить нагрузочную емкость (CL), которая указывается в документации изготовителя: , где C I N – входна я е м ко с ть К МОП инвертора (см. рис. 2); COUT – выходная емкость КМОП-инвертора; CPCB – емкость проводников печатной платы. При использовании резонатора совместно с микроконтроллером, СнК, микросхемами генераторов и т. д. следует учесть, что инвертор генератора Пирса встроен в эти микросхемы, и беспокоиться не о чем. Однако в случае, когда требуется автономный генератор Пирса, необходимо очень внимательно отнестись к выбору инвертора. Его

трансимпедансный коэффициент передачи G должен быть выше минимального критического уровня G CRIT, который определяется следующим соотношением: GCRIT = 4ω2ESR ∙ (C0 + CL)2. Если соотношение G > GCRIT не выполняется, работа генератора Пирса является неустойчивой. Поскольку чем ниже энергопотребление в микросхемах логики, тем меньше трансимпедансный коэффициент передачи, не следует выбирать микросхемы с пониженным энергопотреблением. Кроме того, необходимо учитывать изменение сопротивления ESR в зависимости от температуры. В качестве примера на рисунке 3 показана зависимость ESR резонаторов

электронные компоненты №05 2020

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

Компания Abracon появилась на рынке относительно недавно – в 1992 г. Ее штаб-квартира находится в США (шт. Калифорния), а офисы компании можно найти также в Европе и Азии. Продуктовая линейка компании довольно разнообразна и состоит из трех основных групп: 1. Компоненты времязадающих цепочек и систем синхронизации.

2. РЧ-компоненты и разъемы.

3. Пассивные компоненты для силовых цепей и помехоподавления. В настоящей статье рассматриваются компоненты из первой группы – кварцевые и керамические резонаторы. В керамических резонаторах вместо кварца применяется недорогая пьезокерамика. Такие резонаторы используются в приложениях, где не требуется очень высокая точность и стабильность частоты. Эквивалентная схема резонатора показана на рисунке 1. Перечислим основные параметры кварцевых резонаторов, которые следует учитывать при выборе.

–– Рабочая частота. Обычно указываются от двух до пяти значащих цифр после запятой.

–– Режим работы (operation mode). Указывается диапазон частот при работе на основной (fundamental) частоте или 3‑й (3rd overtone) гармонике.

–– Диапазон рабочей температуры. Этот параметр резонаторов Abracon находится в пределах: –55…125; –40…125; –40…85; –20…70 или 0–70°C. –– Отклонение частоты от номинального значения. Измеряется в ppm при 25°C. –– Стабильность частоты. Измеряется в ppm при 25°C. –– Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).

–– Нагрузочная емкость (CL).

–– Шунтирующая емкость (С0).

–– Старение. Измеряется в ppm. Для получения устойчивых колебаний с логическими уровнями КМОП используется генератор Пирса; его схема показана на рисунке 2. В левой части рисунка представлена электрическая схема генератора, а в правой – эквивалентная схема кристалла с учетом всех емкостей.

43

Рис. 3. Температурная зависимость ESR резонаторов разных модификаций семейства ABS 07W

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

семейства ABS 07W разных модификаций от температуры. Желательно, чтобы для запаса по усилению выполнялось неравенство:

44

К = (G/GCRIT) > 5. Краткий обзор резонаторов компании Abracon начнем с резонаторов семейства с частотой 32,768 кГц. Поскольку резонаторы с этой частотой используются в часах/календарях реального времени в микроконтроллерах, СнК, ASIC иногда в просторечье эти резонаторы называют «часовым» кварцем. Все резонаторы с частотой 32,768 кГц по стабильности частоты в Abracon разделяют на три группы – с высокой, типовой и низкой стабильностью. На рисунке 4 представлен график отклонения от номинальной частоты в функции температуры для всех перечисленных групп. Резонатор ABS 07, который производится во влагозащищенном корпусе, не чувствителен к изменению влажности окружающей среды. Приведем основные параметры этого резонатора: -- частота: 32,768 кГц; -- отклонение частоты от номинального значения: ±10; ±20; ±30 ppm в зависимости от модификации; -- температ урный коэффициент: –0,036 ppm/Т2; -- диапазон рабочей температуры: –55…125; –40…125 или –40…85°C в зависимости от модификации; -- мощность «раскачки»: 0,1 мкВт; -- р а з м е р : 3 , 2 × 1 , 5 × 0 , 9 и л и 3,2×1,5×0,65 мм в зависимости от модификации. Упомянем еще резонаторы семейства ABS 25. Их основная частота также составляет 32,768 кГц, но они могут работать в диапазоне частот 30–100 кГц. У них только один диапазон рабочей темпе-

www.elcomdesign.ru

ратуры: –40…85°. Их размеры больше, чем у резонаторов ABS 07, и составляют 3,8×8,4×2,5 мм. Соответственно, им требуется большая мощность для раскачки (1 мкВт). Таким образом, стоимость этих резонаторов почти в два раза ниже стоимости резонаторов ABS 07. Мы сравнили эти два резонатора, чтобы показать наличие в производственной линейке компании изделий одинакового назначения, но разной ценовой категории, что обеспечивает оптимальный выбор для конкретного проекта. Ес ли требуетс я получить более высокие частоты, можно обратиться, например, к семейству кварцевых резонаторов ABLS. В нем имеются резонаторы с разной стабильностью и разными

диапазонами рабочей температуры и, следовательно, с разной ценой. Их основные параметры: -- частота на основной гармонике: 3,579545–24 МГц; -- частота на 3‑й гармонике: 24,01– 75,00 МГц; -- отклонение частоты от номинального значения: выбирается из ряда ±5… ±30 ppm в зависимос ти от модификации; -- стабильность частоты: выбирается из ряда ±10… ±150 ppm в зависимости от модификации; -- д и а п а з о н р а б о ч е й т е м п е р а т уры: выбираетс я из ряда от –10…60 до –55…125°C в зависимости от модификации;

Рис. 4. Отклонения от номинальной частоты в зависимости от температуры резонаторов разных групп стабильности

-- мощность «раскачки»: 1–500 мкВт; -- размер: 12,5×4,7×4,2 мм. Для сравнения с кварцевым резонатором ABLS приведем основные параметры керамического резонатора АВМ7 примерно с таким же общим частотным диапазоном: -- частота на основной гармонике: 8–39,999999 МГц; -- частота на 3‑й гармонике: 40,00– 80,00 МГц; -- отклонение частоты от номинального значения: выбирается из ряда ±10… ±30 ppm в зависимости от модификации; -- стабильность частоты: выбирается из ряда ±10… ±100 ppm в зависимости от модификации; -- д и а п а з о н р а б о ч е й т е м п е р а туры: выбирается из ряда от 0…70 до –40…85°C в зависимости от модификации; -- расширенный диапазон рабочей температ уры (только д ля стабильности частоты ±100 ppm): выбирается из ряда от –40…85 до –55…125°C; -- мощность «раскачки»: 10–100 мкВт; -- размер: 6,0×3,5×1,4 мм. Как видно из этого сравнения, если не требуется высокая стабильность частоты в расширенном диапазоне температур,

Таблица. Компоненты компании Abracon для высокоскоростных сетей Функциональное назначение резонатор XO с очень малым джиттером

Наименование

Краткое описание

серия AX7 ClearClock

осциллятор с фазовым джиттером 117 фс, диапазон частот: 50–2100 МГц

разъем RJ45

серия ARJM11

поддерживает стандарты 2.5GBase-T и 5GBase-T emerging, а также стандарт 10/100/1000GBase-T

OCXO

серия AOCJY6

высокоточный осциллятор, отлично подходит для удержания фиксированной частоты

серия ABM8-116114.285MHZ-T

для аттенюаторов джиттера необходим высокочастотный кристалл с низким фазовым шумом; этот кристалл подходит для широко используемых аттенюаторов Si5326 и Si53xx

XO

серии ABLJO, ASFLMX, ASVMX

XO с очень малым фазовым джиттером 50–200 фс и частотой до 850 МГц

RTC

серии ABx8x5 и AB-RTC

часы реального времени с низким энергопотреблением (не более 22 нА)

серия ABS06

генератор в компактном корпусе 2,0×1,2 мм с гарантированно малым ESR для схем тактирования микроконтроллера

XTAL для модуля аттенюатора джиттера

32,768-кГц XTAL

вместо кварцевого резонатора вполне можно использовать керамический меньшего размера. Мы упомянули лишь малую толику резонаторов производства компании Abracon – в ее производственной линейке гораздо больше компонентов. В ней представлены не только резонаторы, но и осцилляторы, а также другие компоненты времязадающих систем. В заключение нашего краткого обзора приведем рисунок 5, на котором

показана функциональная схема сети для передачи данных со скоростью 32–56 Гбит/с. При таких скоростях передачи повышаются требования ко всем компонентам сети и, в первую очередь, к времязадающим цепям. Цветом на рисунке 5 выделены компоненты компании Abracon, которые могут использоваться в подобных сетях, а в таблице приведены краткие описания этих компонентов.

электронные компоненты №05 2020

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

Рис. 5. Функциональная схема сети для передачи данных со скоростью в диапазоне 32–56 Гбит/с

45

Простой способ управления ключами CoolSiC MOSFET Клаус Соби (Klaus Sobe), Infineon Technologies

В статье описан легко воспроизводимый способ определения чувстви‑ тельности карбидокремниевых MOSFET, и представлены результаты испытаний дискретных CoolSiC MOSFET.

Силовые дискретные компоненты

Введение

46

Вк лючение т р анзис тор ов, о бу словленное емкостью Миллера, часто считается недостатком современных карбидокремниевых (SiC) MOSFET. Во избежание этого эффекта схемы управления затвором для преобразователей с жесткой коммутацией, как правило, реализуются с использованием отрицательных напряжений выключения затвора. Но так ли следует управлять транзисторами CoolSiC MOSFET? Ключевым условием успешной реализации схем с управляющим затвором является корректный выбор уровня напряжения затвора. Технология CoolSiC MOSFET от компании Infineon предусматривает выбор напряжения включения затвора в пределах между 18 и 15 В так, чтобы ключ имел наибольшую токонесущую способность или устойчивость к короткому замыканию, соответственно. С другой стороны, уровень напряжения выключения затвора должен только отвечать за безопасное отключение устройства. Компания Infineon предоставляет возможность использовать дискретные MOSFET при 0 В с простой схемой управления затвором.

Рис. 1. Влияние емкости Миллера CGD при выключении внутреннего диода

может превысить пороговый уровень, что приведет к одновременному замыканию ключей, появлению сквозного тока и росту коммутационных потерь. Разумеется, риск одновременного замыкания ключей и тяжесть его

последствий зависят от конкретных условий эксплуатации и измерительного оборудования. Наиболее критичными показателями являются высокое напряжение шины постоянного тока, резкий рост напряжения и высокая

Паразитный эффект включения

Нежелательное включение полупроводникового ключа происходит из-за индук тивной или емкос тной обратной связи (ОС) с затвором. Как правило, у SiC MOSFET емкостная ОС возникает из-за емкос ти Миллера (см. рис. 1). Внутренний диод ключа S2 в ни ж не м п лече пр ов оди т ток нагрузки IL, пока не замкнется ключ S1. После коммутации этого тока в ключ S1 начинает возрастать напряжение сток–исток ключа S2. На данном этапе вс ледс твие увеличения потенциала стока растет напряжение затвора ключа S2, что обусловлено наличием емкости Миллера CGD. В свою очередь, резистор в цепи затвора на стадии выключения препятствует этому повышению. Если величина этого сопротивления недостаточно мала, напряжение

www.elcomdesign.ru

В

Рис. 2. Измерительная схема для снятия характеристик: ключ S1 в верхнем плече работает как генератор сигналов dv/dt, а ключ S2 является испытуемым устройством. Цель измерения – установить максимальную величину сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа S2, при которой еще удается избежать паразитного включения

температ ура пере ход а. Из -з а них не только возрас тает напряжение затвора, но и снижается пороговый уровень. К основным факторам, оказывающим влияние на оборудование, относятся нежелательная паразитная емкость платы, параллельная емкости CGD, внешний конденсатор, параллельный CGS, напряжение выключения затвора и сопротивление в цепи затвора ключа при отключении. Измерительная схема

Результаты измерений

Тестирование при нулевом нагрузочном токе означает, что внутренний диод испытуемого устройства не является прямосмещенным до переходного процесса при коммутации. Поскольку восстановления диода не наблюдается, переходный процесс обусловлен только перезарядом емкостей транзисторной струк т уры. В таких условиях напряжения, наведенные на паразитные индуктивности, не игра-

ют существенной роли. Таким образом, у корпуса TO‑247 и 4‑выводного корпуса TO‑247 – одинаковые характеристики. Результаты измерений при напряжении 800 В и токе предс тавлены на рисунке 4. Хорошо видно, что для предотвращения эффекта включения из-за паразитной емкости величина R Goff должна быть тем ниже, чем больше dv DS/dt и выше температура. Заметим, что нулевого напряжения затвора разомкнутого ключа достаточно, чтобы избежать нежелательного отпирания даже при 50 В/нс и температуре 175°C. Если нельзя выбрать достаточно малое сопротивление RGoff, применяются драйверы затвора с активным ограничением эффекта Миллера, например 1EDC30I12MH.

Рис. 3. Характеристики 1200-В/45-мОм CoolSiC MOSFET при 100°C с разными значениями сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа RGoff. Величина Q*RR больше на 10% (оранжевая кривая, 12 Ом) и на 40% (красная кривая, 22 Ом) по сравнению с исходным сигналом (черным цветом, 0 Ом)

Силовые дискретные компоненты

Чтобы определить чувствительность к паразитному эффекту включения, разработчики часто используют характеристику заряда затвора полупроводникового ключа из технического описания. Однако оно не позволяет сделать корректные выводы относительно конкретного приложения. Главным недостатком является то, что характеристика заряда затвора является в большей степени статической, тогда как паразитное включение относится к чисто динамическим эффектам. Спе­ циализированные испытания по определению чувствительности выполняются для оценки паразитного эффекта включения 1200‑В/45‑мОм CoolSiC MOSFET в 3‑ и 4‑выводных корпусах TO‑247 в условиях эксплуатации конкретного приложения. Все тесты выполняются при нулевом напряжении затвора разомкнутого ключа. Оценочна я п лата с полум о с то в о й ко н ф иг у р ац и е й р еа лиз о в ана в со­ответствии со схемой на рисунке 2. В ней ключ в нижнем плече является испытуемым устройством, а ключ в верхнем плече работает в качестве генератора сигналов dv/dt. При включении транзистора в верхнем плече рост напряжения сток–исток ключа в нижнем плече приводит к изменению напряжения затвора dvDS/dt. При этом, чем меньше сопротивление в цепи затвора ключа в разомкнутом состоянии, тем меньше шанс паразитного включения. Цель этого эксперимента – определить критическую величину сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа для рассматриваемого сценария испытания. При этом критичном сопротивлении в цепи затвора величина Q* RR увеличивается на 10% относительно значения при нуле вом сопротивлении. Q* RR обозначает сумму трех зарядов: заряда обратного восстановления внутреннего диода; емкостного заряда полупроводников, элементов топологии и пассивных компонентов; заряда, возникающего из-за паразитного эффекта включения. Пороговый уровень 10% достаточно велик, чтобы получить надежные результаты измерений, но сравнитель-

но мал для большинства приложений (см. рис. 3). Испытания осуществляются при разных температурах, токовых нагрузках и разной скорости нарастания напряжения. Эта скорость регулируется с помощью сопротивления RGon ключа S1 в верхнем плече.

47

Рис. 4. Зависимость критичных значений сопротивления в цепи затвора от dvDS/dt 1200-В/45-мОм CoolSiC MOSFET. Точки измерения получены при напряжении 800 В и токе 0 А; напряжение затвора разомкнутого ключа – 0 В. Пунктирные линии соответствуют расчетным значениям

электронные компоненты №05 2020

Силовые дискретные компоненты

Рис. 5. Минимальные уровни коммутационных потерь при включении разных 1200-В SiC MOSFET при 800 В, 15 A и 150°C

48

При более высоких уровнях нагрузки происходит жесткая коммутация между внутренним диодом ключа S2 и ключом S1. Из-за обратного восстановления диода и индуцированного напряжения ситуация немного усложняется. По сути, необходимо учитывать три следующих эффекта: 1. Процесс восстановления внутреннего диода уменьшает среднюю скорость dvDS/dt и препятствует включению, обусловленному паразитной емкостью.

2. Из-за колебательных процессов между индуктивностью коммутационной петли и выходной емкостью устройства локально возрастает величина dvDS/dt.

3. При использовании стандартного корпуса TO‑247 отрицательная обратная связь через общий вывод истока ключа S2 уменьшает напряжение затвора, в результате чего возрастает устойчивость к паразитному эффекту включения. Очевидно, что вклад каждого из трех перечисленных факторов зависит от аппаратной реализации измерительной установки. Например, при использовании оценочной платы во всех трех описанных в статье тестах наиболее критичными являются условия эксплуатации, при которых температура равна 175°C, а ток – 0 A. Таким образом, заштрихованная область, в которой отсутствует включение из-за паразитной емкости, на рисунке 4 соответствует результатам измерения при токе 40 А. И в этом случае не важно, какой корпус использовался, – TO‑247 или 4‑выводной TO‑247. Высокоскоростные коммутационные приложения

Как видно из рисунка 3, трудно отличить друг от друга ток, протекающий при одновременном замыкании ключей, от тока обратного восстановления внутреннего диода. Оба эффекта замедляют или сглаживают изменение напряжения в переходном процессе и способствуют увеличению коммутационных потерь энергии не только в диоде, но и в ключе. В приложениях, в которых требуются высокие скорости переключения, включение из-за паразитной емкости ограничивает эффективность решений, как и в случае выбора неподходящего антипараллельного диода. На рисунке 5 показаны минимальные уровни коммутационных потерь при включении разных карбидокремниевых MOSFET при управляющем напряжении затвора 18/0 В. Диапазон номинальных значений сопротивления открытого канала испытуемых устройств составляет 60–80 мОм, сопротивление в цепи затвора – 4,7 Ом. Для сравнения на рисунке также пока-

www.elcomdesign.ru

заны коммутационные потери CoolSiC MOSFET с управляющим напряжением 18/–5 В. Хотя не все устройства поддерживают высокие скорости коммутации при таких параметрах управления, результаты свидетельствуют о высокой устойчивости CoolSiC MOSFET к включению, обусловленному паразитной емкостью. Выводы

Мы рассмотрели простой способ определения чувствительности силовых полупроводниковых ключей к замыканию, вызванному емкостью Миллера. Результаты испытаний для дискретных CoolSiC MOSFET, работающих при напряжении шины постоянного тока 800 В и коммутационной скорости 50 В/нс, показывают, что нулевое напряжение управления затвора для отключения транзистора в схеме высокоскоростного двухуровневого преобразователя является допустимым. Для трехуровневых схем, где переключаемое напряжение составляет всего половину напряжения шины постоянного тока, ситуация упрощается в еще большей мере. В таких случаях CoolSiC MOSFET фактически избавлены от емкостного включения независимо от величины сопротивления в цепи затвора. Компания Infineon предлагает разработчикам силовой электроники для управления дискретными MOSFET выбирать нулевое напряжение затвора в приложениях с хорошо проработанной топологией печатной платы и минимальной емкостью затвор–сток. Благодаря такому решению упрощается конструкция драйвера затвора; при этом эффективность изделия не ухудшается. Литература 1. K. Sobe et al. Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC MOSFETs. PCIM Europe 2019. Nuremberg. Germany. May 2018.

2. T. Basler et al. Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200 V SiC Trench MOSFET. PCIM Europe 2018. Nuremberg. Germany. June 2018.

3. Infineon AN‑2006–01. Driving IGBTs with unipolar gate voltage.

Application Note. December 2005.

4. S. Jahdi et al. Investigation of parasitic turn-ON in silicon IGBT and Silicon Carbide MOSFET devices: A technology evaluation. ECCE-Europe 2015. Geneva. Switzerland. September 2015.

5. Infineon AN‑2017–44. 1200V Highspeed3 IGBT in TO‑247PLUS Evaluation Board. Application Note (rev. 1). November 2017.

РЕКЛАМА

Микроконтроллеры семейства RZ/N компании Renesas Сергей Волков, инженер, SergVolkov1971@yandex.ru

В статье рассматриваются микроконтроллеры семейства RZ/N ком‑ пании Renesas. Описание их основных модулей позволяет составить представление о возможностях микроконтроллеров этого семейства, предназначенного для решения широкого ряда задач промышленной автоматизации.

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Введение

Прежде чем приступить к рассмотрению микроконтроллеров (МК) семейства RZ/N компании Renesas, буквально в двух словах опишем МК этой группы, чтобы указать в ней место МК RZ/N. В состав группы входят четыре семейства: –– RZ/A; –– RZ/G; –– RZ/N; –– RZ/T. Наше описание семейств построено по принципу «от простого – к сложному». МК RZ/T базируется на процессорных ядрах Arm Cortex-R7. Они предназначены для высокопроизводительных МК, работающих в режиме реального времени. Их тактовую частоту можно увеличить до 600 МГц. Максимальная частота МК RZ/T – 600 МГц, что является предельным значением для Cortex-R7. В МК RZ/T, как и в других микроконтроллерах семейства RZ, используется технология R‑IN, основу которой состав-

ляет аппаратный ускоритель Ethernet, позволяющий ускорить процесс обработки в четыре раза. МК этой группы рекомендуется использовать в промышленных приложениях для управления электроприводами и исполнительными механизмами. В состав семейства RZ/A входят многоядерные МК с процессорными ядрами Cortex-А9, тактируемые частотой 400 МГц и 528 МГц в последней модификации RZ/A2 М [1]. Ядра Cortex-А9 предназначены для работы с достаточно сложными операционными системами, например Linux или Android. Микроконтроллеры RZ/A удобно использовать в коммуникационных и мультимедийных приложениях, а также для построения человеко-машинного интерфейса. Семейство RZ/G делится на два подсемейства многоядерных МК – RZ/G1 и RZ/G2. Первое из них базируется на ядрах Cortex-А15 и Cortex-А7 с тактовой частотой до 1,5 ГГц, а второе – на 64‑бит Cortex-А57 и Cortex-А53 с той же тактовой

50

Рис. 1. Сравнительные возможности семейств RZ/G и RZ/A для создания интерфейса «человек-машина»

www.elcomdesign.ru

Словарь • AHB – высокоскоростная шина • АРВ – шина периферийных модулей • AXI – расширенный интерфейс ARM • A5PSW – 5-портовый коммутатор Ethernet • BGPIO – базовый модуль порта ввода/вывода • ECC – код коррекции ошибок • FMMU – модуль управления памяти интерфейса Fieldbus • FPU – модуль работы с числами с плавающей запятой • GMAC – гигабитный контроллер доступа к медиа­ среде • GIC – контроллер прерываний • HSR – бесшовное резервирование среды высокой готовности • HWF – аппаратно реализованные функции Ethernet • IPCM – межпроцессорные коммуникации • MDIO – интерфейс ввода/вывода данных • MMU – модуль управления памятью • MSEBI – интерфейс внешней шины • NoC – сеть-на-кристалле • PRP – протокол параллельного резервирования • RTOS – операционная система реального времени (ОСРВ) • Sercos III – последовательный коммуникационный интерфейс реального времени

Рис. 2. Распределение задач между ядрами МК семейства RZ/N

показаны возможности этих устройств для создания человеко-машинного интерфейса. Многоядерные МК семейства RZ/N, наверное, можно позиционировать как переходный мостик от семейства RZ/T к семейству RZ/G – их можно использовать для управления в промышленных системах, но они обладают и очень неплохими сетевыми возможностями. МК базируются на ядрах Cortex-А7 и Cortex-М3. Ядро

Таблица. Некоторые основные параметры МК семейства RZ/N1D и их различия

Процессор

Параметр

RZ/N1D

RZ/N1S

RZ/N1L

Arm Cortex-A7

2 ядра

1 ядро

–

Arm Cortex-M3

+

+

+

4 Мбайт с ЕСС

+

+

+

контроллер DDR

–

+

+

2 Мбайт с ЕСС

Память

Сеть

Периферия

Quad SPI

1

2/1*

1

SDIO/SD/eMMC

2

2

2

NAND

+

+

+

R-IN

+

+

+

порты Ethernet

5/3**

5/3*

3

независимые GMAC

2

–/2*

1

АЦП

2/1

1

1

UART

8

8

8

I2C

2

2

2

параллельная шина

+

+

только ведомая

USB

+

+

+

Контроллер ЖКД Число линий ввода/вывода Корпус

+

+

–

170/132**

160/95*

95

400 LFBGA (17×17 мм) или 324 LFBGA (15×15 мм)

324 LFBGA (15×15 мм) или 196 LFBGA (12×12 мм)

196 LFBGA (12×12 мм)

* В знаменателе – для МК в 324-выводном корпусе, в числителе – для МК в 196-выводном корпусе. ** В знаменателе – для МК в 400-выводном корпусе, в числителе – для МК в 324-выводном корпусе.

Cortex-М3 было анонсировано в далеком 2004 г. Поскольку оно хорошо описано, мы не будем его описывать еще раз. Ядро Cortex-А7 появилось в 2011 г. Оно разработано для экономичных приложений и заменило ядро Cortex-А8, превзойдя его в производительности и энергоэффективности. К тому же, у ядра Cortex-А7 – меньше размеры. Распределение задач между ядрами в МК RZ/N иллюстрирует рисунок 2. Д а л е е м ы о п и ш е м М К R Z / N1D на о сн о в е дву я дер н о го к лас тер а Cortex-А7 и ядра Cortex-М3. Этот микроконтроллер имеет наибольшие функциональные возможности среди других МК семейства. Некоторые основные параметры данных МК и их различия приведены в таблице. Структурная схема МК RZ/N1D показана на рисунке 3. Функциональные модули МК RZ/N1D

Процессорные ядра и память По скольк у проце ссорные ядра Cortex-А7 и Cortex-М3 хорошо известны, мы лишь кратко напомним читателям их основные параметры. В состав МК RZ/N1D входит двуядерный кластер Cortex-А7. Каждое ядро кластера содержит кэш команд уровня L1 емкостью 16 Кбайт и точно такой же по объему кэш данных. Общий для двух ядер кэш уровня L2 имеет емкость 256 Кбайт. В состав каждого из ядер входит модуль работы с плавающими числами (FPU) и модуль управления памяти (MMU), а также контроллер прерываний (GIC). Максимальная частота тактирования ядер достигает 500 МГц. Заметим, что частота тактирования ядер должна быть кратна частоте тактирования сети NoC с коэффициентом кратности 1, 2 или 4. О пр о це ссор н о м я д р е Co r te x- М3

электронные компоненты №05 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

частотой. Причем, в самом мощном МК – по четыре ядра Cortex-А57 и Cortex-А53. Мы с удовольствием рассказали бы об этих МК, но, увы, документацию от компании можно получить только при условии подписания соглашения о неразглашении. МК RZ/G предназначены для приложений с высокой вычислительной мощностью. Сопоставить семейства RZ/G и RZ/A поможет рисунок 1, на котором

51

Микроконтроллеры и микропроцессоры

52

Рис. 3. Структурная схема МК RZ/N1D

www.elcomdesign.ru

следующим образом: «Выбор кристалла – строка – банк – столбец – тракт передачи данных». Контроллер флэш-памяти NAND, как нетрудно догадаться, реализует обмен данными с памятью NAND. Формат данных соответствуют требованиям спецификации ONFI 2.2 и более ранней ONFI 1.x. Контроллер может работать в асинхронном режиме и поддерживает до четырех микрос хем NAND. Контроллер реализует защиту памяти, поддерживает страницы объемом 356 байт…16 Кбайт. Для коммутации с памятью используется встроенный контроллер Quad SPI, который также адресуется к четырем микрос хемам , под держив ает 1/2/3/4‑байт адресацию и осуществляет защиту записи. Заметим, что контроллер не осуществляет декодирование адресов, а входящие адреса и есть адреса флэш-памяти. В состав МК входят два контролера SDIO/SD/eMMC, каждый из которых реализует многоблочные циклы записи/стирания. Скорость передачи данных при тактировании частотой 25 МГц составляет 12,5 Мбит/с, а в высокоскоростном режи-

ме при тактировании частотой 50 МГц скорость передачи данных увеличивается до 25 Мбит/с. Передача данных производится в формате 1, 4 или 8 бит. Интерфейс USB соответствует стандарту USB 2.0, тактируется частотой 48 МГц и поддерживает скорости передачи данных 480 Мбит/с, 12 Мбит/с (USB 1.1), 1,5 Мбит/с (USB 1.1). Периферия В состав периферийных модулей входят коммуникационные интерфейсы, порты ввода/вывода, интерфейс внешней шины MSEBI, АЦП, модули таймеров и контроллер ЖКД. К коммуникационным интерфейсам отнесем следующие: –– 8×UART. Максимальная скорость передачи данных каждого порта достигает 5,2 Мбит/с, каждый порт и м е е т о тд е л ьн ы е буф е р ы FI FO 16×8 на прием и передачу данных; –– SPI. Четыре ведущих порта и два ведомых, длина кадра 4–1 бит, буферы FIFO 16×16; –– 2×I2C. В стандартном режиме скорость передачи данных до 100 Кбит/с, в высокоскорос тном ре жиме – до 400 Кбит/с; 7‑ или 10‑бит адресация, буферы FIFO 8×8; Микроконтроллеры и микропроцессоры

мы ничего нового не скажем. Заметим только, что его частота тактирования может меняться в пределах 15,625– 125 МГц. Межпроцессорные коммуник а ц и и м е ж д у я д р а м и C o r t e x - A 7 и Cortex-M3 осуществляются посредством трех почтовых ящиков. Модуль IPCM имеет три выхода прерываний, подключенных к каждому из трех ядер. В состав каждого почтового ящика входят семь 32‑бит регистров для записи и хранения сообщений. Модуль формирует прерывания, которые могут адресоваться любому из трех процессоров или одновременно всем. В МК встроена память SRAM с кодом коррекции ошибок ECC емкос тью 2 Мбайт. У других модификаций семейства объем SRAM может достигать 6 Мбайт. Для работы с внешней памятью DDR2/3 в МК используется специальный контроллер. Благодаря многопортовой архитектуре удается эффективно распределить доступ к памяти разных типов. Перечислим некоторые особенности контроллера DDR2/3: -- контроллер работает асинхронно с сетью NoC; -- величина адресного пространства (макс.): 2 Гбайт; -- ширина шины данных: 8 или 16 бит и 8‑бит ECC; -- схема приоритетов задается программно; -- входящий адрес и тип команды для каждого порта проверяется, как указано в установочном регистре; -- можно сформировать до 16 областей адресного пространства, каждая из которых проверяется по своему правилу. Контроллер DDR2/3 преобразует адреса пользователя в адреса памяти. Размер используемой памяти DDR2/3 необходимо записать в установочный регистр. Структура адреса памяти состоит из пяти полей, к каждому из которых можно адресоваться отдельно. Вся цепочка выглядит

Рис. 4. Структурная схема блока таймеров

53

Рис. 5. Структурная схема контроллеру ЖКД

электронные компоненты №05 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

54

–– 2×CAN. Скорость передачи данных 125 Кбит/с… 1 Мбит/с, 11‑ и 29‑бит идентификаторы. Интерфейс внешней шины MSEBI полностью программируется и может работать как ведущее, так и ведомое ус тройс тво. Возможно обращение к четырем внешним синхронным или асинхронным устройствам одновременно (четыре линии chip select). 32‑бит шину данных можно сконфигурировать в 8‑ или 16‑бит шину. В состав МК входят три базовых модуля порта ввода/вывода BGPIO, на основании которых конфигурируются шесть отдельных портов ввода/вывода. Прерывания от них можно формировать не только по уровню входного сигнала, но и по его фронту. Немного подробнее остановимся на блоке таймера. Его структурная схема показана на рисунке 4. Поскольку рисунок исчерпывающе иллюстрирует функциональные возможности блока, мы добавим лишь несколько уточнений фраз. В состав МК входят два идентичных блока, каждый из которых содержит два программируемых 32‑бит таймера и шесть программируемых 16‑бит таймеров. Таймеры могут работать в режиме автоматической перезагрузки; при этом при переполнении содержимое таймера сбрасывается, и отсчет начинается заново. В режиме автоматической перезагрузки могут формироваться прерывания при достижении установленного значения счета. В режиме однократного счета при достижении заданного значения счетчик таймера останавливается, и генерируется прерывание. Стоит уделить несколько большее внимание контроллеру ЖКД со структ урной с хемой на рис унке 5. Под интерфейс ЖКД выделен один порт; можно использовать 18‑бит формат (6 бит на цвет) или 24‑бит формат (8 бит на цвет). При использовании цветовой палитры возможен формат 1, 2, 4, 8 бит/пикс. Цветовая палитра содержит 256 16‑бит слов. Яркость подсветки регулируется ШИМ-генератором. Входной буфер FIFO имеет емкость 1000 64‑бит слов, а выходной – 16 24‑бит слов. Контроллер инициализируется непосредственно процессорным ядром. Первоначально необходимо запрограммировать как минимум регистры вертикальной и горизонтальной синхронизации и регистр тактирования пикселов, а также вписать базовые адреса в регистры DMA. При использовании цветовой палитры ее необходимо сначала загрузить. Старт передачи кадра осуществляется по внутреннему импульсу синхронизации, совпадающему с импульсом вертикальной синхронизации. При

www.elcomdesign.ru

этом начинаетс я загру зка данных из буферной памяти через каналы DMA и распаковка пикселов. Через ведущий интерфейс осуществляется чтение шины AHB. В течение одного обращения может быть считан пакет из 4, 6 или 16 64‑бит слов. Они записываются во входной буфер FIFO. В дальнейшем слова распаковываются и передаются через палитру в выходной буфер FIFO. Контроллер может управлять дисплеями размерностью от QVGA (320×240 пикс.) до XGA (1024 768 пикс.). При этом при частоте 60 кадров/с скор о с ть пер е д ачи д анны х на хо дится в пределах 0,6 Мбайт/с (QVGA, 1 бит/пикс.) – 188,7 Мбайт/с (XGA , 18/24 бит/пикс.). Обзор модулей периферии закончим кратким описанием АЦП. В состав МК входят два модуля 12‑бит АЦП последовательного приближения. Их производительность находится в пределах 0,0625–1 Мвыб/с. Время преобразования не превышает 21 тактового импульса АЦП, частота тактирования находится в диапазоне 2–20 МГц. Оба модуля АЦП имеют по восемь входных каналов, каждый из которых может запускаться отдельно. Максимальная дифференциальная нелинейность преобразования составляет ±1 МЗР, а максимальная интегральная нелинейность не превышает ±4 МЗР.

R‑IN Engine и Ethernet R‑IN Engine – фирменная аппаратная технология компании Renesas, ускоряющая работу операционной системы. Она поддерживает разные сетевые технологии и ускоряет обмен данными по TCP/IP, а за счет снижения нагрузки на процессорные ядра еще и уменьшает энергопотребление. В традиционных решениях все процессы, связанные с контроллером Ethernet, выполняются

процессором в операционной системе реального времени. Технология R‑IN значительно разгружает процессор и ускоряет обработку с помощью аппаратных средств. В отличие от использования процессора, обеспечивается стабильная, без задержек, обработка данных и управление контроллерами Ethernet. Фактически технология R‑IN Engine аппаратными средствами частично реализует RTOS (HW RTOS). В МК RZ/N1D в состав R‑IN входят следующие компоненты: –– Cortex-М3 с контроллером векторных прерываний, обрабатывающий до 126 прерываний; –– SRAM емкостью 2 Мбайт, из которых 1 Мбайт отведен под память данных и 1 Мбайт предназначен для хранения команд; –– HW RTOS, реализующая управление ресурсами встроенным DMA и контроллером GMAC; –– одноканальный контроллер GMAC с интерфейсом GMII. Перечислим некоторые основные особенности HW RTOS; –– 30 системных вызовов аналогичных вызовам в RTOS ITRON; –– обработка 32 прерываний; –– 64 контекстных регистр, 16 уровней приоритета; –– 64 события и 64 почтовых ящика. К R‑IN Engine также относится контроллер Gigabit Ethernet MAC (HW-RTOS GMAC) с одним портом, обеспечивающий скорость передачи данных 1 Гбит/с и полнодуплексную связь; кроме того, контроллер управляет 5‑портовым коммутатором A5PSW. В МК встроен модуль аппаратной реализации функций (HWF) Ethernet, структурная схема которого показана на рисунке 6. В его задачу входит распределение ресурсов, управление MAC DMA, буферизация данных RAM DMA.

Рис. 6. Модуль аппаратной реализации функций (HWF) Ethernet

интерфейс позволяет приложению получить доступ к любым регистрам PHY, а также выбрать любой из 32 PHY и любой из 32 регистров этого PHY. Однако в каждый момент времени можно осуществить обращение только к одному регистру. Выводы

В статье относительно детально рассмотрены микроконтроллеры RZ/N1D семейства RZ/N. Привлекательной особенностью этих МК является технология R‑IN Engine, позволяющая ускорить коммуникационные процессы с промышленными устройствами через сеть Ethernet. Дополняют связные возможности МК 18 стандартных коммуникационных интерфейсов. Учитывая, что эти МК могут управлять ЖКД размерностью от QVGA до XGA, эти устройства предназначены для широкого ряда систем промышленной автоматизации. Литература 1. Сергей Волков Микроконтроллеры семейства RZ/А2 М от Renesas//Электронные компоненты № 12, 2018 г.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Продажи полупроводниковой продукции сократятся |

Микроконтроллеры и микропроцессоры

В денежном выражении прогнозируется сокращение объемов продаж полупроводниковых изделий с 419,1 до 415,4 млрд долл. Аналитики уточняют, что в сегменте памяти ожидается рост на 13,9%, а во всех остальных сегментах суммарный объем сократится на 6,1%. На память приходится примерно 30% всего рынка полупроводниковой продукции. В 2020 г. объем этого сегмента составит 124,7 млрд долл. Продажи во всех остальных сегментах составят около 290,7 млрд долл. (небольшое расхождение суммы этих двух чисел с приведенным выше значением для рынка в целом вызвано округлением). Выделяя внутри категории памяти сегменты NAND и DRAM, аналитики прогнозируют, что продажи NAND за год вырастут на 40%. Это будет связано со сравнительно низким уровнем поставок, который позволит удержать цены высокими. В первом полугодии средняя цена вырастет на 15,7%. Впрочем, во втором полугодии начнется обратное движение, и средняя цена снизится на 9,4%. Согласно прогнозу агентства Gartner, продажи DRAM сократятся за год на 2,4%. В этом сегменте будут наблюдаться две встречные тенденции: 1) рост спроса и цен на память для серверов; 2) сокращение спроса и снижение цен на память для смартфонов.

55

https://russianelectronics.ru

Керамические конденсаторы до 100мкф Синфазныe дроссели на ток 10 А РЕКЛАМА

Буфер распределения данных управляет буферизованной памятью RAM, которая, в свою очередь, используется для увеличения пропускной способности Ethernet. Несмотря на то, что емкость буфера RAM составляет 128 Кбайт, в адресном пространстве ему отведено 128 Мбайт, что позволяет использовать динамическое перераспределение памяти. Контроллер MAC DMA осуществляет передачу данных между буферной памятью RAM и Ethernet MAC, позволяя увеличить пропускную способность канала передачи данных. Коммутатор A5PSW, управляющий пятью портами, применяется только при работе в полнодуплексном режиме со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с. При этом передача данных соответствует требованиям стандарта IEEE 1588–2008. При тактировании коммутатора частотой 200 МГц скорость передачи через каждый из четырех портов достигает 1000 Мбит/с, а пятый порт используется для управления. Ведомый контроллер EtherCAT соответствует спецификации ETG.1000 EtherCAT. Некоторые параметры контроллера EtherCAT: -- поддержка до трех портов; -- восемь модулей управления памятью интерфейса Fieldbus FMMU; -- восемь SyncManagers для защиты областей памяти от одновременного доступа; -- объем RAM данных: 8 Кбайт; -- защита записи. Заметим, что на физическом уровне не рекомендуется использовать RMII. Поскольку в состав этого интерфейса входят буферы FIFO в передающем канале, которые увеличивают задержку переадресации и джиттер, предпочтительнее использовать MII. Два контроллера Gigabit Ethernet GMAC отвечают требованиям стандартов IEEE 802.3–2008, IEEE 1588–2008 v2, IEEE-C37.238, IEEE 802.3‑az. vD2.0. Поскольку этот интерфейс хорошо известен, мы не будем останавливаться на его описании, но перечислим некоторые из его основных параметров: -- скорость передачи данных: 10/100/1000 Мбит/с; -- режим передачи данных: дуплексный и полудуплексный; -- программируемая длина кадра: до 16 Кбайт; -- поддержка большого числа режимов фильтрации адресов, передача кадров без фильтрации; -- пробуждение по сети LAN или особым пакетом (magic packet). Контроллер GMAC 1 и GMAC подключаются к внешним портам 1 и 2, соответственно, через RGMII/RMII. Инициализация GMAC должна осуществляться после инициализации DMA. При несоблюдении этого условия происходит переполнение буфера FIFO в канале приема данных. Коммутатор бесшовного резервирования среды высокой готовности (HSR) соответствует требованиям стандарта IEC 62439–3:2016. Скорость передачи данных в дуплексном режиме составляет 100 Мбит/с. Другие варианты не поддерживаются. Задержка передачи данных не превышает 960 нс. Возможна коммутация со 128 внешними узлами; при этом размер кадра достигает 2 Кбайт. Временная синхронизация отвечает требованиям стандарта IEEE 1588–2008. Физический уровень – MII. Последовательный коммуникационный интерфейс реального времени Sercos III известен более 30 лет. В МК применяется ведомый контроллер Sercos III IP версии 4.12.0. Он имеет два порта и реализует передачу данных со скоростью 100 Мбит/с. Для управления и хранения данных используется двухпортовое ОЗУ. Обрабатываются только данные, предназначенные для конкретного пользователя. Передача данных из RAM осуществляется в течение нескольких циклов тактирования. Через мультиплексор допускается переключение между протоколами Sercos и Ethernet. Физический уровень – MII. Приложения отправляют и получают данные через интерфейс ввода/вывода данных MDIO. Этот двухпроводной

электронные компоненты №05 2020

Масштабируемые встраиваемые средства безопасности в цепочке поставок Николас Демулен (Nicolas Demoulin), менеджер по маркетингу EMEA, Microchip Technology

В с т ра и в а е м о е П О

В течение многих лет вопросам обеспечения безопасности встраивае‑ мых устройств отводилось далеко не первое место. Нередко производи‑ тели оборудования считали, что безопасностью можно пожертвовать ради удобства. Инженеры по техобслуживанию, как правило, пользова‑ лись одним паролем для целого семейства устройств. Со временем этот пароль становился известным, и потому наиболее эффективной была физическая защита.

56

Если устройство заперто и недоступно, доступ к нему мог получить только уполномоченный персонал. Как только устройства начали подключаться к интернету и стали доступными за пределами помещения или завода, их уязвимость многократно выросла. Печальные последствия использования одного и того же пароля для всех устройств одного продуктового семейства стали очевидны после таких атак как Mirai в 2016 г. Эта атака позволила «завербовать» миллионы встроенных устройств в ботнеты для запуска атак типа DoS («отказ в обслуживании») на другие системы. Мишенями атаки Mirai были устройства массового потребления. Производители мелкосерийных IoT-устройств могут утешиться тем, что их продукция не представляет интереса для хакеров, создающих ботнеты. Однако прибыль этих производителей в равной степени подвержена риску подобных атак, поскольку интернет вещей меняет бизнес-модели. Доход от услуг иссякнет, если устройства можно будет легко взломать. Следовательно, решающее значение имеет возможность предоставлять каждому устройству собственную уникальную доверенную идентификацию и учетные данные доступа, чтобы ограничить масштаб любой атаки. В рамках общей стратегии обеспечения безопасности использование уникальных доверенных идентификаторов уменьшает риск несанкционированного доступа к сервисам интернета вещей. Обладая уникальной доверенной идентификацией, облачные приложения и другие системы интернета вещей могут определять наличие доступа устройства к их службам. Однако эта идентификация должна каким-то образом подтверждаться, чтобы хакеры не смогли просто воспользоваться

www.elcomdesign.ru

учетными данными одного из устройств, чтобы получить доступ к сети и ее службам. Атака может заключаться во взломе отдельного устройства и загрузке в него новой прошивки, выполняющей необходимые хакеру задачи. Без проверки подлинности кода отдельного устройства другие системы не в состоянии установить, с каким устройством они взаимодействуют – настоящим или взломанным. Обеспечить надежную идентификацию и эффективную аутентификацию помог бы т. н. «элемент безопасности» в составе специализированного микроконтроллера. Однако если этот элемент совместно с другими использует шины питания, генераторы тактовых сигналов и регистры, опытный хакер может получить доступ к учетным данным. Кроме того, работа с новой микроконтроллерной архитектурой влечет за собой зна-

Рис. 1. Пример цепочки сертификатов

чительные издержки, обусловленные необходимостью в специалистах, хорошо разбирающихся в дополнительных программных функциях по обеспечению безопасности системы. Дополнительные расходы на приобретение специализированных микроконтроллеров могут ограничить конкурентоспособность компании на рынке и уменьшить гибкость решения. Чтобы избежать этих расходов, предлагается воспользоваться элементом безопасности, который взаимодействует с любым микроконтроллером с помощью последовательного интерфейса. Защищенная энергонезависимая память в этом элементе комбинируется с криптоускорителем, который реализует алгоритмы, поддерживающие инфраструк т уру открытых ключей. Инфраструктура открытых ключей использует асимметричное шифрование – метод, который математически

связывает два цифровых ключа. Одним из них является открытый ключ, обычно использующийся для проверки подписанных сообщений. Он может широко распространяться открытым способом. Открытый ключ применяется для проверки сообщений, а подписывать информацию может только устройство с закрытым ключом. Этот ключ должен безопасно храниться в устройстве и никогда не передаваться в какую-либо другую систему. Используя закрытый и открытый ключи, инфраструктура открытых ключей создает структурированные модели безопасности, например цифровые сертификаты, которые обычно применяются для идентификации устройства и подтверждения его подлинности. В соответствии с такими протоколами как X.509 цифровые сертификаты образуют цепочку, ссылающиеся на основной корневой сертификат. Эта цепочка имеет основополагающее значение для подтверждения действительности каждого сертификата (см. рис. 1). Как правило, для проверки сертификата система использует имя отправителя в дочернем сертификате, чтобы получить открытый к люч для родительского сертификата. Проверка полной иерархии позволяет убедиться в том, что подпись сертификата является законной подписью владельца. Кроме того, при проверке применяются средства противодействия спуфингу (имитации соединения) и другим механизмам, с помощью кото-

рых хакеры пытаются получать доступ к сетям или системам. Благодаря обмену сертификатами облачные сервисы не только определяют подлинность устройства, но и убеждаются, что оно взаимодействует с авторизованным сервером, использующим те же типы обмена данными. Облачные сервисы предоставляют и другие средства контроля безопасности. Ключевым преимуществом облачного управления для операторов услуг является то, что оно облегчает отказ от использования устройства, которое больше не требуется. После удаления устройства и его ключей из активной службы хакер не сможет перепрофилировать аппаратное обеспечение, чтобы атаковать сеть. Использование цифровых сертификатов и подписей делает крайне необходимым тщательное управление цепочками поставок электроники. Потенциальная слабость системы, основанной на стандартных сертификатах X.509, заключается в том, что проблемы в цепочке поставок могут привести к манипуляциям с сертификатами или перехвату закрытых ключей, запрограммированных в устройствах на производственной линии. В идеале закрытый ключ никогда не должен раскрываться за пределами защищенного элемента. Однако для гарантии того, что сертификаты связаны с корректными ключами, в некоторых случаях ключ вставляется в элемент безопасности с помощью программатора флэш-памяти после сборки платы. Хакер,

имеющий доступ к программатору, может перехватить ключи или вставить собственные сертификаты, чтобы получить доступ к устройству. При изготовлении элемента ATECC608a и других компонентов семейства элементов безопасности компания Microchip применяет более безопасный вариант производства. Секретные учетные данные создаются с помощью аппаратных модулей безопасности, устанавливаемых на заводах компании Microchip. После программирования сгенерированные учетные данные не могут покинуть элемент безопасности. ATEC608a не отправляет закрытый ключ по линии передачи данных и использует аппаратную защиту от несанкционированного доступа во избежание физической атаки с целью получения хранящихся секретных данных. Например, если злоумышленник прорежет металлический экран, чтобы прозондировать устройство, элемент безопасности мгновенно перестанет функционировать. Контрмеры против атак , которые предос тав ляют хакеру дополнительную информацию о режимах работы МК за счет перевода устройства в некорректный режим, а также атак с помощью пассивного анализа побочных эффектов (сканирование и анализ дополнительных параметров МК), не позволяют получить доступ к ключевым данным с помощью электромагнитных помех. Недостаточно только поместить в элемент безопасности секретные

В с т ра и в а е м о е П О

57

Рис. 2. Процесс исполнения заказов Trust Platform компании Microchip

электронные компоненты №05 2020

заказов, объемы которых начинаются с сотни тысяч единиц. Один из вариантов решения рассматриваемой задачи – обеспечить единый для всех подход к управлению ключами, что предполагает тесное партнерство между поставщиками микросхем и облачных услуг, причем один из них берет на себя ответственность за создание и управление сертификатами. Все сертификаты прослеживаются в облаке до владельца учетной записи, который действует как центральный издатель сертификатов. Его база данных используется для мониторинга всех IoT-устройств, для которых он хранит сертификаты и другие данные от имени каждого пользователя. В результате не требуется привязка клиента к определенному облачному сервису – центральный сервис предоставляет аутентификацию и другие службы безопасности, которые могут использоваться собственными облачными приложениями клиентов. Такое решение освобождает их от повседневного управления безопасностью и аутентификацией, помогая сосредоточиться на своих основных задачах. Однако в соответствии с этой моделью производитель не может выступать в качестве издателя сертификатов

В с т ра и в а е м о е П О

ключи и сертификаты. В цепочке поставок должны быть реализованы механизмы для генерации сертификатов и передачи их на производственную площадку и обратно, чтобы изготовитель или оператор могли вести список устройств, которым разрешено подключаться к сети после установки. Некоторые из этих сертификатов следует перенести в базу данных, используемую облачным сервисом, который управляет аутентификацией устройств. Очевидно, что создание такой производственной инфраструктуры является сложной и дорогостоящей задачей. Она не только требует приобретения и обслуживания аппаратной инфраструктуры (модулей безопасности) для программирования элементов безопасности, но и сопряжена с большими затратами на обучение и управление персоналом. Чтобы сократить стоимость программирования, эту задачу можно, например, возложить на контрактного производителя электроники или поставщика услуг. Однако обычно это влечет за собой высокие затраты на наладку. Услуги по созданию и доставке сертификатов должны учитывать особенности каждого изделия. Чтобы оправдать издержки на процесс настройки, поставщики услуг берутся за выполнение

58

Рис. 3. Схема типового цикла взаимодействия с клиентом

www.elcomdesign.ru

для собственных устройств и должен использовать одного и того же облачного поставщика для всех служб аутентификации. Многим производителям требуется более гибкий подход к управлению безопасностью. Идеальная структура управления сертификатами зависит от потребностей приложения. В типичном сценарии интернета вещей, когда нескольким клиентам отправляется большое количество устройств, корневой сертификат, скорее всего, будет принадлежать производителю и им же управляться. Однако больше операций будет делегировано сервисам, которые полагаются на дополнительные промежуточные сертификаты. Например, чтобы включить системы в выбранную сеть, каждый отдельный клиент для создания сертификатов уровня устройства может использовать сертификат промежуточного уровня, полученный из корневого каталога. Это позволяет серверам или приложениям клиента, работающим в облаке, проверять идентичность и удостоверяться, что они функционируют с соответствующими IoT-устройствами. Чтобы обеспечить более гибкий подход к управлению безопасностью и сертификатами, компания Microchip

разработала Trust Platform – доверенную платформу, у которой в качестве аппаратного ядра используется элемент безопасности ATECC608a (см. рис. 2). Множество автоматизированных сервисов позволяют клиентам выбирать требуемую стратегию сертификации для каждого устройства, а также набор средств разработки и исходный код, реализующие обычные меры аутентификации и обеспечения безопасности.

Trust Platform предоставляет элементы безопасности трех уровней (см. рис. 3). Уровень Trust&GO, основанный на архитектуре только сертификатов устройств, позволяет создавать безопасную аутентификацию и отправлять эти сертификаты без секретного пользовательского обмена. Все операции по регистрации выполняются надежными облачными партнерами – AWS, Google и Microsoft Azure. Учитывая, что минимальный заказ (включающий предоставление ключей) составляет всего 10 ед., сервис подходит для прототипирования и тестирования на месте эксплуатации, а также для мелкосерийной продукции, которая используется в сетях LoRaWAN и в системах с шифрованием TLS. При заказе с минимальным объемом 2000 ед. платформа TrustFLEX обеспечивает прошивку пользовательского

сертификата в защищенный элемент во время безопасного производственного процесса. Устройства также поставляются с предварительно настроенными общими сертификатами. К средствам поддержки разработки на основе платформы TrustFLEX относится широкий ряд вариантов использования, включая безопасную загрузку, проверку прошивки, защиту ввода/вывода и смену ключей, что важно для поддержания долгосрочной безопасности. Платформа TrustCUSTOM обеспечивает максимальную гибкость с полностью настраиваемыми параметрами реализации и с минимальным количеством заказов 4000 ед., включая инициализацию. Клиенты получают доступ к функциям инициализации аппаратных модулей безопасности, используемым на заводах Microchip, чтобы вводить учетные данные безопасности во время производства. Инструменты, соответствующие каждому уровню доступа, обеспечивают загрузку конфигурационных файлов и сертификаты для настройки каждого элемента безопасности, который создается компанией Microchip. При поставке каждого устройства Microchip предоставляет файл манифеста с серийным номером и открытым ключом для каждого элемента безопасности, благодаря чему необходимую информацию можно

внести в базы данных, когда конечное оборудование будет готово к подключению. Эта информация не является конфиденциальной и потому может передаваться по незащищенным каналам. Поддающаяся проверке уникальная идентификационная информация является очень важным элементом интернета вещей – без нее невозможно обеспечить безопасную эксплуатацию. До настоящего времени создание уникальной идентификационной информации для ее успешного использования в интернете вещей требовало высокой степени адаптации цепочки поставок. В результате возникают дополнительные расходы, поскольку каждая прошивка микроконтроллера становится уникальной в производственной среде. Как известно, встраиваемые системы интернета вещей чувствительны к затратам. Упомянутые дополнительные расходы выходят за рамки стоимости перечня компонентов и влекут за собой увеличение производственных расходов. Платформа Trust Platform компании Microchip предоставляет разработчикам встраиваемых систем возможность экономически эффективно использовать преимущества уникальной идентификации и удаленной аутентификации в масштабируемой цепочке поставок.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Intel завершит свои 7-нм процессоры лишь к 2022 г. |

https://russianelectronics.ru

электронные компоненты №05 2020

В с т ра и в а е м о е П О

Компания Intel работает над 7‑нм настольными процессорами с кодовым названием Meteor Lake. Выход нового поколения процессоров состоится не раньше 2022 г. Освоить 7 нм Intel планирует и в других сегментах, и настольный в данном случае должен стать последним. К концу 2021 г. увидят свет ускорители Ponte Vecchio на базе 7‑нм графических процессоров линейки Intel Xe. Затем по новому для нее техпроцессу Intel выпустит серверные чипы, но сроки их появления пока не установлены – вероятно, они, как и Meteor Lake, выйдут в 2022 г., но на несколько месяцев раньше. Большинство деталей о процессорах Meteor Lake скрыто. Известно лишь, что они получат x86‑ядра на архитектуре Golden Cove, которая должна обеспечить прирост производительности в однопоточных приложениях. Кроме того, ожидается, что эта архитектура обеспечит поддержку новых инструкций для ускорения работы систем с искусственным интеллектом. Чипы Meteor Lake получат корпус LGA 1700, поддержку памяти DDR5 и интерфейса PCI-Express 4.0. Для сравнения, современные настольные процессоры Intel, включая 10‑е поколение, работают с памятью DDR4 и PCI-E 3.0. Выходу Meteor Lake будет предшествовать релиз поколения Alder Lake в том же исполнении, но, в отличие от Meteor Lake, 10‑нм. В этой серии Intel собирается скопировать идею ARM, реализованную в архитектуре big.LITTLE, и оснастить процессоры двумя типами ядер – высокоскоростными и энергоэффективными. Примерная дата выхода этих процессоров, по данным ресурса WCCFTech – 2021 г. О 7‑нм серверных процессорах Intel известно существенно больше. По данным WCCFTech, их кодовое название – Granite Rapids. Они получат конструктивное исполнение LGA 4677. В этих процессорах будет обеспечена поддержка памяти DDR5 (восемь каналов) и HBM2, а также интерфейса PCI-Express 5.0. В ускорителях Ponte Vecchio тоже будет реализована поддержка памяти HMB2. К 2022 г. Intel, скорее всего, лишь завершит разработку 7‑нм чипов для серверов и настольных ПК, но может не успеть подготовить производственную линию к переходу на новый техпроцесс. В настоящее время она испытывает определенные технические трудности с выпуском достаточного количества 10‑нм чипов, хотя их производство началось еще в августе 2019 г. Переход на 5 нм в серверном сегменте у AMD должен состояться с выходом новых процессоров Epyc поколения Genoa с исполнением Socket SP5 еще раньше – в 2021 г. Они тоже получат поддержку DDR5 наряду с PCI-Express 5.0. В первых настольных чипах на Zen 4 поддержки PCI-E 5.0 не будет – AMD ограничится PCI-E 4.0.

59

Тепловой анализ печатной платы и ее компонентов в программной среде COMSOL Multiphysics 5.4 Татьяна Колесникова, beluikluk@gmail.com В статье рассматриваются вопросы актуальности задачи моделирова‑ ния тепловых процессов в электронном устройстве и примеры ее реше‑ ния при помощи средств программы COMSOL Multiphysics, позволяющих оценить нагрев компонентов и распределение температуры на поверх‑ ности печатной платы для оптимальной компоновки печатного узла и выбора средств его охлаждения. Подробно описано определение входных данных, выбор материалов и задание их свойств, настройка параметров и подготовка модели к расчету.

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Введение

60

Надежное функционирование электронного устройства возможно при нахождении температур его элементов в определенном диапазоне, что обеспечивается отводом тепла, выделяющегося в корпусе устройства, во внешнюю среду. От температуры зависят характеристики всех электронных компонентов: сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, коэффициент усиления операционных усилителей и т. д. Особенно существенно влияет температура на работу аналоговых устройств, вызывая изменение выходного напряжения у стабилизаторов напряжения, частоты у генераторов и других параметров. У средств измерения изменение температуры вызывает появление дополнительной погрешности. В ряде случаев при повышении или понижении температуры электронные устройства могут самовозбуждаться, неустойчиво функционировать или работать с иными нарушениями. В нормальных условиях работоспособность устройства восстанавливается. Особенно неблагоприятно быстрое изменение температуры, которое вызывает эффекты, связанные с неравномерным прогревом электронной схемы устройства. Кроме того, при повышенной температуре значительно снижается надежность электронных компонентов. При превышении некоторой предельной температуры теряют работоспособность и печатные платы, которые играют роль конструктивного основания, осуществляют отвод тепла и электрически связывают электронные компоненты. Например, в печатных платах на основе стеклотекстолита пропитывающий компаунд переходит в текучее состояние

www.elcomdesign.ru

при температуре стеклования, а сама плата деформируется из-за сильной неоднородности тепловых коэффициентов расширения по разным осям. Эти изменения приводят к отслаиванию медных токопроводящих дорожек и ухудшению изоляционных свойств платы. Продуманная компоновка печатной платы с грамотным распределением наиболее греющихся элементов обеспечивает отличные результаты без дополнительных затрат. Использование медных полигонов и массивных контактных площадок для отвода тепла от компонентов, а также применение металлизированных отверстий и сплошных медных слоев помогает значительно снизить тепловое сопротивление. Однако современные компактные печатные платы (например, в смартфонах и планшетах), а также высокопроизводительные электронные компоненты требуют более эффективного охлаждения. Это связано с тем, что у таких устройств – высокая плотность расположения компонентов, что приводит к росту генерируемой удельной мощности, из-за чего электронике приходится функционировать при повышенных температурах. Разработчики вынуждены прилагать больше усилий для обеспечения качественного отвода тепла. Часть тепла от компонентов отводится за счет конвекции воздуха. Однако в процессе работы воздух начинает разогреваться. Если в корпусе электронного прибора отсутствует вентиляция, температура постоянно повышается, а значит, эффективность отвода тепла от компонентов снижается. Тепловой анализ печатной платы в процессе проектирования электрон-

ного устройства позволяет оптимально установить компоненты, предотвратив проблемы с охлаждением. Это, в свою очередь, сводит к минимуму или полностью устраняет необходимость в дорогос тоящих изменениях, вносимых на заключительных этапах разработки. Проек тирование печатных плат успешно осуществляется с помощью современных програм мных паке тов, к которым относится COMSOL Multiphysics 5.4 – универсальная среда численного моделирования систем, устройств и процессов во всех областях разработки, производства и научных исследований. В COMSOL Multiphysics для решения имеются классы задач электростатики, электродинамики, электромагнетизма, акустики, теплопереноса, теории упругости, гидродинамики, в которых допускается решать стационарные, временные, параметрические задачи. Возможность решать тот или иной класс задач реализована в виде специальных прикладных режимов (модулей). При их загрузке автоматически выбирается требуемая система уравнений, в которой необходимо только задать коэффициенты и граничные условия. Например, модуль Heat Transfer (Теплопередача) содержит полный набор инструментов для тепловых расчетов и анализа влияния тепловых нагрузок, моделирования полей распределения температур в компонентах печатной платы и потоков тепла в устройствах. Создание конструкции изделия на основе виртуального исследования экономит время проектирования и уменьшает потребность в изготовлении физических прототипов компонентов, платы и самого прибора.

Рис. 1. Интерфейс программы COMSOL Multiphysics

тромагнитных волн, радиочастотных помех, теплового расширения, вибраций, вызывающих деформацию и механические напряжения в конструктивных элементах электронного изделия. В е сь п р о ц е сс р е ш е н и я з а д ач и в системе COMSOL Multiphysics можно разделить на несколько следующих этапов: 1. Определение физического интерфейса и типа задачи.

2. Выбор типа исследования.

3. Определение глобальных параметров модели.

4. Определение геометрии модели, ее параметров, материалов элементов модели, параметров физических интерфейсов и мультифизических связей.

5. Настройка параметров расчетной сетки.

6. Расчет задачи.

7. Визуализация и анализ результатов расчета. После анализа и выявления проблемных областей разработчик на основе возможных решений может внести необходимые изменения в конструкцию устройства или проект платы и снова запустить анализ для дополнительного моделирования и определения результативности принятых решений. Создание проекта

С о з д а н и е п р о е к т а в CO M S O L Multiphysics предусматривает применение мастера, запуск которого выполняется из стартового окна программы (см. рис. 2) нажатием пиктограммы Model Wizard.

Рис. 2. Стартовое окно программы COMSOL Multiphysics

В окне мастера последовательно выбирается: -- размерность пространства для компонентов исследуемой модели (окно Select Space Dimension), в нашем примере – трехмерное пространство (пиктограмма 3D) (см. рис. 3а); -- физический интерфейс (окно Select Physics). Для решения задачи исследования физических процессов (в нашем примере – распределения температуры на поверхности печатной платы и связанного нагрева) в конструкции электронного ус тройс тва понадобитс я интерфейс Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах), который добавляют путем выбора из списка Heat Transfer (Теплопередача) в окне Select Physics

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

На рисунке 1 показан интерфейс программы COMSOL Multiphysics, который состоит из ленты инструментов (верхняя панель окна программы), окна настроек Settings, дерева модели Model Builder и графического окна Graphics, в котором отображаются результаты анализа в виде графиков, траекторий распространения или картины распределения исследуемых параметров на поверхности модели. В задачах исследования работы электронных устройств средства COMSOL обеспечивают: -- быстрое и точное представление распределения тепла на печатной плате, скорости и траекторий воздушного потока внутри корпуса устройства для определения влияния плотности размещения проводников и компонентов на плате на температуру как по всей распределенной электросети, так и в разных областях платы; -- имитацию и анализ основных механизмов теплопередачи, в т. ч. конвекции, теплопроводности и излучения; -- создание профилей температуры, цветовой карты превышения температуры, а также представление мест перегрева платы и компонентов еще на ранней стадии проектирования; -- быстрый и эффективный поиск на печатной плате мест перегрева, подбор решения по их устранению; -- исс ледование распределения электрического тока, физических явлений распространения элек-

61

а)

б)

в)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 3. Мастер создания проекта COMSOL Multiphysics, окно: а) Select Space Dimension; б) Select Physics; в) Select Study

62

(см. рис. 3б). Выбор подтверждается нажатием кнопки Add, после чего добавленный физический интерфейс отображается в поле Added physics interfaces. Переход к следующему шагу мастера выполняют нажатием кнопки Study; -- тип исследования (окно Select Study); в нашем примере – Stationary (Стационарное исследование) (см. рис. 3в). После нажатия кнопки Done окно мастера закроется, а в COMSOL Multiphysics создается новый про ект с прикрепленными к нему данными (см. рис. 4). При этом решатель и настройки уравнений для предустановленных интерфейсов и типа исследования адаптируются к выбранному типу задачи. Сохраним новый проект на диск компьютера с помощью команды Save As в верхней панели инструментов окна программы. Настройка параметров проекта и подготовка к расчету

Нас тройк у параметров моде ли в COMSOL Multiphysics выполняют с помощью элементов списка Component дерева модели (окно Model Builder) и полей ввода окна настроек Settings. В этом окне задаются основные характеристики модели, включая размерность геометрии, свойства материалов, граничные и начальные условия, а также другую информацию, которая может понадобиться для анализа модели. Поля ввода значений доступны в окне Settings после выбора мышью нужного элемента в дереве модели, которое отображает структуру и функциональность модели, а также операции, необходимые для ее

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Новый проект COMSOL Multiphysics, созданный с помощью мастера Model Wizard

построения и решения с последующей обработкой результатов. В списке Component дерева модели определяются: -- свойства модели, пользовательские переменные и функции (элемент Definitions); -- г е о м е т р и я м о д е л и (э л е м е н т Geometry); -- материалы составных элементов модели и их свойства (элемент Materials); -- параметры физических интерфейсов (в нашем примере – элемент Heat Transfer in Solids);

-- свойства сетки (элемент Mesh). Для настройки и запуска расчетов используется список Study, а для визуализации результатов анализа и генерации графиков и отчетов – список Results дерева модели. Определение глобальных параметров проекта Элементы списка Global Definitions применяются для настройки глобальных свойств проек та (переменных и функций, материалов модели и т. д.), который может содержать несколько компонентов. Переменные и функции,

а)

д) б)

е) в)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

г)

ж)

63

з)

и)

Рис. 5. Настройка входных данных проекта COMSOL Multiphysics: а) определение глобальных параметров; б) импорт геометрии модели; в) выбор материалов из базы данных COMSOL, назначение материала Aluminum элементам модели и определение свойств алюминия; г) добавление в задачу источника тепла; д) определение свойств теплового потока; е) определение направления, давления, скорости движения воздуха в устройстве и других параметров текучей среды; ж) определение начального значения температуры компонентов модели; з) редактирование параметров теплопроводности печатной платы и ее компонентов; и) определение свойств расчетной сетки

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

область действия которых ограничивается только одной моделью, задаются в свойствах модели с помощью элемента Definitions. Мы создадим один глобальный параметр, для чего выделим мышью в дереве модели элемент Parameters в списке Global Definitions и в окне настроек в таблице Parameters определим значение коэффициента теплопередачи (см. рис. 5а).

64

Создание геометрии модели Создание геометрии модели в COMSOL Multiphysics выполняется вручную (при помощи инструментов контекстного меню, которое вызывается щелчком правой кнопки мыши элемента Geometry списка Component) путем добавления геометрии из другой модели COMSOL (файла с расширением *.mph) командой контекстного меню Insert Sequence, путем импорта объекта геометрии (файла COMSOL с расширением *.mphbin или файлов других форматов, например AutoCAD File (*.dwg), SolidWorks File (*.sldprt, *.sldasm), NASTRAN File (*.nas, *.nastran, *.bdf, *.dat) и др.), созданных в других программах автоматизированного проектирования) командой контекстного меню Import. Воспользуемся третьим способом, для чего в списке Component дерева модели выделим левой кнопкой мыши элемент Geometry, а щелчком правой кнопки мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Import. В результате в списке Geometry появится одноименный элемент, а в окне настроек – параметры импорта объекта геометрии (см. рис. 5б): тип файла – в нашем примере COMSOL Multiphysics file (поле Source), путь к файлу на диске компьютера (поле Filename), который можно ввести вручную или задать выбором файла с помощью кнопки Browse. Импорт выполняется кнопкой Import, в результате чего полученная геометрия модели отобразится в графическом окне проекта. Определение материалов элементов модели Чтобы назначить материалы элементам модели в списке Component дерева модели, выделяется элемент Materials, щелчком правой кнопки мыши вызывается контекстное меню и выбирается команда Add Material from Library. В открывшемся окне Add Material выбирается нужный материал из базы данных COMSOL и добавляется в компонент кнопкой Add to Component. Добавленные материалы появятся в списке Component/Materials дерева модели. В нашем примере были выбраны материалы: Aluminum (алюми-

www.elcomdesign.ru

ний), FR4 (стеклотекстолит), Silicon (силикон), Acrylic plastic (акриловый пластик) из раздела Built-In базы данных. Теперь для каждого отдельного добавленного материала в окне Settings можно настроить его параметры (см. рис. 5в): определить свойства материала (поле Material Contents), которые потребуются для решения задачи (например, Relative permittivity (Диэлектрическая проницаемость), Electrical conductivity (Электрическая проводимость), Density (Плотность), и т. д.) и элементы модели, которым необходимо назначить материал (поле Selection в разделе Geometric Entity Selection). Определим алюминиевые области модели, для чего щелкнем левой кнопкой мыши элемент Aluminum в списке Component/Materials и выделим мышью в графической области нужные элементы модели (конденсаторы и радиаторы), после чего номера элементов отобразятся в поле Selection окна настроек. Если в поле Selection отмечены лишние элементы, их удаляют с помощью пиктограммы Remove from Selection. Пикто-

грамма Clear Selection позволяет удалить все выбранные элементы. Аналогичным образом назначаются другие добавленные материалы элементам модели (для стеклотекстолита определим плату, для силикона – микросхемы и прокладки под радиаторами, для акрилового пластика – разъемы, которые на плате представлены в виде блоков). Настройка параметров физических интерфейсов Д а л е е в ы п о л н я е тс я н ас т р о й к а физического интерфейса. Мы зададим граничные условия для анализа теплопередачи. Интерфейс Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах) по умолчанию уже содержит условия теплопроводности. С помощью команд контекстного меню можно добавить дополнительные условия и определить для них параметры, например задать источник тепла, тепловой поток. Новое условие добавляется щелчком правой кнопки мыши имени физического интерфейса в списке Component и выбором имени условия в открывшемся кон-

Рис. 6. Добавление нового условия для анализа теплопередачи

coordinate system (Глобальная система координат); -- в разделе Thermodynamics, Fluid укажем термодинамические параметры тек учей среды: ее тип (поле Fluid type) – Gas/Liquid; отношение удельных теплоемкостей (поле Ratio of specific heats) – пользовательское значение (User defined) – 1; значения плотности (поле Density) и теплоемкости при постоянном давлении (поле Heat capacity at constant pressure) оставим по умолчанию – в таком случае они будут определены из свойств материала (пункт From material); -- в разделе Heat Conduction, Fluid з н ач е н и е т е п л о п р о в о д н о с т и тек учей среды (поле Thermal conductivity) оставим по умолчанию – From material (Определить из свойств материала); -- в разделе Domain Selection в поле Selection выберем значение All boundaries (Все области модели). При необходимости можно изменить заданные по умолчанию параметры условий Initial Values (см. рис. 5ж) и Solid (см. рис. 5з): для условия Initial Values – и с ход н о е з нач е ни е те м п е р ат у р ы областей модели (поле Temperature раздела Initial Values), для условия Solid – параметры теплопроводности печатной платы и ее компонентов (поле Thermal conductivity раздела Heat Conduction, Solid). По умолчанию система определяет значения теплопроводности из свойств материалов (пункт From material), но при необходимости, выбрав в поле пункт User defined, можно ввести пользовательское значение, переопределив уже назначенное из свойств материала для области модели, выбранной в разделе Domain Selection. Создание расчетной сетки Когда все ус ловия определены, можно перейти к созданию расчетной сетки. По умолчанию система предлагает сетку с довольно крупными элементами. Такая сетка не обеспечивает хорошую точность решения. Чтобы ее умельчить, следует выбрать элемент Mesh дерева модели и в окне настройки определить параметры сетки самостоятельно. При этом необходимо учитывать, что слишком частая сетка повысит точность, но процесс решения задачи может занять довольно много времени и системных ресурсов. Поэтому в общем случае предпочтительно находить компромисс между быстротой и точностью решения. В нашем примере задан средний размер элементов сетки (значение Fine поля Element size), который применяется для расчета всех условий задачи. Генерация

сетки выполняется пиктограммой Build All в верхнем левом углу окна настройки (см. рис. 5и). Назначенные параметры модели при выполнении расчета используются программой в качестве входных данных. Расчет проекта и исследование полученных результатов

Когда все входные параметры определены, можно запустить расчет проекта. С этой целью в дереве модели левой кнопкой мыши выделяется элемент Study (Исследование), правой кнопкой вызывается контекстное меню и в нем выбирается пункт Compute (Расчет). По окончании расчета COMSOL добавит в список Results дерева модели инструменты для визуализации полученных результатов, построения графиков и оценки распределения исследуемых параметров на поверхности модели. Исследование нагрева компонентов и печатной платы Для оценки нагрева печатной платы и ее компонентов применяется инструмент Temperature. С этой целью он выделяется в списке Results дерева модели; правой кнопкой мыши вызывается контекстное меню и в нем выбирается пункт Surface (Поверхность), в результате чего в списке Temperature появляется новый одноименный элемент. После его выделения мышью в окне настроек в верхнем левом углу используется пиктограмма Plot (Построить) для создания картины распределения температуры на поверхности модели (см. рис. 7а). Кроме того, в окне настроек поверхности можно выбрать цветовую схему визуализации параметра (поле Color table раздела Coloring and Style; в нашем примере имя схемы – RainbowLight) и единицы его измерения (поле Unit раздела Expression, в нашем примере – degC). В правой части графического окна находится температурная шкала, на которой показано соответствие цветов картины температуре поверхностей: максимальное значение отмечено красным цветом (в нашем примере – 120°C), а минимальное – синим (20°C). Как видно из рисунка 7а, наибольшее тепло выделяют конденсаторы мощностью 3 Вт (120°C) и микросхемы (100°C). Конденсаторы мощностью 1 Вт выделяют тепло в диапазоне 50–70°C. Нагрев радиоэлементов приводит к увеличению температуры поверхности платы в области их размещения. Тепло распределяется неравномерно, зависит от места размещения радиоэлементов и температуры их нагрева. Наиболее «холодные» участки модели отображаются темносиним цветом – это удаленные от радиокомпонентов области печатной платы

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

текстном меню. Новое условие появится в списке как элемент физического интерфейса (см. рис. 6). С помощью команды Heat Source контекстного меню интерфейса Heat Transfer in Solids добавим в задачу новые ус ловия – ис точники тепла (в нашем примере это микросхемы и конденсаторы) и определим в окне настройки их параметры: номера элементов модели (поле Selection раздела Domain Selection) и их мощность (поле P0 раздела Heat Source). В условии Heat Source 1 в качестве источников тепла определены шесть микросхем, мощность которых 5 Вт, в условии Heat Source 2 – восемь конденсаторов мощностью 1 Вт, в условии Heat Source 3 – пять конденсаторов мощностью 3 Вт (см. рис. 5г). Для описания естественной конвекции воспользуемся командой Heat Flux контекстного меню, открытого щелчком правой кнопки мыши элемента Heat Transfer in Solids, и определим тепловой поток, который применим ко всем областям модели, контактирующим с воздушной средой. С этой целью выделим элемент Heat Flux в списке дерева модели и в окне настроек укажем следующие параметры: значение All boundaries (Все области модели) в поле Selection и коэффициент теплопередачи Heat transfer coefficient h, значение которого h_coeff определено одноименным глобальным параметром. При этом в поле Heat Flux переключатель должен быть установлен в позицию Convective heat flux (Конвективный тепловой поток) (см. рис. 5д). Значение температуры потока указывается в поле External temperature Text, в нашем примере – 20°C. По умолчанию система предполагает, что значение температуры вводится в Кельвинах; если требуется задать температуру в градусах по Цельсию, к ее значению добавляется префикс [degC].

C помощью условия Fluid (рис. 5е) определим параметры текучей среды. С этой целью: -- в разделе Model Input окна Settings укажем пользовательские входные данные модели (параметр задается выбором значения User defined в меню из выпадающего списка): введем значения скорости распространения потока воздуха в устройстве (поле Velocity) в направлении осей х, y, z и абсолютного давления (поле Absolute pressure). В нашем примере – 0 m/s и 101324 Pa, соответственно; -- в р аз де л е Co o rdinate Sys te m Selection выполним выбор координатной системы, для чего в поле Coordinate system (координатная система) укажем значение Global

65

а)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

б)

66

в) Рис. 7. Картина распределения температуры на поверхности компонентов и печатной платы, полученная с помощью инструмента: а) Temperature; б) Isothermal Contours, когда задано 40 уровней отображения температуры; в) Isothermal Contours, когда изоповерхности построены по значению температуры 30°С

(их температура составляет 20°C), которые за счет низкой теплопроводности стеклотекстолита нагреваются меньше. Кроме того, распределение параметра можно представить в виде изолиний,

для чего в списке Results дерева модели левой кнопкой мыши выделяется элемент Isothermal Contours, правой кнопкой мыши вызывается контекстное меню и в нем выбирается пункт Isosurface

(Изоповерхность). В окне настроек задаются следующие параметры: количество уровней отображения температуры (поле Total levels раздела Levels), если в поле Entry method (Способ ввода) указано значение Numbers of levels (см. рис. 7б), или значение температуры, по которому строятся изоповерхности (поле Levels одноименного раздела), если в поле Entry method указано значение Levels (см. рис. 7в); цветовую схему визуализации (поле Color table раздела Coloring and Style); единицы измерения параметра (поле Unit раздела Expression). Затем в верхнем левом углу окна настроек используется пиктограмма Plot (Построить) для визуализации в графическом окне изоповерхностей (см. рис. 7б–в). Изоповерхностные графики применяются для отображения количественных величин в виде цветных поверхностей, на которых значение параметра постоянно. Такие графики подходят для визуализации скалярных полей, например температуры, концентрации химических веществ, электрического потенциала или давления. Для отображения направления распространения тепла в твердых элементах модели добавим стрелочную диаграмму (см. рис. 8), для чего воспользуемся командой Arrow Surface контекстного меню элемента Temperature из списка Results. Количество стрелок, их размер и цвет указываются в окне настроек диаграммы в полях Number of arrows, Scale factor и Color, соответственно. Определение температуры в конкретной точке модели (см. рис. 9) выполняется щелчком левой кнопки мыши, пос ле чего значение температ уры (Value) и координаты точки (x, y, z) отображаются в нижней части графического окна на вкладке Evaluation 3D в таблице тестовых точек. Тепло, выделяемое компонентами платы, отводится через радиатор и другие элементы (см. рис. 9), а затем переносится потоком воздуха.

Рис. 8. Стрелочная диаграмма направления распространения тепла, выделяемого группой конденсаторов, и окно ее настроек

www.elcomdesign.ru

а)

Рис. 9. Таблица тестовых точек и стрелочная диаграмма направления распространения тепла на поверхности модели

Воздушное охлаждение с использованием принудительной вентиляции корпуса электронного устройства является наиболее простым и доступным способом охлаждения печатной платы и ее компонентов. Такой способ предполагает непрерывную подачу из окружающей среды и отвод за пределы корпуса воздуха, нагретого вследствие непрерывной отдачи тепла установленными на печатной плате компонентами. Принудительную вентиляцию создают с помощью вентилятора и воздухоотводов, которые установлены на передней, задней и нижней стенках корпуса. При выборе типа и места расположения вентилятора необходимо учитывать тот факт, что тепло в корпусе устройства выделяется неравномерно. Одни компоненты выделяют очень мало тепла и не требуют большого объема воздушного потока для охлаждения, другим же (например, конденсаторы, микроконтроллеры) для охлаждения

б)

требуется большое количество воздуха. Чем большую мощность рассеивает такой компонент, тем больший поток воздуха необходим для его охлаждения. Таким образом, задача распределения общего воздушного потока между компонентами является не только актуальной, но и первоочередной. Выводы

Проек тируя современные электронные устройства, разработчик все чаще сталкивается с необходимостью решения задачи исследования происходящих в них физических процессов, которую невозможно выполнить без аналитических или численных расчетов. Применение методов расчета позволяет прогнозировать распределение тепловых полей в конструкции и своевременно предотвратить недопустимые перегревы. Численный метод основан на применении специальных программ. Требуя значительных вычис-

в)

Рис. 10. Картина распределения температуры на поверхности компонентов и печатной платы, когда скорость распространения воздушного потока: а) 0.04 m/s по оси х; б) 0.2 m/s по оси х; в) 0.2 m/s по оси z

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Моделирование распространения воздушного потока в устройстве Внесем изменения во входные данные модели, задав направление и скорость распространения воздушного потока в устройстве. С этой целью в окне настроек условия Fluid в поле Velocity укажем значения 0.04 m/s для оси х, 0 m/s – для y и 0 m/s – для z и запустим расчет, результат которого представлен на рисунке 10а. Выполним моделирование, увеличив скорость потока воздуха до 0.2 m/s по оси х (см. рис. 10б). Как видно из рисунка 10, принудительное воздушное охлаждение в конструкции электронного устройства позволяет значительно уменьшить нагрев печатной платы и ее компонентов. В нашем примере охлаждение потоком воздуха со скоростью 0.04 m/s по оси х позволило уменьшить температуру самой горячей области со 120 до 22,5°C. Увеличение скорости потока до 0.2 m/s по оси х уменьшило нагрев до 20,6°C, что является очень хорошим результатом. При охлаждении потоком воздуха со скоростью 0.2 m/s в направлении оси z температура в области группы конденсаторов мощностью 3 Вт понизилась до 20,2–21°C (см. рис. 10в), а максимальная температура в области микросхем составила 22°C. Тр а е к т о р и и р а с п р о с т р а н е н и я воз душного потока можно визуа лизировать с помощью стрелочной диаграммы. С этой целью в список результатов Results/Temperature добавляется элемент Arrow Surface, в окне его настроек в поле Expression используется пиктограмма Replace Expression и в о т к р ы в ш е м с я м е н ю в сп и ске Model/Component /Heat Transfer in Solids/Temperature выбирается двойным щелчком мыши переменная ht.ux, ht.uy, ht.uz – Velocity field (Поле скоростей). Кроме того, в окне настройки задают цвет и стиль стрелок диаграммы (раздел Coloring and Style). Когда все настройки определены, нажимают пиктограмму Plot в верхней левой части окна Settings. Стрелочная диаграмма охлаждающего потока воздуха, который нагнетается в устройстве со скоростью 0.02 m/s по оси х, 0.01 m/s – по y и 0 m/s – по z, показана на рисунке 11.

67

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 11. Стрелочная диаграмма направления охлаждающего воздушного потока в электронном устройстве и окно ее свойств

68

лительных и временных ресурсов, он позволяет рассчитывать оригинальные конструкции с высокой точностью, а значит, при разработке серийных устройств является предпочтительным по сравнению с аналитическим методом, который основан на применении существующих математических моделей, графиков зависимости и применим к ограниченному количеству вариантов конструкций, дает большую погрешность, но не требует серьезных вычислительных мощностей. Компьютерное моделирование позволяет оценить возможные критические ситуации и установить предельные режимы эксплуатации сразу в среде разработки. Полученные результаты используются в качестве граничных условий для моделирования на следующих этапах проектирования электронного

устройства. Таким образом, уменьшается количество брака, материальные издержки, увеличивается срок службы изделия, осуществляется предпроизводственная оценка выполненных исследований. Литература 1. Красников Г. Е., Нагорнов О. В., Старостин Н. В. Моделирование физических процессов с использованием пакета Comsol Multiphysics. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Москва. 2012.

2. Кучерявая И. Н. Применение мультифизического моделирова­ ния в решении задач электротехники. Журнал «Работы ИЭД НАН Украины». 2015. Вып. 42.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Публичное обсуждение стандартов в области умной энергетики |

Технический комитет «Киберфизические системы» на базе РВК совместно c Инфраструктурным центром НТИ «Энерджинет» представили на публичное обсуждение серию проектов предварительных национальных стандартов в области умной энергетики. Документы должны зафиксировать единый подход к архитектурному проектированию систем управления в распределенной энергетике, проектированию микрогридов и рыночных платформ, а также определить единую систему понятий и терминологию для всех участников рынка. Типовая архитектура позволит создавать легко масштабируемые энергосистемы с возможностью присоединения новых пользователей по принципу plug & play и со свободным энергообменом между ними. По оценкам Navigant Research, к 2028 г. объем мирового рынка умной распределенной энергетики превысит 600 млрд долл. с CAGR более 15%, а годовой ввод мощностей распределенных источников энергии достигнет 350 ГВт. По данным Инфраструктурного центра НТИ «Энерджинет», потенциал постепенно набирающего обороты рынка в России составляет 4–6 ГВт с достижимым экономическим эффектом в размере 67–105 млрд руб. в год от реализации таких практик умной энергетики. Согласно тем же данным, рынок применения распределенных систем накопления энергии в краткосрочной перспективе можно оценить в 1,5 ГВт, а к 2030 г. – в 10–15 ГВт накопительных мощностей в составе умной энергетики. Публичное обсуждение проектов стандартов продлится до 30 июня 2020 г. Соответствующее уведомление размещено на сайте gost.ru. После этого проекты стандартов пройдут согласование в Техническом комитете 194 «Киберфизические системы», а затем будут внесены на утверждение в Росстандарт. https://russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Проектирование понижающего преобразователя с помощью программного обеспечения AWR Дэвид Вай, Малколм Эдвардс и Энди Уоллес, Cadence

РЧ/СВЧ-модули, часто именуемые «гибридными», объединяют в себе функ‑ циональные блоки для передачи или приема радиосигналов. Эти гибрид‑ ные схемы сочетают в едином корпусе разные технологии, включая монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона (СВЧ МИС) и радиоча‑ стотного диапазона (РЧ ИС), дискретные полевые транзисторы (ПТ), а также пассивные устройства на керамических или стеклотекстоли‑ товых подложках с печатными проводниками и распределенными ком‑ понентами. РЧ-модули позволяют разрабатывать экономически эффек‑ тивные радиокомпоненты для мало- и среднесерийного производства путем интеграции технологий. Это особенно актуально для контроль‑ но-испытательного и измерительного оборудования в авиакосмической и оборонной промышленностях.

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Проектирование модуля

Проектирование РЧ-модулей осложняется чувствительностью радиосхем, а также электрическими свойствами компонентов и схем на более высоких частотах. Инженеры должны учитывать не только особенности электротехнического проектирования, но и специфику производственного процесса, чтобы избежать негативного влияния на радиочастотные характеристики. Кроме того, на радиосхемы накладываются ограничения по количеству излучения, что требует прохождения проверок на соответствие и сертификации организациями по стандартизации. По этим причинам готовый радиомодуль с заданным рисунком контактов и конфигурацией разъемов ввода–вывода позволяет сэкономить проектировщикам время и деньги. В этой статье описывается проектирование и моделирование полного понижающего модуля для анализаторов спектра. Образец модуля и его составные части были разработаны и смоделированы в среде AWR Design Environment. Они демонстрируют подход создания «сверху вниз» и «снизу вверх» с использованием анализа на схемном и систем-

ном уровнях. Интеграция понижающего преобразователя в механический контур влияет на размещение отдельных радиоблоков. Электромагнитное (ЭМ) моделирование корпуса модуля с этими блоками необходимо для проведения всестороннего анализа изготавливаемого модуля. Спецификация модуля

Модуль понижающего преобразователя состоит из всех компонентов приемника, обрабатывающих входящий радио­ частотный сигнал перед его преобразованием в более низкую промежуточную частоту (ПЧ) для последующей обработки. К эксплуатационным параметрам относятся диапазон входных/выходных частот, усиление преобразования, коэффициент шума (КШ), входная/выходная мощность, обратные потери, паразитные сигналы, энергопотребление, количество каналов и рабочая температура. Помимо этих параметров, которые необходимо соблюсти, контрольноиспытательное оборудование для анализа спектра требует наличия специальной крепежной схемы и определенного позиционирования разъемов ввода–вывода.

70

Рис. 1. Схема входного каскада спектрального анализатора, показывающая приемник понижающего преобразователя (обведено красным)

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Символ понижающего преобразователя верхнего уровня в редакторе схем (слева) и отдельные радиоблоки, определенные функциональным и моделями (справа)

напряжение постоянного тока каждого узла схемы, скорость передачи данных, частота дискретизации и центральная частота в узлах между системными блоками. Этот удобный функционал для поиска и исправления возможных ошибок дополняет более строгий поэлементный каскадный анализ, предлагаемый программным обеспечением VSS и позволяющий рассчитать каскадные характеристики понижающего преобразователя, а также увидеть вклад каждого компонента. Проектировщики могут использовать поэлементный каскадный анализ для учета взаимодействия коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) между блоками, а также изменения параметров 1‑го порядка. В отличие от подхода с электронными таблицами, данный способ позволяет проводить истинный анализ чувствительности параметров. Системный алгоритм программы VSS учитывает шумы зеркальной частоты, что позволяет разработчикам делать рациональные выводы о порядке фильтров и полосе пропускания фильтра на входе смесителя, чтобы минимизировать деградацию коэффициента шума. Каскадный и спектральный анализы (паразитных составляющих) для высокоуровневого проектирования понижающего преобразователя на основе функциональных моделей показан на рисунке 3. Каскадный анализ помогает проектировщику определить подходящую разбивку на секции, а также специ­ фикации отдельных радиоблоков для обеспечения заданной производительности понижающего преобразователя. После этого параметры (технико-эксплуатационные спецификации), которые определяют функциональные модели, можно передать проектировщикам отдельных компонентов.

Рис. 3. Поэлементный анализ характеристик подсистемы VSS, функциональные и схемные модели в составе подсистемы, выходной спектр системы

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Следующий пример иллюстрирует проектирование архитектуры и системный анализ модуля понижающего преобразователя во входном каскаде спектрального анализатора. На рисунке 1 показан входной РЧ-каскад приемника (модуль понижающего преобразователя обведен красным). Конструкция понижающего преобразователя разделена на блоки для усиления, включая блоки фильтрации, смесители, генераторы, буферные усилители, цифровой делитель и схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. рис. 2). Каждый блок можно представить с помощью функциональной (поведенческой) модели на уровне архитектуры или подробной подсхемы на схемотехническом уровне по мере того как эта информация становится доступной проектной группе, занимающейся интеграцией отдельных радиоблоков. Поскольку нередки случаи, когда каждый блок разрабатывается разными проектировщиками, крайне важно иметь возможность проанализировать все конструкции в одном проекте. На уровне подсистемы понижающего преобразователя производительность моделировалась с помощью программного обеспечения Visual System Simulator (VSS) от Cadence. Поведенческие и схемотехнические модели VSS позволяют выполнять поэлементный каскадный, а также спектральный и временной анализы, что помогает на всех этапах проектирования модуля, начиная с архитектурных изысканий и заканчивая верификацией проекта. Программная платформа AWR, которая теперь стала частью Cadence, позволяет проектировщикам помечать результаты моделирования на схеме, включая такие показатели как

71

Рис. 4. Контуры S11, S22 и КШ для малошумящего арсенид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов. Характеристика S22 входной согласующей цепи также построена на частоте 5 ГГц вместе с сопряженным S11 полевого транзистора

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Анализ и проектирование на схемотехническом уровне

Для проек тирования отдельных радиоблоков понижающего преобразователя, включая конструкции всех фильтров, усилителей и смесителей, использовалось программное обеспечение Microwave Office. В следующем разделе мы рассмотрим подробнее этих схемы и результаты анализа. Первым компонентом в цепочке понижающего преобразователя является малошумящий усилитель (МШУ), который усиливает принимаемый сигнал перед его преобразованием с понижением частоты через смеситель. Параметры поведенческой модели МШУ, заданные в схеме понижающего преобразователя в программе VSS, приведены в таблице 1. В диапазоне частот 4–6 ГГц была получена модель МШУ на основе одного устройства (малошумящего

72

Рис. 5. Схема МШУ

www.elcomdesign.ru

арсенид-галлиевого [GaAs] транзистора с высокой подвижностью электронов [ТВПЭ] Sumitomo FHX35LG) с входной и выходной согласующими цепями. У этой модели оказались хорошие характеристики усиления и шума. Согласно спецификации [1], при работе на частотах ниже 10 ГГц коэффициент шума (КШ) устройства не превышает 1 дБ, коэффициент усиления при малом уровне сигнала больше 10 дБ, а точка децибельной компрессии (P1dB) больше 12 дБм. Этот проект под названием 5GHz _LNA.emp является стандартным примером и доступен в программе Microwave Office. Симуляционная модель транзистора основана на файле параметров рассеяния (S‑параметров) и данных о шуме, предоставленных поставщиком. Контуры S11, S22 и коэффициента шума показаны на рисунке 4. Кроме того, на рисунке также показа-

Таблица 1. Требования к производительности МШУ, определенные в блоке усилителя VSS Id

A1

P1dB

10 дБм

КУ

9 дБ

IP3

20 дБм

IP2

30 дБм

но сопротивление источника на входе полевого транзистора (S22 входной схемы согласования) и сопряженное значение S11 полевого транзистора (на 5 ГГц). Как можно видеть, входная схема согласования была разработана так, чтобы обеспечить сопряженное согласование затвора транзистора, пересекая окружность коэффициента шума 1,2 дБ. Схема малошумящего усилителя, состоящего из моделей отрезков микрополосковых линий (MLIN) закрытой

Рис. 6. Топология МШУ (слева) и трехмерный вид (справа)

формы и элементов с сосредоточенными параметрами, показана на рисунке 5, а соответствующие 2D- и 3D-виды топологии – на рисунке 6. Линейные отклики коэффициента усиления при малом уровне сигнала и обратных потерь показаны на рисунке 7 вместе с коэффициентом шума. В данном примере иллюстрируется процесс экстракции и разделения конструкции усилителя на наборы

ЭМ-групп, что позволяет легко извлекать части схемы и запускать их расч е т в п л а н а р н о м ЭМ - с и м ул я т о р е AXIEM. Каждая из трех схем верхнего уровня настроена на ЭМ-экстракцию разных частей схемы. Проект демонстрирует, что входная согласующая цепь вызывает большую часть понижающих сдвигов в зависимости коэффициента усиления от частоты (см. рис. 8). Кроме того, верхняя заземляющая

плоскость оказывает незначительное влияние на отклик этой схемы. Способность выделять влияние малых деталей конструкции на общие характеристики схемы является очень полезным диагностическим инструментом. Буферный усилитель, следующий за МШУ, был разработан с помощью нелинейной модели активного устройства для учета продуктов интермодуляции в рамках исследования линейности. Схема усилителя, включающая аннотации цепи по постоянному току для отладки, показана на рисунке 9, а соответствующие 2D- и 3D-виды топологии – на рисунке 10. Анализ в режиме большого сигнала (однотональная и многотональная варьируемая входная мощность) буферного усилителя обеспечивает соответствие значений коэффициента усиления, точки децибельной компрессии и точек пересечения 2‑го и 3‑го порядка заданным, которые определены в поведенческой модели буферного усилителя, используемой в схеме понижающего преобразователя в VSS на рисунке 11. Следующим компонентом в понижающем преобразователе является смеситель, отвечающий за фактическое преобразование частоты. Энергия

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 7. Характеристики МШУ для малого уровня сигнала, а также коэффициенты усиления, обратных потерь и шума

Рис. 8. Сдвиг частоты, вызванный сопротивлением входной схемы согласования после ЭМ-верификации

электронные компоненты №05 2020

73

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 10. 2D- и 3D-виды топологии буферного усилителя

Рис. 9. Конструкция буферного усилителя

74

www.elcomdesign.ru

промежуточной частоты берется из суммирующего соединения двух диодов, модель которого была получена методом гармонического баланса (ГБ) в Microwave Office для анализа критических показателей производительности, например потерь преобразования, шума смесителя и развязки. На рисунке 12 показана схема смесителя, состоящая из нелинейных SPICE-моделей диодов от производителя, и моделей микрополосковых линий закрытой формы, соединений и радиальных изгибов (слева) с трехмерным видом соответствующей топологии (справа). Эта схема настроена на анализ потерь преобразования и выходного спектра (см. рис. 13) с подачей РЧ-сигнала на порт 1, сигнала гетеродина (LO) мощностью 17 дБм и частотой 4,48 ГГц в порт 3 и получением сигнала промежуточной частоты на порте 2. Анализ в режиме большого сигнала показывает, что внутриполосные потери преобразования составляют приблизительно –8 дБ, утечка РЧ-сигнала на выход равна –30 дБ, утечка гетеродина на выход смесителя достигает –10 дБ, а утечка с РЧ-входа на вход гетеродина составляет –25 дБ. Весь спектральный состав выходного сигнала на промежуточной частоте (порт 2) показан на графике спектра смесителя. Из него отчетливо видно, что для удаления нежелательных продуктов смешивания и утечек сигналов ВЧ и гетеродина потребуется фильтрация. Пользователи, которым хочется узнать больше о конструкции и анализе смесителя, могут найти аналогичный проект смесителя в примере Diode_Mixer.emp программы Microwave Office [2]. Из графика спектра на рисунке 13 (справа) видно, что сигналы гетеродина (4,48 ГГц) и РЧ (4,959 ГГц) появляются на порте ПЧ вместе с ПЧ-сигналом (0,479 ГГц) и другими продуктами смешивания. Фильтр ПЧ, изначально разработанный с помощью мастера синтеза фильтров iFilter в Microwave Office (см. рис. 14), поможет уменьшить эти нежелательные сигналы. Итоговая конструкция фильтра (см. топологию на рисунке 15) была создана с использованием компонентов из микрополосковой/полосковой библиотеки моделей. Трехмерный ЭМ-анализ проводился с помощью ЭМ-симулятора Analyst методом конечных элементов (МКЭ) для моделирования паразитных эффектов корпуса и крышки, а также анализа выхода годных и допусков, обусловленных производственными вариациями. Результаты моделирования линейной схемы и ЭМ-анализа, приведенные на рисунке 16, показывают отличную корреляцию между двумя подходами к моделированию. Последним компонентом в конструкции модуля понижающего преобразователя является гетеродин на основе высокодобротного генератора с диэлектрическим резонатором (ГДР). Программное обеспечение Microwave Office выполнило нелинейное моделирование осцилляторов с помощью схем с высокой добротностью. В данном ГДР для обеспечения отрицательного сопротивления применяется полевой транзистор (модель Кертиса) и модель ди­электрического резонатора с варакторной подстройкой, основанная на трехмерной ЭМ-симуляции в Analyst. В составе Microwave Office имеются примеры DRO_Oscillator.emp [3] и Dielectric_Resonator_Puck.emp [4], которые можно использовать для понимания основных принципов рассматриваемой

Рис. 11. Отклик буферного усилителя в режиме большого сигнала: коэффициент усиления (> 9 дБ), выходная мощность, КПД (слева) и двухтональные отклики: точки пересечения 3-го порядка (> 20 дБм) и 2-го порядка (> 30 дБм) (справа)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 12. Схема диодного смесителя (слева) и соответствующая топология (справа)

75

Рис. 13. Характеристики смесителя – коэффициент преобразования (слева) и спектр (справа)

электронные компоненты №05 2020

Рис. 14. Интерфейс мастера фильтров iFilter позволяет определить тип фильтра и его характеристики; сгенерированную структуру фильтра можно импортировать в Microwave Office для дальнейшей оптимизации проекта

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

конструкции. В примере DRO_Oscillator. emp предлагается несколько методик для определения правильных условий возбуждения колебаний. Как только

Рис. 15. 2D- и 3D-виды конструкции фильтра

эти условия заданы, создается модель схемы для определения частоты колебаний, выходной мощности и фазового шума. В этой схеме добротность резо-

Рис. 16. Вносимые потери заграждающего фильтра на 5 ГГц на основе схемного и ЭМ-анализа

натора изменяется для анализа влияния на фазовый шум схемы. Пример проекта Dielectric_Resonator_ Puck.emp основан на ЭМ-модели Analyst, которая сос тоит из медной линии с прилегающей к ней диэлектрической шайбой. Шайба выступает в качестве резонатора, частота которого задается путем изменения радиуса шайбы, высоты и расстояния до медной линии. Для изменения этих параметров используются модификаторы формы. Радиус шайбы, высота и близость к медной линии можно изменять и варьировать для изучения влияния размера и расположения диэлектрической шайбы на добротность и резонансную частоту. На рисунке 17 показана схема ГДР с варакторной подстройкой, модель диэлектрического резонатора и график входного сопротивления (отрицательное сопротивление).

76

Рис. 17. Конструкция генератора с диэлектрическим резонатором с варакторной подстройкой, 3D ЭМ-модель диэлектрического резонатора и результаты моделирования отрицательного сопротивления

www.elcomdesign.ru

Microwave Office имеет очень мощный функционал для анализа генераторов. Линейные условия колебаний таковы, что полная комплексная проводимость между резонатором и активным устройством (генератором отрицательного сопротивления) должна иметь нулевую мнимую часть (реактивная проводимость) и отрицательную вещественную часть (проводимость). Как показано в примере проекта, существует несколько способов для определения того, выполняются ли условия для возбуждения колебаний. Поскольку мы рассматриваем линейный тип анализа, схему можно легко настроить или оптимизировать для обеспечения колебаний требуемой частоты. Кроме того, симулятор может в нелинейном режиме определять частоту колебаний, выходную мощность и фазовый шум с помощью блока OSCAPROBE, установленного между цепью отрицательного сопротивления и резонатором. Блок OSCNOISE можно также использовать для управления симуляцией фазового шума этой схемы.

Конструкция модуля понижающего преобразователя

После создания радиоблоков на уровне схемы (пассивный ответвитель, буфер ГДР и делитель не рассматриваются) весь понижающий преобразователь можно собрать из этих частей схемы в единую иерархию для анализа, как показано на рисунке 18. Электрические характеристики модуля требуют преобразования СВЧ-сигналов в более низкий ПЧ-диапазон, который можно анализировать с точностью схемотехнического уровня. Зак лючительный этап общего проек тирования и проверки понижающего преобразователя перед его изготовлением может включать в себя анализ потенциальных взаимодействий между планарными подсхемами и 3D-корпусом. Игнорирование влияния корпуса модуля на планарные схемы может привести к неприятным неожиданностям и дорогостоящим циклам перепроектирования. Проектирование механических деталей отде-

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 18. Полная конструкция модуля понижающего преобразователя после замены функциональных моделей на схемотехнические на системном уровне

77

Рис. 19. Механический корпус, топологическая плата и вид сборки подсистемы понижающего преобразователя с показанным конструктивным разбиением и экранированием, используемым для лучшей изоляции функциональных блоков

Рис. 20. Расчетный алгоритм ЭМ Analyst Eigenmode показывает поверхностные токи в корпусе модуля понижающего преобразователя для разных режимов распространения волн

электронные компоненты №05 2020

лено от электрической конструкции и соответствующих процессов, однако разработчики элек трической и механической частей должны тесно сотрудничать друг с другом. Механические характеристики, к которым, например, относятся доступное физическое пространство и расположение портов подключения (разъемов), являются для проек тировщиков РЧ-подсистем проблемными с учетом требований к компоновке. В свою очередь, механические характеристики корпуса должны использоваться для идентификации его потенциальных резонансов, для устранения которых, возможно, придется вносить изменения в его конструкцию. Резонансы корпуса (моды) можно с м оде лир о в ат ь в ЭМ - си м ул я тор е

Рис. 21. Полная конструкция понижающего преобразователя, экспортированная для производства Таблица 2. Результаты работы расчетного алгоритма Eigenmode Измерение_1 (Симуляция_1/итерация 10/моды) Мода 1

Мода 2

Мода 3

Мода 4

Мода 5

Мода 6

Мода 7

Мода 8

Мода 9

Мода 10

Частота, ГГц

1,9858

2,7679

2,9187

3,9395

4,5575

4,8702

5,0012

5,2594

5,8046

6,0489

Энергия, Дж

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

8,85E-12

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Добротность (общая)

1579,3

2221

2217,6

3078,7

2089,7

2056,1

2544,9

2519,9

3416,7

3288

Добротность (стенки резонатора)

1579,3

2221

2217,6

3078,7

2089,7

2056,1

2544,9

2519,9

3416,7

3288

Параллельный импеданс, Ом

Добротность (материал)

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

6,9954е-05

6,9331е-05

7,322е-05

7,1186е-05

0,00012183

0,00013177

0,00010933

0,00011611

9,4514е-05

0,00010226

R/Q, Ом

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Коэффициент потерь на высшей моде, В/Кл/кв.м

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Пиковая амплитуда напряженности электрического поля Ep, В/м

14971

21446

21309

19283

17999

12954

18933

17409

18595

14466

Пиковая амплитуда напряженности магнитного поля Hp, А/м

36,369

35,526

27,873

40,029

47,865

45,919

46,699

34,012

20,867

23,916

Пиковая амплитуда напряженности поверхностного электрического поля Es, В/м

14916

19983

21309

12233

14530

12954

15892

10416

18595

14466

Пиковая амплитуда напряженности поверхностного магнитного поля Hs, А/м

28,582

32,71

21,808

31,319

37,448

45,919

36,454

34,012

20,867

23,916

Пиковая амплитуда напряженности продольного электрического поля Eа, В/м

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Пиковая амплитуда напряженности продольного магнитного поля Ha, А/м

0,0099616

0,0053484

0,012853

0,0030667

0,0066706

0,017548

0,0022999

0,011276

0,0041168

0,006043

Средний ускоряющий градиент поля, Eacc, В/м

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Ep/Eacc

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Es/Eacc

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Hs/Eacc, См

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Вещественная часть коэффициента времени пролёта, Т

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Мнимая часть коэффициента времени пролета, S

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

∞

Геометрический фактор G, Ом

18,361

30,486

31,257

50,414

36,804

37,435

46,954

47,678

67,913

66,689

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Потери в стенках, Вт

78

Набег фазы за период, °

www.elcomdesign.ru

A n a l y s t . М е х ан ич е ск а я ко н с т ру кция, показанная на рисунке 19, была импортирована и проанализирована с помощью расчетного алгоритма Analyst Eigenmode. Расчетные алгоритмы Eigenmode выполняют «неуправляемый» анализ без волновых портов и используют внешний источник питания. Также может предполагаться, что определенное количество накопленной энергии уже заключено в структуру, а расчетный алгоритм Eigenmode раскрывает результирующие моды и их полевые свойства. Как только поля и поверхностные токи станут известны, можно применить конечную проводимость и определить добротность резонатора через точную зависимость меж ду накопленной и рассеянной энергиями за цикл.

Analyst может построить распределения этих полей и поверхностных токов на корпусе для визуализации потенци-

альных проблемных зон, как показано на рисунке 20. Результаты ЭМ-анализа с помощью расчетного алгоритма Eigenmode представлены на рисунке 21 в таблице 2, где перечислены резонансные частоты всех обнаруженных мод. Полную конструкцию понижающего преобразователя, показанную на рисунке 21, можно экспортировать для производства, в т. ч. в формате Gerber для наборов масок и трассировки, а также в формате Excellon, который широко используется для управления станками с числовым программным управлением (ЧПУ). Выводы

Модули РЧ/СВЧ объединяют разные технологии для решения проблем стоимости и производительности беспроводных систем малого и среднего объемов. Программное обеспечение

AWR пре дос тав ляет комп лексную платформу для моделирования и проектирования «сверху вниз» и «снизу вверх», позволяя инженерам успешно разрабатывать сложные проекты. Мы рассмотрели комбинированное использование системного анализа для разделения конструкции на функциональные блоки и определения спецификации компонентов, а также для моделирования на уровне схемы и ЭМ-анализа при разработке полного гибридного понижающего преобразователя. Литература 1. sedi.co.jp/pdf/FHX35LG.pdf.

2. kb.awr.com/display/examples/Diode_ Mixer.

3. kb.awr.com/display/examples/DRO_ Oscillator.

4. kb.awr.com/display/examples/Dielectric_ Resonator_Puck.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Новые программные продукты Cadence Design Systems |

ООО «ПСБ Софт» (Москва) www.pcbsoft.ru +7 (800) 550-83-55 WhatsApp: +7 (916) 673-39-50 info@pcbsoftware.com

электронные компоненты №05 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Компания PCB SOFT, официальный партнер Cadence® Design Systems на территории России, Беларуси и Казахстана, объявляет о выходе новых версий и расширении линейки поставляемых продуктов. Теперь решение Cadence – это полный маршрут проектирования и верификации электроники, включающий в себя все необходимое для разработки самых современных приборов и устройств. Релиз Cadence® Allegro® PCB Designer версии 17.4 – новое слово на рынке инструментов для проектирования печатных плат – содержит в своем составе не только редакторы компонентов, схем и печатных плат, но и полноценные инструменты моделирования и электромагнитного анализа проектов. Базовая конфигурация, основанная на Allegro PCB Designer, называется OrCAD™ и имеет два уровня мощности – недорогой Standard и полнофункциональный Professional. Эти конфигурации доступны даже небольшим предприятиям и стартапам. Пользователи могут сразу же проверить схему или ее отдельные части на функционирование с помощью симулятора PSpice®, интегрированного в схемный редактор, проанализировать надежность схемы, ее зависимость от допусков на номиналы компонентов, оценить процент выхода годных или оптимизировать схему по набору параметров. Инструменты электромагнитного моделирования Sigrity™ SI/PI и новый уникальный инструмент 3D-моделирования Clarity™ вкупе с инструментами совместного теплового и электрического анализа Sigrity PowerDC и революционным решением Celsius™ делают процесс разработки предсказуемым, избавляют пользователей от лишних затрат времени и денег на производство прототипов и выполнение дополнительных итераций. Мощные инструменты проектирования и моделирования СВЧ-систем и СВЧ-плат, представленные в программных продуктах AWR® Design Environment/Microwave Office, делают работу с радиочастотными проектами, фильтрами, антеннами, АФАР еще более удобной и эффективной. Доступны студенческие и университетские лицензии, а также демоверсии продуктов. За консультациями по инструментам проектирования от компании Cadence обращайтесь к техническим специалистам компании PCB SOFT.

79

Новый температ урный симулятор – Celsius от компании Cadence Александр Акулин, технический директор, компания PCB SOFT (ООО «ПСБ СОФТ»), akulin@pcbsoftware.com

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

В статье описан новый тепловой симулятор Celsius, представленный компанией Cadence в ходе онлайн-демонстрации. Симулятор предна‑ значен для совместной электрической и тепловой симуляции печатных плат и электронных устройств в корпусе, а также микросхем с учетом их полной внутренней конструкции и топологии проводников.

80

Избыток тепла убивает электронные компоненты, и никто не знает этого лучше, чем разработчики электроники. С каждым новым проектом требования к потребляемой мощности устройств увеличиваются, в то время как габариты приборов уменьшаются. В результате, в печатной плате вырабатывается слишком много тепла, и возникают проблемы с его рассеиванием в окружающее пространство. Представьте себе, например, что ноутбуки станут настолько сильно греться, что будут обжигать колени пользователя, смартфоны станут отключаться из-за слишком активной работы с интернетом, а литиевые батареи в приборах будут воспламеняться в процессе перезарядки. Чтобы не допустить возникновения подобных проблем, разработчикам требуются инструменты, позволяющие достоверно вычислять степень нагрева электронных компонентов и решать проблемы теплоотвода, причем это следует делать на этапе разработки, когда проектируется корпус и конструкция прибора, выполняется компоновка и трассировка печатных плат. Компания Cadence, наиболее хорошо известная своим программным обеспечением для автоматизированного проектирования печатных плат Allegro и OrCAD, анонсировала новую программу для анализа тепловыделения – Celsius Thermal Solver. Этот симулятор использует методы конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD) для обнаружения перегрева микросхем, печатных плат и корпусов приборов с учетом тепловыделения, теплопередачи и конвекционной передачи тепла (см. рис. 1).

Celsius получает полную информацию о конструкции корпуса и топологии печатной платы из инструментов САПР, в т. ч. из проектов САПР печатных плат Cadence Allegro или OrCAD. Более того, Celsius может получить информа-

www.elcomdesign.ru

цию о детальной конструкции самой микросхемы, если речь идет об анализе тепловыделения и нагрева внутри ее корпуса. Таким функционалом могут заинтересоваться отечественные разработчики микросхем процессоров, которые пользуются САПР Cadence для проектирования СБИС и корпусов/подложек микросхем (САПР для разработки подложек Cadence Allegro Package Designer/System In Package является расширенной версией САПР печатных плат Cadence Allegro PCB Designer). При анализе тепловыделения внутри корпуса микросхемы в Celsius более всего впечатляет, пожалуй, уровень детализации внутреннего устройства микросхемы. Сегменты тончайшей золотой проволоки, которыми кристалл микросхемы соединяется с выводами подложки, выглядят как нити паутины (см. рис. 1). Но стоит увеличить масштаб в окне 3D-представления Celsius,

и можно увидеть, что моделируется даже прямоугольное сечение этой проволоки. При протекании тока проволока нагревается, и Celsius визуализирует это – нагретые участки становятся красными в случае локального перегрева. Невероятно, но программа Celsius может рассчитать и отобразить тепловые характеристики всей геометрии микросхемы, включая сотни проводов, проводники и переходные отверстия в подложке, шариковые выводы BGA или Flip-Chip. Чтобы значительно сократить время моделирования, Celsius использует библиотеку готовых объектов, которые активируются по мере прохождения тока по цепям. Результирующие температуры можно увидеть снаружи, внутри, с рассечением объектов, или с удалением некоторых объектов. Celsius выполняет рассечение микросхемы в любой плоскости, часть за частью и послойно. Можно увидеть, например, что место

Рис. 1. При моделировании тепловыделения крайне важно учитывать точные геометрические параметры всех объектов. В данном случае учитывается даже прямоугольное сечение золотых проволок внутри микросхемы. В правом нижнем углу видна перегретая (красная) проволока из-за слишком большого для нее тока

Рис. 2. Celsius моделирует переходные процессы при совместной симуляции электрических токов и тепловых потоков, а также анализирует реакцию на разные режимы работы и профили мощности с учетом нагрева проводников от эффекта Джоуля-Ленца

Celsius выполняет моделирование с учетом зависимости режимов тепловыделения от времени, например с изменением электрического тока, или с учетом временных характеристик, смены режимов работы и профилей мощности, которые можно получить из программного обеспечения для про-

ектирования электроники. Возможность быстро установить величину электрического сопротивления объектов и рассеиваемой на них мощности, легко и просто проводить тепловой анализ, а также учитывать детализованную геометрию объектов и их физическое расположение обеспечивает точные результаты

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

соединения микросхемы с подложкой, в которой часто накапливается тепло, с течением времени перегревается. Местоположение точки перегрева определяется с точностью до миллиметра. Напрашивается вывод, что Celsius идеально подходит для разработчиков микросхем, выделяемая мощность которых становится все больше при меньших размерах кристаллов и подложек. Однако, как уже упоминалось, Celsius также в состоянии осуществлять тепловой анализ на уровне печатной платы, и даже на системном уровне всего прибора в корпусе с учетом обдува, работы радиаторов и других систем теплоотвода. С помощью алгоритмов FEA и CFD симулятор Celsius анализирует не только переходные температурные процессы, но и устойчивые тепловые состояния проектируемого электронного устройства (см. рис. 2). В процессе онлайн-демонстрации анализ образца смартфона с помощью Celsius занял всего несколько секунд после импорта геометрических параметров из файла в формате STEP. Специалисты Cadence утверждают, что решатель Celsius работает в 10 раз быстрее других аналогов. Почти мгновенно можно было увидеть, что смартфон при активной работе нагревается до 67°C. По словам специалиста Cadence, учитывалась только теплопроводность материалов и теплопередача, но в рассматриваемом случае этого достаточно, поскольку конвекция играет незначительную роль внутри смартфона. В результате время вычислений существенно сократилось. Симулятор Celsius легко интегрируется в программное обеспечение для проектирования электроники Cadence, например в ПО OrCAD и Allegro PCB Designer для разработки печатных плат, а также Allegro Package Designer/SIP, Voltus, Virtuoso или Innovus для разработки микросхем. Топология компонентов и геометрические параметры печатной платы считываются из файлов Cadence собственного формата. Для представления геометрических параметров трехмерной конструкции прибора, а также трехмерных объектов на печатных платах и в компонентах, используются файлы нейтральных форматов, например STEP. Таким образом, Celsius предоставляет дополнительные удобства пользователям САПР, отделяя геометрические параметры системы от топологии текущего проекта: если параметры конструкции изменятся, разработчику не потребуется заново подгружать данные о топологии платы. Как уже упоминалось, Celsius считывает данные напрямую из файлов стандартных форматов для проектирования микросхем, корпусов и печатных плат.

81

Рис. 3. Превосходство в скорости в 10 раз. Параллельная многопоточная архитектура Celsius обеспечивает преимущество при использовании либо ускорителей GPU, либо облачных вычислений

электронные компоненты №05 2020

моделирования. Права на ядро моделирования FEA принадлежат компании Cadence, а ядро моделирования CFD лицензировано у стороннего разработчика. Постобработка в 3D основана на ядре ParaView, анализаторе данных с открытым исходным кодом, который был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Многозадачность

В онлайн-демонстрации не было показано, однако было заявлено, что Celsius может решать действительно огромные (по количеству элементов, а не по размеру объекта) задачи. Celsius использует преимущества многопоточной распределенной архитектуры с мас-

сивным параллелизмом, которая может масштабироваться до сотен процессоров, например в вычислительных центрах HPC, что позволяет увеличить скорость более чем в 10 раз по сравнению с однопоточными решателями (см рис. 3). Очевидное решение для пользователей Cadence

Симулятор Celsius дополняет набор инструментов разработки электроники, поставляемых компанией Cadence. Эта программа, в первую очередь, предназначена для разработчиков электроники с помощью программного обеспечения Cadence, например Allegro и OrCAD. Таких инженеров множество, потому что компания Cadence являет-

ся ведущим поставщиком САПР и многие ведущие компании-производители электроники являются ее клиентами. Однако и пользователи альтернативных САПР имеют возможность задействовать этот симулятор, импортировав проекты в Celsius путем обмена файлов топологии печатной платы стандартных форматов (ODB++) и 3D-конструкции прибора (формат STEP). За дополнительной информацией о симуляторе Celsius, вебинаре с демон­ страцией возможностей или для заказа демонстрационной версии обращай­ тесь с запр о сом к о ф ициа льному дистрибьютору Cadence по адресу info@pcbsoftware.com.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

| Новая версия PikeOS 5.0 с сертифицируемой многоядерностью по CAST-32A |

82

Компания SYSGO, производитель операционной системы реального времени с гипервизором PikeOS, выпустила новую версию PikeOS 5.0 с поддержкой сертификации многоядерных систем согласно руководству CAST‑32A. Руководство CAST‑32A – это вторая редакция документа CAST‑32 Position paper «Multi-Core Processors» неформального сообщества Certification Authorities Software Team. Руководство CAST‑32A содержит рекомендации по снижению взаимовлияния отдельных частей ПО, исполняющихся на разных ядрах многоядерного процессора и использующих разделяемые между ядрами ресурсы процессора. Это взаимовлияние ядер друг на друга через разделяемые ресурсы (общие шины, общие кэш-памяти, общие устройства ввода/вывода) является препятствием для сертификации многоядерных систем по стандартам функциональной безопасности, основное требование которых заключается в предсказуемости временных характеристик ПО системы. ОСРВ/гипервизор PikeOS предназначена для применения во встроенных системах, сертифицируемых по стандартам функциональной безопасности DO‑178C (авионика), МЭК 61508 (промышленные системы управления), EN 50128 (железнодорожные системы), ИСО 26262 (автомобильная электроника), МЭК 62304 (медицинское оборудование). ОСРВ/гипервизор PikeOS также сертифицирована по международному стандарту информационной безопасности ИСО/МЭК 15408 «Общие критерии» на оценочный уровень доверия EAL3+. Релиз PikeOS 5.0 поддерживает разные 32‑ и 64‑разрядные многоядерные процессоры с архитектурами ARM, PowerPC и x86 производства NXP/Freescale, Renesas, Intel и Xilinx. Новая версия 5.0 позволит сертифицировать многоядерные системы на высшие уровни критичности для безопасности DAL A, SIL 4 и ASIL D. Дистрибьютор компании SYSGO в России – компания АВД Системы, поставщик средств разработки программного обеспечения критически важных для безопасности сертифицируемых встраиваемых компьютерных систем. www.avdsys.ru/pikeos

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «Bel Fuse Inc.» |

Bel Circuit Protection расширяет линейку самовосстанавливающихся предохранителей 0ZCM Серия самовосстанавливающихся (PTC) предохранителей 0ZCM для поверхностного монтажа, выполненных в корпусе 0603, расширяется благодаря выпуску моделей с новыми номинальными значениями токов. С этим релизом Bel Fuse становится единственным производителем, предлагающим 10-, 20‑ и 30‑мА предохранители в этом компактном форм-факторе, которые соответствуют автомобильному стандарту AEC-Q. Настоящая серия поддерживает номинальные токи в диапазоне 10–200 мА с максимальным током до 40 А, рабочим напряжением до 9–15 В и диапазоном рабочей температуры –40…85°C. Серия 0ZCM имеет широко востребованные низкое сопротивление DCR и быструю характеристику срабатывания. Продукция соответствует требованиям RoHS 2 и не содержит галогенов. Применение: • автомобильная электроника; • сетевые устройства; • камеры; • USB-устройства; • устройства и платы с функцией горячей замены.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Bel Stewart Connectors представляет герметичные разъемы SS‑12400–001 с кодированием M12‑X

Применения: • промышленная автоматизация; • датчики и силовые применения; • коммуникации; • роботы и манипуляторы.

Разъем SS‑12400–001 предназначен для условий, где требуется передача энергии или данных посредством стойких к воздействиям среды соединителей. Разработанный согласно промышленному стандарту M12‑X Code, он имеет восемь контактов для подключения Ethernet и передачи данных. Новый разъем является лишь частью обширного ассортимента модульных разъемов Stewart connector, предназначенных для передачи данных на скоростях 1000BASE-T и 10GBASE-T. Этот соединитель имеет степень защиты IP67 и подходит для широкого диапазона применений в промышленных и жестких условиях эксплуатации. Обжимка разъема выполняется в стиле IDC, что позволяет осуществлять сборку разъема в полевых условиях без помощи специализированного инструмента. Допустимый диаметр кабеля составляет 6,8–9 мм, сечение провода – 24 и 26 AWG.

Корпорация Bel Fuse объявляет о поглощении подразделения CUI Power Assets

84

Bel Fuse Inc. совершила сделку по приобретению активов подразделения CUI Power Assets и тем самым расширила портфолио производимых промышленных DC/DC- и AC/DC-преобразователей напряжения в нижнем диапазоне мощностей 0,5–600 Вт. CUI Inc. изготавливает продукцию в SIP- и DIP-корпусах для монтажа на плату, а также блоки во внешнем исполнении: бескорпусные, в металлическом корпусе с разъемом под винт и т. н. адаптеры. Они предназначены для применения в промышленной, медицинской и потребительской технике, а также для интернета вещей.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Bel Magnetics Solutions представляет однопортовые интегральные разъемы с PoE до 100 Вт серии ICM 5GBASE-T MagJack®

Новые разъемы расширяют линейку ICM MagJack® для применения в передовых разработках устройств с PoE, требующих усиленного питания электроэнергией и более высоких скоростей передачи данных, что делает их идеальными для применений в устройствах сотовой связи 5G, точках доступа и в IP-видеокамерах. ICM 5GBASE-T удваивают количество энергии, потребляемой в современных 60‑Вт системах, увеличивая их скорости до 5 раз в сравнении с обычным Gigabit Ethernet. Эти интегральные разъемы совместимы со всеми популярными интегральными микросхемами класса 5GBASE-T, в т. ч. с самыми передовыми с управлением по току или по напряжению, а также обратно совместимы, при необходимости поддерживая меньшие скорости и мощности. Стандартные посадочные места и распиновка позволяют замещать изделия 1G, не внося изменений в печатные платы. Продукция полностью соответствует требованиям NBASE-T и IEEE 802.3bz.

Модели: на 60 Вт – 0826–1X1T-JK-F и 2250477–1; на 100 Вт – 0826–1X1T-KL-F и 2250507–1. Применение: • Ethernet-коммутаторы низкой плотности, потребляющие до 100 Вт по линии 48 В; • точки беспроводного доступа с высокой пропускной способностью; • устройства, совместимые с NBASE-T; • базовые станции.

Bel Power Solutions представляет DC/AC-инверторы 700INV60–120–240–9G для коммерческого электрического и гибридного транспорта

Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить у официальных дистрибьюторов в России или обратившись в представительство компании.

POWER | PROTECT | CONNECT https://belfuse.com/ +7 (499) 391-4357 info.russia@belf.com

электронные компоненты №05 2020

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Новые инверторы для транспорта представляют собой законченные коммерческие решения для питания второстепенных потребителей электроэнергии на электрическом и гибридном транспорте средней и высокой грузоподъемности, а также на электрифицированных плавсредствах. Инвертор 700INV60–120–240–9G преобразует постоянное напряжение в диапазоне 400–850 В (высоковольтная сеть или аккумуляторные батареи) в переменный ток напряжением 115 или 220 В для питания вспомогательного оборудования, например кондиционеров или бортовых бытовых приборов. Блоки мощностью 6 кВА можно подключать параллельно в однофазной конфигурации для повышения максимальной выходной мощности до 36 кВА. Три блока или три массива блоков можно объединить в трехфазную систему. Преобразователи изготавливаются в цельном герметичном алюминиевом корпусе со степенью защиты IP65 или IP67, обеспечивающем защиту от вибраций согласно стандартам SAE J1455 и MIL-STD‑202G. Жидкостное охлаждение и КПД, равный 93%, обеспечивают полноценную работу при температуре среды –40…85°C. Инверторы, как и другие преобразователи для транспорта, оснащены распространенным в индустрии интерфейсом CAN, а также комплексом систем защит, в т. ч. от перегрева, выходного перенапряжения и перегрузки по току. Основные параметры: • диапазон входного напряжения: 400–850 В постоянного тока; • выходное напряжение: 115 и 230 В переменного тока, возможна работа в трехфазном режиме; • мощность одного блока: 6 кВА, до 6 блоков в параллельном подключении; • класс защиты корпуса: IP67; • жидкостное охлаждение; • шина CAN.

85

Прецизионные ОУ класса Rail-to-Rail 1259УА015 и 1259УА025 (функциональные аналоги OP184, OP284) Леонид Авгуль, к.т.н., директор, Сергей Курносенко, к.т.н., зам. директора по научной работе, Виктор Кряжев, гл. конструктор, Юрий Юреня, вед. конструктор, НТЦ «ДЭЛС» Анатолий Ластовецкий, к.т.н., начальник отд., Михаил Шахматов, к.т.н., гл. конструктор, Андрей Мальцев, к.т.н., зам. гл. конструктора, ПАО «Импульс» В статье представлено техническое описание микросхем прецизион‑ ных операционных усилителей (ОУ) класса Rail-to-Rail по входу и выходу 1259УА015 и 1259УА025. Эти ИС являются функциональными аналогами микросхем OP184 и OP284, соответственно. Отличительными особенно‑ стями рассматриваемых ИС являются малое напряжение смешения нуля, большой коэффициент усиления, широкий диапазон входных синфазных и выходных напряжений, диапазон рабочей температуры (–60…125°C), напряжение питания UCC1 = 2,5–16,5 В и UCC2 = –2,5…–16,5 В.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Микросхемы представляют собой одноканальный (1259УА015) и двухканальный (1259УА025) прецизионные операционные усилители класса Rail-to-Rail по входу и выходу. Они предназначены для широкого ряда применений, включая фильтры,

Таблица 1. Назначение выводов Обозначение

Назначение

IN+

вход сигнала прямой

IN–

вход сигнала инверсный

OUT

выход сигнала

VСС1

вывод питания от источника напряжения положительной полярности

VСС2

вывод питания от источника напряжения отрицательной полярности

Рис. 1. Структурная схема микросхемы 1259УА015

86

Рис. 2. Структурная схема микросхемы 1259УА025

www.elcomdesign.ru

Рис. 3. Схема входного каскада

контрольно-измерительные приборы, телекоммуникационное оборудование, управление и защиту питания, усилители или буферы для преобразователей с широкими выходными диапазонами. М и к р о с хе м ы и з г о т а в л и в а ю т с я по биполярной технологии и конс трук тивно выполнены в металлокерамическом корпусе типа Н04.16–1В с четырехсторонним расположением выводов. Назначение выводов

Таблица 2. Основные параметры Наименование параметра, ед. изм., режим измерения

Буквенное обозначение параметра

Норма параметра не менее

Напряжение смещения нуля, мВ UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

UI0

UOmax

| ± 13,6 | | ± 4,1 |

UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

ICC

–

Средний входной ток, нА UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

II

–

Разность входных токов, нА UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

25 ± 10

| ± 0,450 |

–60; 125

| ± 0,175 |

25 ± 10

| ± 0,450 |

–60; 125 25 ± 10

–

| ± 3,8 |

Ток потребления (два канала), мА

II0

–

UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

f1

UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

SR

3,5

25 ± 10

4,5

–60; 125

3,5

25 ± 10

4,5

–60; 125

| ± 300 |

25 ± 10

| ± 600 |

–60; 125

| ± 300 |

25 ± 10

| ± 600 |

–60; 125

| ± 60 |

25 ± 10

| ± 100 |

–60; 125

| ± 60 |

25 ± 10

| ± 100 |

–60; 125 25 ± 10

1,8

–

2,5

2,4

25 ± 10

1,4

–

2,0

7,5•10

4

10•10

UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В Коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения нуля, мкВ/В UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

Коэффициент ослабления синфазных входных помех, дБ UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

αUI0

KSVR

KCMR

–

–

–

25 ± 10

25 ± 10

–

5•104

Температурный коэффициент напряжения смещения нуля, мкВ/°С

–60; 125

–60; 125 4 4

AU

25 ± 10 –60; 125

15•10 UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В

–60; 125

1,6

1,1

Коэффициент усиления напряжения, В/мВ

25 ± 10

–60; 125 25 ± 10 –60; 125

2,75

25 ± 10

2,75

–60; 125

2,75

25 ± 10

2,75

–60; 125

31,6

25 ± 10

45,0

25 ± 10

86,0

25 ± 10

86,0

–60; 125

80,0

25 ± 10

80,0

–60; 125

электронные компоненты №05 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Скорость нарастания выходного напряжения (макс.), В/мкс

–60; 125

–60; 125

3,0 Частота единичного усиления, МГц

Температура среды, °C

| ± 0,175 |

| ± 14,0 |

Выходное напряжение (макс.), В UCC1 = 15,0 В; UCC2 = –15,0 В, RL = 2 кОм UCC1 = 5,0 В; UCC2 = –5,0 В, RL = 2 кОм

–

не более

87

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 4. Схема выходного каскада

88

Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя в схеме с разомкнутой петлей обратной связи

www.elcomdesign.ru

Рис. 7. Частотная зависимость спектральной плотности приведенного к входу шумового напряжения

Рис. 8. Временная диаграмма функционирования ИС в схеме неинвертирующего усилителя (AU = 4, RL = 2 кОм, CL = 10 пФ)

Рис. 9. Временная диаграмма функционирования ИС в схеме неинвертирующего усилителя (AU = 4, RL = 2 кОм, CL = 100 пФ)

Rail по выходу) выходные транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. На рисунках 5–9 представлены частотные зависимости параметров и временные диаграммы функционирования усилителей на основе микросхем 1259УА015 и 1259УА025.

Катушки индуктивности на токи до 10 А U.FL разъемы и pigtail cо SMA РЕКЛАМА

микросхем приведено в таблице 1, а их основные параметры – в таблице 2. Структурные схемы ИС представлены на рисунках 1–2, входной и выходной каскады – на рисунках 3–4, соответственно. Входной каскад представляет собой два биполярных комплементарных дифференциальных усилителя с объединенными входами. Объединение входов частично взаимно компенсирует входные базовые токи дифференциальных усилителей, что обеспечивает малые входные токи микросхемы. Использование на входе двух дифференциальных усилителей и небольшие номиналы нагрузочных резисторов обеспечивает нормальную работу входного каскада в диапазоне входных напряжений от «плюс питания» до «минус питания» (Rail-to-Rail). Выходной каскад, построенный по двухтактной комплементарной схеме, содержит схему защиты от перегрузки по току. Для уменьшения искажений выходной каскад работает в классе AB с заметным начальным током, а для увеличения максимально возможного выходного напряжения (Rail-to-

электронные компоненты №05 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 6. Частотная зависимость спектральной плотности приведенного к входу шумового тока

89

Новинки месяца.

Редакционный обзор

Предлагаем читателям обзор новинок за прошедший месяц с момен‑ та выхода в свет журнала «Электронные компоненты» № 4, 2020 г. В новый обзор вошли наиболее интересные, на наш взгляд, изделия. Рассматривается продукция только тех компаний, которые широко представлены на российском рынке. При перечислении параметров ука‑ зываются их типовые значения.

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ROHM. Микрофонные усилители BD783xxEFJ-M. Структурная схема усилителя представлена на рисунке 1. Основные параметры BD783xxEFJ-M: –– напряжение питания: 5 В; –– выходная мощность (макс.): 1,2 Вт; –– ток собственного потребления: 2,5 мА;

–– –– –– –– –– ––

ток потребления в режиме останова: 0,1 мкА; суммарное искажение и шум: 0,05%; шум: 15 мкВ (СКЗ); коэффициент усиления: 6–26 дБ; диапазон рабочей температуры перехода: –40…85°C; корпус: HTSOP-J8. ДАТАКОМ

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Analog Devices. Серия 4‑канальных гальванических развязок ADuM64420/64421/64422 с встроенным DC/DC-пре­обра­ зователем с низким уровнем излучения электромагнитных помех. Структурная схема развязки показана на рисунке 2.

–– напряжение питания: 5 В; –– скорость передачи данных (макс.): 100 Мбит/с; –– задержка распространения сигнала: 10 нc; –– искажение ширины импульса: 1 нс; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ); –– устойчивость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C: –– корпус: SOIC‑28.

Рис. 1. Структурная схема усилителя BD783xxEFJ-M

Dialog. Трансивер CCE4503 интерфейса IO-Link. Схема включения трансивера приведена на рисунке 3. Основные параметры CCE4503: –– диапазон напряжения питания: 7–36 В; –– ток канала: 250 мА; –– импульсный ток канала: 350 мА; –– время нарастания/спада фронта по уровню 20–80%: 869 нс; –– регулируемая длительность нарастания фронта; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: DFN‑10.

90

Рис. 3. Схема включения трансивера CCE4503

Рис. 2. Структурная схема развязки ADuM64420/64421/64422

www.elcomdesign.ru

Diodes. Мультиплексор/демультиплексор PI3L2500 2.5/10 Gigabit Ethernet LAN. Структурная схема мультиплексора приведена на рисунке 4. Основные параметры PI3L2500 2.5/10: –– диапазон напряжения питания: 3,0–3,6 В; –– полоса частот: 3 ГГц; –– поразрядная асимметрия: 200 пс; –– проникновение из канала в канал: –53 дБ при 400 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: TQFN‑42.

–– мертвое время: 32–250 нс, устанавливается внешним резистором; –– время нарастания фронта: 18 нс; –– время спада фронта: 16 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…150°C; –– корпус: MSOP‑12.

Рис. 6. Схема включения драйвера LTC7060

Рис. 4. Структурная схема мультиплексора PI3L2500 2.5/10

Рис. 7. Схема включения драйвера 1EDN7550

ON Semiconductor. N‑канальный ключ. Безопасная область работы ключа приведена на рисунке 8. Основные параметры SiC FET NTBG020N120SC1:

Рис. 5. Структурная схема модуля Sky66405-11 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Analog Devices. Полумостовой драйвер с плавающей землей LTC7060. Схема включения драйвера показана на рисунке 6. Основные параметры LTC7060: –– напряжение полумоста (макс.): 100 В; –– диапазон напряжения питания: 6–14 В;

Рис. 8. Безопасная область работы ключа NTBG020N120SC1

электронные компоненты №05 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Skyworks. Беспроводной интерфейсный модуль Sky66405–11. Структурная схема модуля приведена на рисунке 5. Основные параметры Sky66405–11: –– диапазон напряжения питания: 1,7–3,6 В; –– выходная мощность: 13 дБм; –– ток потребления при максимальной выходной мощности: 16 мА; –– коэффициент шума: 2 дБ; –– коэффициент стоячей волны: 10:1; –– диапазон рабочей температуры: –40…105°C; –– корпус: MCM.

Infineon. Драйверы затвора 1EDN7550 и 1EDN8550 семейства EiceDRIVE. Схема включения драйвера приведена на рисунке 7. Основные параметры драйверов: –– диапазон напряжения питания: 4,5–20 В; –– задержка распространения:45 +10/–7 нс; –– время нарастания/спада: 1 нс при емкости нагрузки 200 пФ; –– ширина импульса (мин.): 25 нс при емкости нагрузки 1,8 нФ; –– синфазное напряжение в статическом режиме: –84…72 В; –– синфазное напряжение в динамическом режиме: ±150 В; –– диапазон рабочей температуры: –40…150°C; –– корпус: SOT‑23.

91

–– н о р м и р у е м о е н а п р я ж е н и е сток–исток: 1200 В; –– продолжительный ток стока: 98 А; –– импульсный ток (макс.): 392 А; –– неповторяющийся импульсный ток: 807 А; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C: –– сопротивление открытого канала: 20 мОм; –– суммарный заряд затвора: 220 нКл; –– время задержки включения: 25 нс; –– время нарастания: 46 нс; –– время задержки выключения: 25 нс; –– время спада: 11 нс; –– температура перехода: –55…175°C; –– корпус: D2PAK‑7L. ИСТОЧНИКИ, МОДУЛИ ПИТАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

C U I I N C . D C / D C - п р е о б р а­з о ­ ватель VXO078–500‑M (рис. 9). Основные параметры VXO078–500‑M:

Рис. 10. Схема включения преобразователя AP62600

–– рабочая частота: 400–1200 кГц; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– размер: 54,5×228×40 мм.

Murata. Семейс тво АC /DC- пре ­ образователей PQU650 (рис. 11). Основные параметры преобразователей:

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 9. DC/DC-преобразователь VXO078-500-M

92

–– диапазон входного напряжения: 4,75–36…19–36; –– диапазон выходного напряжения: 3,3–15 В; –– выходной ток (макс.): 0,5 А; –– выходная мощность: 1,65–7,5 Вт; –– пульсации выходного напряжения (пик–пик): 50 мВ; –– линейная регулировочная характеристика: ±0,4%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: ±0,3%; –– КПД: 80–95%; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– размер: 12,5×13,5×3,5 мм.

Diodes. DC/DC-преобразователь AP62600. Схема включения преобразователя приведена на рисунке 10. Основные параметры AP62600: –– диапазон входного напряжения: 4,5–18 В; –– диапазон выходного напряжения: 0,6–7 В; –– длительный выходной ток: 6 А; –– сопротивление открытого канала верхнего плеча: 36 мОм; –– сопротивление открытого канала нижнего плеча: 14 мОм;

www.elcomdesign.ru

Рис. 11. Семейство АС/DC-преобразователей PQU650

–– диапазон входного напряжения: 90–264 В;

–– диапазон выходного напряжения основного канала: 12–54 В; –– в ы х о д н о е н а п р я ж е н и е / т о к дву х вспомогательных каналов: 5 В/0,5 А и 12 В/0,6 А; –– выходная мощность: 650 Вт при 50°C; –– КПД: до 95%; –– линейная и нагрузочная характеристики: ±5%; –– электрическая прочность изоляции: 4 кВ (СКЗ); –– электробезопасность: 2 ×МОРР; –– диапазон рабочей температуры: –30…70°C; –– размер: 101,6×152,4×42,8 мм.

Power Integrations. Квазирезонансный обратноходовой преобразователь семейства InnoSwitch3‑MX с силовым GaNFET, выполненным по технологии PowiGaN. Схема вк лючения преоб разователя приведена на рисунке 12. Основные параметры преобразователя:

Рис. 12. Схема включения преобразователя InnoSwitch3-MX

–– напряжение (макс.): 650, 724 и 750 В; –– продолжительная выходная мощность (ном.): 18–75 Вт; –– выходной ток (макс.): 0,75–3,4 А при емкости нагрузки 4,7 мкФ; –– рабочая частота (макс.): 132 кГц; –– электрическая прочность изоляции: 4 кВ АС; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…150°C: –– корпус: InSOP‑24D. TDK-Lambda. Семейство DC/DC-пре­ образователей PH-F280 (рис. 13). Основные параметры PH-А280: –– диапазон входного напряжения: 200–425 В; –– выходной ток (макс.): 1,1–60 А; –– диапазон выходной мощно с ти: 50–600 Вт; –– диапазон выходного напряжения: 3,3–48 В; –– линейная регулировочная характеристика: 10–96 мВ; –– нагрузочная регулировочная характеристика: 10–96 мВ; –– диапазон пульсации выходного напряжения: 100–400 мВ; –– КПД: до 93%; –– диапазон рабочей температ уры платы основания: –40…100°C; –– размер: 37,2×12,7×58,3 мм.

Vicor. Семейство ZVS DC/DC-пре­ образователей PI37xx. Схема включения преобразователя приведена на рисунке 15. Основные параметры PI37xx: –– диапазон входного напряжения: 16–34…8–60 В; –– диапазон выходного напряжения: 12–34…10–50 В; –– диапазон выходной мощности: 140– 200 Вт; –– КПД: свыше 98% при рабочей частоте более 800 кГц;

Рис. 14. Схема включения преобразователя LM5181

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

TI. Обратноходовой DC/DC-пре ­ образователь LM5181. Схема вк лючения преобразователя приведена на рисун­к е 14. Основные параметры LM5181: –– диапазон входного напряжения: 4,5–65 В; –– выходной ток (макс.): 0,7 А; –– регулирование по первичной стороне; –– погрешность поддержания выходного напряжения: ±1,5%; –– сопротивление открытого канала встроенного ключа: 0,4 Ом; –– рабочая частота (макс.): 350 кГц; –– время открытого состояния ключа (мин.): 140 нс; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…150°C; –– корпус: WSON‑8.

Рис. 13. Семейство DC/DC-преобразователей PH-F280

93

Рис. 15. Схема включения преобразователя PI37xx

Рис. 16. Зависимость индуктивности дросселя от тока

электронные компоненты №05 2020

–– допускается параллельное включение; –– диапазон рабочей температуры: –40…115°C; –– корпус: BGA SiP. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Рис. 17. Зависимость индуктивности дросселя от тока

Рис. 18. Электромагнитное реле G9TA

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 19. Электролитические конденсаторы серии FN

Bourns. Семейс тво чип дроссе лей серии СС322522 А. Зависимость индуктивности дросселя от тока при различных температурах приведена на рисунке 16. Основные параметры СС322522 А: –– значение индук тивнос ти (ном.): 1–100 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±10%; –– добротность: 8–20; –– сопротивление DCR: 0,156–9,0 Ом; –– максимальный ток дросселя из условия насыщения: 0,15–1,35 А; –– собственная резонансная частота: 8–100 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –40…150°C; –– размер: 2,9×3,2×2,5 мм.

Coilcraft. Экранированные дроссели семейства XGL4030. Зависимость индуктивности дросселя от тока приведена на рисунке 17. Основные параметры XGL4030: –– значение индуктивности (ном.): 0,13– 12,0 мкГн; –– сопротивление DCR: 1,5–78,5 мОм; –– собственная резонансная частота: 17–265 МГц; –– максимальный ток из условия насыщения при уменьшении индуктивности на 30%: 2,7–26,5 А; –– ток из условия нагрева на 40°C (макс.): 3,4–27 А; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– размер: 4,0×4,0×3,1 мм.

Omron. Электромагнитное реле G9TA (см. рис. 18). Основные параметры реле: –– напряжение катушки: 12 В DC; –– ток катушки: 83 мА; –– сопротивление катушки: 145 Ом; –– нормируемый ток контактов: 60 А при 250 В АС; –– сопротивление контакта 2 мОм; –– механическая износос тойкос ть: 100 тыс. циклов; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C.

94

Рис. 20. Электролитические конденсаторы с жесткими выводами (Snap-In) серии 257 PRM-SI

www.elcomdesign.ru

Panasonic. Алюминиевые электролитические конденсаторы серии FN (рис. 19). Основные параметры серии: –– значение емкости (ном.): 10–1800 мкФ; –– отклонение емкости от номинального значения: ±20%; –– нормируемое значение напряжения: 6,3–100 В;

–– –– –– –– –– ––

сопротивление ESR: 0,8–1,35 Ом; диапазон тока пульсации: 90–670 мА; тангенс угла потерь: (0,16–0,26)∙10–3; пиковый ток (макс.): 150–2125 А; диапазон рабочей температуры: –55…105°C; размер: 6,3×6,1…18,0×21,8 мм.

Vishay. Электролитические конденсаторы с жесткими выводами (Snap-In) серии 257 PRM-SI. На рисунке 20 показана номограмма для определения умножающего коэффициента для расчета срока службы при разных условиях эксплуатации. Основные параметры серии 257 PRM-SI: –– значение емкости (ном.): 56–3300 мкФ; –– отклонение емкости от номинального значения: ±20%; –– нормируемое напряжение: 200–500 В; –– термическая стойкость: 5000 ч при 85°C; –– нормируемый ток пульсации на частоте 100 Гц: 0,67–4,18 А; –– сопротивление ESR на частоте 10 Гц: 63–2618 мОм; –– диапазон рабочей температуры перехода: –40…85°C; –– размер: 22×25…35×60 мм.

STMicroelectronics. Синфазные ЭМП-фильтры ECMF04– 4HSWM10Y со встроенной ESD-защитой (см. рис. 21). Основные параметры фильтров: –– ослабление синфазного сигнала: • –13 дБ при 0,7 ГГц; • –24 дБ при 1,5 ГГц; • –30 дБ при 2,4 ГГц; • –26 дБ при 2,7 ГГц; • –16 дБ при 5,0 ГГц;

Рис. 21. Схема синфазного ЭМП-фильтра ECMF04-4HSWM10Y

–– –– –– –– –– ––

VRM: 3 В; контактный электростатический разряд: 8 кВ; воздушный электростатический разряд: 15 кВ; нормируемый ток: 100 мА (СКЗ); диапазон рабочей температуры: –55…125°C; корпус: QFN‑10L.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ИТ-бизнес может стать убыточным |

https://russianelectronics.ru

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Во II кв. 2020 г. российская отрасль информационных технологий может стать убыточной, прогнозирует Минкомсвязи. Это следует из письма, направленного ведомством в аппарат правительства и Минэкономразвития. Чистая прибыль компаний, работающих в сфере информационных технологий, в апреле–июне может снизиться до нуля, а выплаты процентов по кредитам и другие отчисления приведут к тому, что этот показатель станет отрицательным, предупреждают чиновники. По расчетам Минкомсвязи, если правительство не одобрит ранее предложенные меры по поддержке отрасли, по итогам 2020 г. прибыль ИТ-компаний сократится на 30 млрд руб. и составит 93 млрд руб. При этом средняя численность ИТ-специалистов снизится во втором полугодии 2020 г. на 27 тыс. и вернется к докризисному уровню только к 2024 г. Накануне IDC опубликовала отчет, согласно которому глобальные затраты на информационные технологии в 2020 г. снизятся на 5,1% в денежном выражении. На 3,4% (до 4 трлн долл.) снизятся расходы на ИКТ (телекоммуникационные услуги и бизнес-сервисы), на 0,8% – затраты на телекоммуникации.

95

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| «Росэлектроника» разработала микроэлектронные компоненты для умных систем |

Холдинг «Росэлектроника» Госкорпорации Ростех разработал новое поколение резонаторов на поверхностных поперечных волнах (STW), которые могут использоваться в системах телекоммуникаций и идентификации. Особенность разработки – высокая добротность, высокие рабочие частоты вплоть до СВЧ и меньшие размеры. Новая линейка резонаторов, созданная омским НИИ приборостроения (входит в «Росэлектронику»), предназначена для стабилизации частоты в маломощных передающих и приемных устройствах диапазона 240–1000 МГц для повышения качества связи.

STW-резонаторы и генераторы на их основе также широко используются в высокоточных системах навигации, беспроводных дистанционных датчиках, в т.ч. для химического и биологического анализа. Генераторы на основе STW-резонаторов имеют высокую добротность, низкие шумы и небольшое потребление по сравнению с традиционными кварцевыми генераторами. У генераторов на основе STW-резонаторов – меньше размеры, а диапазон рабочей частоты расширен по сравнению с обычными генераторами на поверхностных акустических волнах (ПАВ). https://russianelectronics.ru

электронные компоненты №05 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И С И С Т Е М Ы

Новые компоненты

Новые модели осциллографов серии UXR от Keysight

96

Компания Keysight Technologies заявила о начале выпуска новых моделей осциллографов UXR0051AP Infiniium. Приборы этой серии работают во временной области как осциллографы реального времени с полосой пропускания 5 ГГц, а в частотной области – как анализаторы спектра с диапазоном частот до 110 ГГц, обеспечивая высокую скорость, пригодность и гибкость анализа широкополосных сигналов. Основные особенности и преимущества новой модели: -- высокий отображаемый средний уровень шума (–158 дБм/Гц) в диапазоне 28–85 ГГц; -- возможность непосредственного измерения широкополосных сигналов с полосой анализа до 10 ГГц при несущей частоте до 110 ГГц; -- доступно обновление с помощью лицензионного ключа для разблокировки возможности анализа двух независимо настраиваемых фазово‑когерентных каналов для измерения сигналов антенн MIMO (Multiple Input Multiple Output); -- АЦП высокого разрешения (10 бит) со специализированной 16‑бит ПЛИС позволяет выводить данные с помощью технологии понижающего цифрового преобразования (DDC) с квадратурной модуляцией (I/Q); -- частота выборки 256 Гвыб/с в режиме реального времени при частоте комплексной выборки 3200 Мвыб/с позволяет проводить измерения в диапазоне 110 ГГц при ширине полосы анализа 2,16 ГГц по методу DDC. Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies И С ТОЧ Н И К И И М ОДУЛ И П И ТА Н И Я

Новое семейство микросхем для автомобильной электроники от Maxim Integrated Products В состав MAX25601A/B/C/D входит контроллер синхронного повышающего преобразователя, к выходу которого подключен контроллер синхронного понижающего драйвера светодиодов. Диапазон входного напряжения повышающего контроллера 4,5–40 В идеально подходит для автомобильных приложений. Фактически, этот контроллер служит предварительным повышающим регулятором для второго каскада микросхемы – понижающего контроллера светодиодов. Синхронный повышающий преобразователь работает в режиме управления по току дросселя и включается параллельно другому устройству для увеличения выходной мощ-

www.elcomdesign.ru

ности. Вывод SYNCOUT, предназначенный для управления выводом RT/SYNCIN другого устройства, позволяет организовать противофазную синхронизацию двух микросхем, работающих параллельно. Частота переключения повышающего преобразователя программируется в диапазоне 200 кГц…2,2 МГц. Для снижения уровня электромагнитных помех был расширен спектр сигнала синхронизации. Внутренняя схема мягкого запуска с цифровым управлением обеспечивает плавное нарастание напряжения на понижающем выходе. К функциям безопасности относится пульсирующий режим, защита от повышенного напряжения и отключение при перегреве кристалла. В синхронном понижающем котроллере светодиодов используется запатентованная архитектура F3 от Maxim – схема управления по среднему току, позволяющая регулировать ток дросселя на постоянной рабочей частоте без частотной коррекции. Ток дросселя измеряется в истоке нижнего n‑канального MOSFET синхронного выпрямителя. Устройство работает в диапазоне входного напряжения 4,5–65 В на частоте переключения до 1 МГц. Имеется возможность аналогового и ШИМ-регулирования яркости. Оба контроллера имеют драйверы затворов верхнего и нижнего плечей, отдающие и принимающие пиковые токи не менее 1 А. Адаптивная логика контроля перекрытия защищает от сквозных токов при переходных процессах. Аварийные режимы повышающего и понижающего преобразователей индицируются сигналом на выходе FLT с низким активным уровнем. Микросхемы MAX25601A/C выпускаются в 32‑контактных корпусах SWTQFN, а MAX25601B/D – в 28‑выводных корпусах TSSOP. 32‑контактный корпус имеет дополнительный вывод, который используется для переключения между дальним и ближним светом фар, а также в приложениях по управлению индикатором на лобовом стекле.

Maxim Integrated Products www.maximintegrated.com Дополнительная информация: см. Симметрон, группа компаний Новый DC/DC-преобразователь 270/28 В DCM5614 от Vicor с выходной мощностью 1300 Вт и КПД 96% Компания Vicor анонсирует DC/DC-преобразователь с гальванической развязкой 270/28 В DCM5614 с регулируемым выходным напряжением и номинальной выходной мощностью 1300 Вт в корпусе VIA размером 142,2×35,6×9,4 мм. Обеспечивая крайне высокую удельную мощность 451 Вт/дюйм 3 при весе 178 г, этот преобразователь предназначен для современных бортовых беспилотных систем, у которых удельная мощ-

ность, вес и эффективность являются критически важными параметрами. Благодаря тому, что КПД этого преобразователя равен 96%, потери очень малы, а инновационный планарный корпус VIA с отличным теплоотводом позволяет применить много разных способов охлаждения для обеспечения оптимального теплового режима. Модули могут включаться параллельно, что позволяет повысить мощность, или последовательно, если требуется увеличить выходное напряжение.

Vicor www.vicorpower.com Дополнительная информация: см. ЭФО

Встроенное ПО Soteria-G2, предназначенное для совместного использования с МК CEC1712, ускоряет реализацию безопасной загрузки, упрощая разработку кода и снижая риски. Эта микропрограмма использует постоянный безопасный загрузчик МК CEC1712, реализованный в ПЗУ в качестве системного корня доверия. Безопасный загрузчик CEC1712 загружает из внешней флэшпамяти с SPI-интерфейсом, дешифрует и аутентифицирует встроенное ПО для работы на микроконтроллере CEC1712. Далее подтвержденный код CEC1712 аутентифицирует эту микропрограмму для первого прикладного процессора. В случае двух прикладных процессоров каждый из них поддерживается двумя компонентами флэш-памяти. Компании Microchip или Arrow Electronics осуществляют предварительную регистрацию специфичных для клиента данных. Это безопасное решение от производителя позволяет избежать вредоносных воздействий и фальсификации. В результате клиенты получают возможность не только сэкономить несколько месяцев разработки, но и значительно сократить накладные расходы, отказавшись от услуг регистрации, которые предоставляются сторонними компаниями или сертифицирующими органами.

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить в AО «Компонента» П АСС И В Н Ы Е КОМПОНЕНТЫ

М И К Р О КО Н Т Р ОЛ Л Е Р Ы

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

Компания HIROSE Electric Co., ведущий мировой производитель соединителей, представила силовые разъемы серии HVH‑280, предназначенные для использования в автомобильной промышленности. Конструкция розетки этих низкопрофильных разъемов обеспечивает трехточечный контакт под высоким давлением, позволяя работать с токами до 30 А. Имеются два варианта разъемов – водонепроницаемые и негерметичные. Разъемы изготавливаются из термостойких материалов, благодаря чему они могут эксплуатироваться в условиях повышенной температуры. Водонепроницаемые соединители выдерживают температуры до 120°C, негерметичные – до 125°C. Благодаря высокой термостойкости разъемы соответствуют жестким требованиям стандартов автомобильной промышленности. Наряду с высокой термостойкостью, конструкция соединителей серии HVH‑280 гарантирует надежную установку контактов и хорошую виброустойчивость. Негерметичные обжимные контакты надежно удерживаются, даже если разъем вставлен только частично. Двойной замок предотвращает ослабление контактов при натяжении кабеля, что снижает воздействие

электронные компоненты №05 2020

Новые компоненты

Microchip Technology анонсирует новый криптографический микроконтроллер CEC1712 со специализированным встроенным ПО Soteria-G2, которые совместно обеспечивают защиту от руткитов и буткитов систем, загружающихся из внешней флэш-памяти с интерфейсом SPI. Специализированное встроенное ПО Soteria-G2 компании Microchip, работающее на полнофункциональном МК CEC1712 на базе ядра Arm Cortex-M4, предоставляет безопасную загрузку с аппаратной защитой корня доверия в режиме предварительной загрузки для тех операционных систем (ОС), которые загружаются из внешней флэш-памяти с SPI-интерфейсом. Кроме того, МК CEC1712 обеспечивает защиту от отмены действия ключа и от возврата к прежнему коду в течение всего срока службы, благодаря чему безопасные обновления устанавливаются на месте эксплуатации. В соответствии с требованиями NIST 800–193, микроконтроллеры CEC1712 защищают, обнаруживают и исключают повреждения, обеспечивая отказоустойчивость встроенного ПО на системной платформе. Безопасная загрузка с использованием аппаратного корня доверия защищает систему от вредоносного кода, т. к. осуществляется только с помощью доверенного ПО от производителя, прежде чем вредоносный код сможет проникнуть в ОС.

Надежные термостойкие (до 125°C) силовые низкопрофильные разъемы серии HVH‑280 от HIROSE Electric

97

вибрации и обеспечивает надежное стабильное соединение. В корпусе водонепроницаемых соединителей предусмотрена специальная исключающая смещения ребристая структура, увеличивающая их устойчивость к вибрации. Основные характеристики: –– количество контактов: -- водонепроницаемые: 3; -- негерметичные: 2 силовых или 2 сигнальных; –– шаг: -- водонепроницаемые: 9,5 мм; -- негерметичные: 6,5 мм; –– ток (ном.): 30 А; –– напряжение (ном.): 600 В (AC/DC); –– размер провода: 12–14 AWG; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C (для водонепроницаемых: 120°C); –– ресурс: 30 циклов сочленения/расчленения; –– защита от прикосновения: согласно стандарту JIS S 0920 (только водонепроницаемые модели). Соединители могут использоваться в преобразователях, инверторах, нагревателях с положительным температурным коэффициентом, встроенных зарядных устройствах, распределительных платах, контроллерах управления роботами.

HIROSE Electric www.hirose.com Дополнительная информация: см. Симметрон, группа компаний

Keysight Technologies

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

«Компонента», АО

125212, г. Москва, ул. Выборгская, д. 16, стр. 4, оф. 203 Б тел.:8 (495) 150–2-150 info@komponenta.ru www.komponenta.ru

«Симметрон», группа компаний

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

ЭФО

194100, г. С.-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15 А бизнес-центр «Аквилон», оф. 441 тел.: (812) 327–86–54 факс: (812) 320–18–19 zav@efo.ru www.efo.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Новые компоненты

| Процессор Baikal-M в сравнении с процессорами Intel |

98

Первое независимое тестирование нового российского мобильного процессора Baikal-M позволяет говорить о том, что он обладает производительностью на уровне современных зарубежных чипов начального сегмента, в частности сходных по базовым параметрам процессоров Atom E3940 и Core i3 7300T лидера отрасли – компании Intel. К таким выводам пришла лаборатория Zoom.Cnews, получившая в свое распоряжение отечественный чип от разработчика «Байкал электроникс». Процессор Baikal-M, в отличие от первого чипа этой компании, реализован на архитектуре ARM. Для оценки производительности Baikal-M использовались алгоритмы, которые применяются в реальных прикладных программах и позволяют определить производительность центрального процессора на целочисленных операциях и операциях с плавающей запятой, пропускную способность и время доступа к памяти, производительность графического сопроцессора, эффективность работы веб-браузера (JavaScript). Кроме того, были проведены комплексные и прикладные тесты производительности.

Baikal-M проигрывает зарубежным конкурентам при операциях с памятью и кэшами (тест LMbench), при работе JavaScript-движков, оперирующих кодом ресурсоемких веб-проектов (тест Octane 2.0), а также при работе PHPинтерпретатора, движка SQLite и парсера Python (тест Phoronix Test Suite). В то же время Baikal-M значительно превзошел Intel Atom E3940 и был близок к Intel Core i3 7300T на синтетическом тесте производительности целочисленной арифметики CoreMark, который, в частности, осуществляет обработку связных списков и матриц, а также определяет, что входной символьный поток содержит действительные числа в десятичной записи и т. д. Сходный результат дал тест 7‑Zip. На операциях сжатия, скорость которых в значительной мере зависит от быстродействия операций с памятью и кэшами, Intel Core i3 7300T чуть вырвался вперед, но в распаковке данных Baikal-M стал безоговорочным лидером.

Baikal-M обогнал конкурентов на тесте производительности графического процессора для OpenGL ES (тест glmark2). Однако неожиданностью стало то, что российский процессор превосходит Intel Core i3–7300T по эффективности обработки чисел с плавающей запятой в тесте HPLinpack 2.2. Результаты этого теста для Baikal-M были получены лабораторией для пробной версии проприетарного компилятора и пакета линейной алгебры Arm HPC tools, а для Intel – с использованием компилятора gcc и открытой библиотеки Atlas. Браузерный бенчмарк SunSpider установил средние показатели Baikal-M в сравнении с процессорами Intel. Процессор Baikal-M представляет собой систему-на-кристалле, выпускаемую по техпроцессу 28 нм, основу которой составляют восемь 64‑бит ядер ARM Cortex-A57 (ARMv8‑A; четыре кластера по два ядра) с частотой до 1,5 ГГц и восьми­ядерный графический процессор Mali-T628 с частотой до 700 МГц. Объем кэша третьего уровня (L3) – 8 Мбайт. Параметры оперативной памяти: 2 × DDR3/DDR4–2133 64 bit DRAM, ECC. Заявленное энергопотребление – менее 30 Вт. https://russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА