РЫНОК8 Время ответить на вызов

10, 31, 39, 41, 56 События рынка

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

11 Андрей КолпаковMiniSKiiP® IPM — новая архитектура интеллектуаль-ных модулей средней мощности

15 оптопары для поддержки мощных импульсных пре-образователей с высокой скоростью переключения

17 Пол Гринлэндразработка системы питания устройства с исполь-зованием POL-преобразователей

20 Мэтью Рено, Ивз Ганьонимпульсные бездроссельные стабилизаторы избавляют от необходимости использовать дорого-стоящие внешние компоненты

25 Джон Беттеннакачка и сброс — больше энергии, чем вы ожи-дали!

28 Цезаре Боккиолаоптимизация схемы повышающего преобразовате-ля с коррекцией коэффициента мощности

32 Арефин Мохаммедразвитая логика управления повышает эффектив-ность возобновляемых источников энергии

35 Владимир Бродин, Игорь БулатовМодуль TE-STM32F103 — встраиваемое решение на основе микроконтроллера с ядром Cortex-M3

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP40 технология nanoWatt компании Microchip

журн

ал дл

я раз

рабо

тчи

ков

Элек

трон

ные

ком

поне

нтыРуководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва;

редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; Марина Лихинина; распространение и подпис ка: Юрий Гонцов; Елена Кислякова; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Иван ПокровскийАдрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua

Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис поль зо ва ние ма те ри а лов воз мож но толь ко с со гла-сия ре дак ции. При пе ре пе чат ке ма те ри а лов ссыл ка на жур нал «Эле к трон ные ком по нен ты» обя за тель на. От вет ст вен ность за до сто вер ность ин фор ма ции в рек лам ных объ яв ле ни ях не сут рек ла мо да те ли.

Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143.

Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Стратим».

содержание

№6/2009

www. elcp.ru

4

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

www. elcp.ru

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

42 Виктор ЕжовСтандартизация и расчет тепловых характеристик мощных светодиодов

49 Иван СыроваткинМощные светодиоды High Power Lighting

ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ

51 Юрий Никитин, Сергей Дмитриевновый радиочастотный синтезатор частот с дроб-ным коэффициентом деления ADF4193

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА и СИСТЕМЫ

57 Хелен Бёрни, Дж. О’РиорданСканер импеданса для контроля свёртывания крови

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА

59 Екатерина СамковаУвеличение ресурсов сети

61 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

5

Электронные компоненты №6 2009

contents # 6 / 2 0 0 9

E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 09 #6

MARKET8 Time to Accept Challenge

10, 31, 39, 41, 56 MArKET EvEnTS

POWER ICs

11 Andrey KolpakovMiniSKiiP® IPM — new Architecture of Intellectual Mean Power Units

15 Optocouplers Support High Power, High Speed Switching Inverters

17 Paul GreenlandDevelopments in Point of Load regulation

20 Mathieu Renaud and Yves Gagnon Inductorless Switching regulators Eliminate Costly External Component

25 John BettenPump and Dump — Delivering More Power Than You Thought Possible!

28 Cesare BocciolaOptimizing PFC Boost Converter Design

32 Arefeen MohammedControl Intelligence Improves renewable Energy Efficiency

35 Vladimir Brodin and Igor’ BulatovTE-STM32F103 Unit As a Cortex-M3 MCU-based Embedded Solution

MCU and DSP40 nanoWatt Technology from Microchip

LIGHTING and OPTOELECTRONICS

42 Victor EzhovOn the Standardization of Thermal Characterization of LEDs

49 Ivan SyrovatkinPowerful LEDs from High Power Lighting

WAVEFORM GENERATORS AND SYNTHESIZERS

51 Uriy Nikitin and Sergey Dmitrievnew ADF4193 rF Synthesizer with Fractional Division ratio

TEST and MEASUREMENT

57 Helen Berney and J.J. O'RiordanImpedance Measurement Monitors Blood Coagulation

THEORY and PRACTICE

59 Yekaterina SamkovaSpread Spectrum

61 NEW COMPONENTS AT THE RUSSIAN MARKET

6

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

www. elcp.ru

21 Agilent Technologies Inc.

7 EEMB

4-я обл. International rectifier Москва Ir/ компэл

2 Microchip Technology Corp.

19 александер Электрик Дон, ооо

34 альбатрос Электроникс, ооо

31 Гранит-Вт Зао Спб

13 компэл, Зао

2-я обл. Мт-Систем, ооо

19 МЭЛт, ооо

4 резонит, ооо

48 реом СПб, Зао

3-я обл. Симметрон, Зао

16 СМП, ооо

37 терраэлектроника, ооо

1, 29 Элтех, ооо

Компании:ПРОИзВОДИтЕ лИ, ДИС тРИБьЮтОРы, ПОС тАВщИКИ

Дополнительные материалыНА КОМПАК т-ДИСКЕ

к статье «разработка системы питания устройства с использованием POL-преобразователей»

Техническая документация на SC417

Paul Greenland. Developments in Point of Load Regulation

Imlementing point-of-load power architectures: An overview of recent products and technologies

John Tucker. How to fine tune Point-of-Load regulation in Digital TVs

к статье «импульсные бездроссельные стабилизаторы избавляют от необходимости использовать дорого-стоящие внешние компоненты»

Моделирование и анализ модуляции с пропуском импульсов

Определение и расчет PSRR

к статье «оптимизация схемы повышающего преобразо-вателя с коррекцией коэффициента мощности»

Техническая документация на транзистор IRGP4068D

Указания по применению микросхемы IR1150 и описание демонстрационной платы IRAC1150-300W

Cesare Bocchiola. Optimizing PFC Boost Converter Design.

P. Ram Mohan, M. Vijaya Kumar, O. V. Raghava Reddy. Simulation of a Boost PFC Converter with Electro Magnetic Interference Filter // International Journal of Electrical Systems Science and Engineering

к статье «Стандартизация и расчет тепловых характери-стик мощных светодиодов»

Стандарт EIA/JEDEC JESD51.1

Техническое описание тестового оборудования TeraLED компании Mentor Graphics

Andras Poppe, Clemens J.M. Lasance. On the Standardization of Thermal Characterization of LEDs

Cathy Biber. Effect of Thermal Environment on LED Light Emission and Lifetime OSTAR®-Lighting Application Note, OSRAM

Opto Semiconductors GmbH

LEW E3A Datasheet, OSRAM Opto Semiconductors GmbH

Thermal Management of OSTAR® Projection Light Source Application Note, OSRAM Opto Semiconductors

Understanding Power LED Lifetime Analysis, Philips Lumileds White Paper

к статье «новый радиочастотный синтезатор частот с дробным коэффициентом деления ADF4193»

Рис. 7–14

Табл. 4–14

к статье «Увеличение ресурсов сети»

J. Meel. Spread spectrum. Introduction

J. Meel. Spread spectrum. Applications

8

РЫ

НО

К

www. elcp.ru

После того как рынок электронных компонентов резко «просел» в начале кризиса, наступил своего рода период стабилизации. Падение продаж остановилось на уровне 30—50%, и теперь от этого нового уровня изме-ряются новые удачи и неудачи поставщиков. Произошли серьезные изме-нения в политике закупок, в работе с клиентами, в кадровой политике дистрибьюторов. Вместе с тем, кризис стал стимулом для развития новых направлений и сервисов. О позитивных возможностях в период кри-зиса мы поговорили с Евгением Левиным, президентом компании Rainbow Technologies.

ВРемя ОтВетить На ВЫзОВ

— Компания Rainbow Technologies, будучи белорусской по происхожде-нию, тем не менее активно работа-ет на российском рынке и наряду с двумя другими белорусскими постав-щиками («ФЭК, «РСП») входит в двад-цатку крупнейших дистрибьюторов электронных компонентов в России. Чем, на Ваш взгляд, объясняется такая активность белорусских поставщи-ков, может быть, у них есть какие-то особые преимущества?

— Не думаю, что есть какие-то осо-бые преимущества, и не знаю исто-рии прихода на российский рынок других белорусских дистрибьюторов. Возможно, они пришли сюда уже сло-жившимися компаниями с широкими продуктовыми линейками. Наш пример другой. мы начали работать в России в 1998—99 гг., будучи монобрендовой компанией, представляющей Dallas Semiconductor. за плечами было мало опыта, и именно в России мы приоб-ретали необходимые навыки и опыт. Поэтому я не говорил бы о Rainbow Technologies как о белорусской компа-нии, пришедшей на российский рынок. Предприятие росло и формировалось в России, как любая другая российская компания с той лишь разницей, что старт был более поздним.

если же задуматься над тем, поче-му белорусские поставщики хорошо чувствуют себя на российском рынке, то этому способствуют общий опыт и отсутствие языкового барьера. К тому же, белорусский рынок электронных компонентов не имеет большой емко-сти, и для компаний, которые достиг-ли определенных высот и стремятся двигаться дальше, выход на россий-ский рынок вполне естественен: на нем больше возможностей. Кстати, есть и обратные процессы. Но далеко не все коллеги из России заинтерессованно работают в Беларуси. По той же самой причине.

Компания Rainbow Technologies, основанная в 1992 г. в Минске, специализируется на поставках импорт-ных электронных компонентов. Помимо головного офиса в Беларуси, Rainbow Technologies имеет четыре представительства в России (в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге и Новосибирске) и одно — на Украине (в Киеве). Штат компании составляет около 150 человек.

— Сегодня Rainbow Technologies известна уже как мультибрендовый поставщик электронных компонен-тов. Продукция каких производите-лей обеспечивает компании основ-ные объемы продаж?

— Да, теперь Rainbow Tech no lo-gies — это мультибрендовая компа-ния, и мы с самого начала стремились представлять интересы нескольких ведущих производителей компонен-тов. исторически сложилось, что базо-выми для нас стали два бренда — Maxim (ранее Dallas Semiconductor) как преимущественно аналоговая компания и Atmel как цифровая. При этом у нас есть прямые соглашения и с другими производителями компо-нентов, продукцию которых мы широ-ко представляем, но такого объема и уровня отношений, которые отличают сотрудничество с Maxim и Atmel, они не достигают.

— Можно ли сказать, что с самого начала своей деятельности компания Rainbow Technologies развивалась по модели проектной дистрибуции?

— если мы согласимся под терми-ном «проект» понимать и поставки компонентов под производственную программу, и содействие заказчику в решении инженерных вопросов, то Ваше предположение верно. мы никог-да не стремились быть компанией складского типа и выстраиваем свою деятельность вокруг обслуживания потребительских интересов. Когда мы говорим, что ориентируемся на кли-ентов, это свидетельствует о нашей готовности выполнять их требова-ния — поставлять широкую номенкла-туру продукции в максимально сжатые сроки. Что привлекает клиентов при выборе поставщика? Далеко не всегда только цена. Во-первых, важен произво-дитель, известность бренда, а потом — сервисы, культура обслуживания, опе-

ративность, надежность, стабильность поставок. если клиенты делают выбор в пользу продукции тех производителей, которых мы представляем, то в осталь-ном мы стараемся работать так, чтобы их не разочаровать.

— Известно, что раньше Ваша компания разрабатывала конечную продукцию (системы безопасности, системы управления доступом) и продвигала ее под брендом Rainbow Technologies. Продолжаете ли Вы совмещать дистрибуцию и разра-ботки?

— Компания создавалась инжене-рами, и дистрибуция у нас родилась из инженерных проектов: в 1992 г. мы работали над проектом платеж-ной системы и вышли на электронные карточки Dallas. Сегодня мы не просто продолжаем совмещать дистрибуцию с разработками, но и интенсивно раз-виваем это направление. В минске у нас есть инженерная группа, соб-ственное производство, где выпол-няются не только наши, но и сторон-ние заказы на монтаж печатных плат. Новые проекты рождаются на стыке инженерных увлечений и опыта дист-рибьютора: как дистрибьюторы мы видим интересные микросхемы, на основе которых можно сделать про-рывные решения; как инженеры понимаем, какими свойствами эти решения должны обладать.

Лет шесть назад мы решили занять-ся системами мониторинга транспорта, транспортной навигацией, потому что нам было интересно развивать GSM-технологии и применение GPS-систем. Сейчас разработано уже целое семей-ство подобных устройств, которые мы сами производим и реализуем потре-бителям. мы работаем в кооперации с белорусскими фирмами, разрабаты-вающими программное обеспечение, т.е. реализуем совместный продукт, в котором нам принадлежит аппарат-ное решение, а нашим партнерам — программное обеспечение. Это стало отдельным бизнесом, и в Беларуси в этом сегменте рынка мы занимаем

РЫ

НО

К

9

электронные компоненты №6 2009

лидирующие позиции среди нацио-нальных производителей.

Долгое время мы не выносили инже-нерию за пределы белорусского офиса, но в последние полтора-два года сформировались интересные проекты и в москве. московская инженерная группа Rainbow Technologies специали-зируется на выполнении заказных раз-работок. У нас всегда были инженеры, работающие по традиционной моде-ли FAE (field application engineer — инженер по применению), а недавно мы приняли на работу еще несколь-ко хороших, интересных специали-стов, которые усиливают направление разработок и позволяют расширить спектр наших предложений рынку. Основные области, в которых заказные разработки наиболее активно разви-ваются, это навигация и светотехни-ка. Светодиодная тематика — новое и очень интересное для нас направление развития.

— Тогда давайте поговорим о нем подробнее. Вы считаете, что направ-ление светотехники имеет хороший потенциал развития?

— тематикой мощных светодиодов мы занимаемся около двух лет и пола-гаем, что это станет большим и серьез-ным направлением деятельности. Свет — это перспективный, гигантский рынок, работа в этой области требу-ет высокой инженерии, я и сейчас не могу сказать, что нам все здесь легко и по нятно. Развивая это направление, мы предприняли несколько решительных шагов. Во-первых, получили дистри-буцию фирмы Cree, которая прекрасно известна в СНГ. Сейчас мы намерены выстроить продвижение продукции Cree через свои офисы. Во-вторых, совместно с «Компэл» мы создали компанию «Светотроника», которая специализируется на разработке и поставках решений для производи-телей светотехнической продукции. «Светотроника» создает специальные решения под заказ игроков рынка све-тотехники, не конкурируя с ними. Это принципиальная позиция: мы не будем

конкурировать с компаниями, которые выходят на рынок конечной продук-ции и делают лампы, светильники. мы стремимся к тому, чтобы эти компании видели в нас партнеров-поставщиков интересующих их решений, и в этом направлении мы намерены серьезно развить свои возможности. Когда мы слышим: «мы умеем делать и продавать светильники, умеем делать корпуса, оптику, сделайте нам такую «начинку», чтобы наши светильники стали свето-диодными», то понимаем, что это — клиент «Светотроники». тот, кто уже умеет работать с мощными светодио-дами, тоже интересен «Светотронике», которая обеспечит его качественными компонентами. Сейчас сформирова-но подразделение «Светотроники» в москве, есть небольшое отделение в Санкт-Петербурге, и мы думаем о соз-дании офисов в других городах.

— Не возникает ли в связи с откры-тием «Светотроники» конкуренции между нею и клиентами Rainbow Technologies?

— Разумеется, если Rainbow Tech-no lo gies и «Компэл» будут находить клиентов, заинтересованных в свето-диодах, они будут с ними работать. Но эти компании не специализиру-ются на светотехнике, в то время как «Светотроника» ориентируется на раз-витие только этого направления. ее сотрудники должны быть энергичнее в поисках клиентов, должны уметь то, что отличает высоких профессиона-лов: рассчитать, спроектировать све-тильник, обоснованно подобрать ком-поненты, спрогнозировать поведение светильника во времени — поверьте, эти навыки чрезвычайно важны. и для этого компания будет иметь необхо-димый инструмент. Кроме того, кли-енты у «Светотроники» и Rainbow Technologies/«Компэл» очень разные. Поэтому мы уверены, что у компании есть все шансы зарекомендовать себя на рынке в качестве центра компетен-ции в области светотехники.

— А как в целом Вы могли бы оха-рактеризовать уровень конкуренции

на российском рынке ЭК? В самом начале кризиса много говорили о вероятности слияний и поглощений компаний…

— Это было одно из «плановых» ожиданий, считалось, что кризис спровоцирует серьезные потрясения на рынке, но пока громких событий не произошло. С точки зрения здра-вого смысла, некоторые укрупнения, наверное, были бы полезны, но с рос-сийским менталитетом соглашаться на подобные шаги очень тяжело. Однако что-то менять призывает энергичное присутствие на россий-ском рынке глобальных дистрибью-торов, позиции которых в период кризиса должны усилиться. и вот почему. Раньше потребители компо-нентов старались планировать про-изводство и, соответственно, закуп-ки, и это позволяло им выстраивать долгосрочные отношения с предста-вителями компаний-производителей. В условиях нестабильного финан-сирования происходит смещение акцентов от долгосрочного плани-рования к аварийному. Открылось финансирование — нужно срочно получить комплектацию и начать производство. В этой ситуации гло-бальные поставщики с широкой линейкой и большим складом имеют серьезные преимущества. и они не скрывают, что в последнее время на общем фоне падения продаж у них увеличивается число запросов, причем даже на позиции, которые они раньше не поставляли. С каж-дым годом и без того активное про-движение глобальных дистрибьюто-ров усиливается. и в этом смысле локальным компаниям имеет смысл предпринять какие-то действия по выстраиванию противовесов. если бы кризис подтолкнул российских дистрибьюторов к определенным шагам в этом направлении, то, на мой взгляд, это было бы правильно, потому что рано или поздно отвечать на эти вызовы придется.

Беседовала Елизавета Воронина

Новости из мира дисплеев

| LG DispLay приступит к производству 30-дюймовых OLED-панелей для телевизоров | LG Display, входя-щая в состав LG Group, планирует приступить к производству 30-дюймовых светодиодных (OLED) панелей для телеви-зоров в 2012 г., — сообщает TradingMarkets со ссылкой на заявление главного исполнительного директора компании Квон Ян Су (Kwon Young-soo). Производство телевизионных OLED-панелей должно стать новым источником дохода компании. До конца 2009 г. планируется нанять 1,7 тыс. сотрудников для исследовательских работ и разработки OLED-технологий.

На днях компания заявила о намерении, в связи с возрастающим спросом, инвестировать 2,5 млрд. долл. в строитель-ство дополнительной линии по производству ЖК-панелей восьмого поколения в Корее. Массовое производство панелей на этой линии планируется запустить во 2-й половине 2010 г.

www.russianelectronics.ru

10

РЫ

НО

К

www. elcp.ru

события рыНка

| решения DassauLt systèmEs для повышения эффективности разработки и управления производственны-ми процессами | В недавнем отчете аналитической компании IC Insights, Inc. указано, что 17 из 20 ведущих компаний по про-изводству полупроводников используют систему ENOVIA Synchronicity DesignSync, а также PLM-решения для ускорения вывода изделий на рынок, управления расходами и совершенствования процесса вторичного использования интеллектуальной соб-ственности. Система ENOVIA Synchronicity DesignSync и PLM-решения — программные продукты компании Dassault Systèmes (DS), являющейся мировым лидером в области трехмерного проектирования и управления жизненным циклом продукта.

Система ENOVIA позволяет производителям полупроводников усовершенствовать процессы совместной разработки и внедрения стандартизации в управление производством.

Рик Стентон (Rick Stanton), директор направления «Глобальной стратегии и решений в области полупроводниковой промышленности», Dassault Systèmes, считает, что полупроводниковые компании в настоящее время испытывают острую необходимость в сокращении расходов производства и в быстром выводе на рынок инновационных решений, обладаю-щих высоким спросом на рынке. Подобные противоречивые требования могут привести к срывам сроков поставок и перерасходам ресурсов, способных погубить проект. Используя систему ENOVIA Synchronicity DesignSync, эти компании смогут не только справиться с большинством указанных затруднений, но и найти необходимый баланс между эффектив-ностью программного обеспечения и оборудования.

Решение, именуемое ENOVIA Synchronicity DesignSync Data Manager, является компонентой платформы V6 и позволяет полупроводниковым компаниям организовать полный сбор конструкторских и производственных данных в масштабе всего предприятия, оптимизировав бизнес-процессы, снизив количество ошибок и ускорив выход продуктов на рынок. Кроме того, внедряя такого рода технологии, компании могут успешнее справиться с растущей сложностью изделий, легче управлять распределенной по всему миру рабочей силой, что требует обновления данных в реальном времени, а также оптимально распределять процессы для того, чтобы управлять расширяющейся глобальной цепочкой поставок.

о компании Dassault Systèmes Dassault Systèmes — мировой лидер в области 3D- и PLM-решений (управление жизненным циклом изделия), которые позво-

ляют увеличить прибыль для более чем 100 тыс. заказчиков из 80 стран. С 1981 г. DS занимается разработкой и продажей программного обеспечения и услуг, которые помогают эффективно реализовать производственные процессы и увидеть жизненный цикл изделия от этапа его создания до утилизации в 3D.

В портфель решений Dassault Systèmes входят следующие программные продукты: CATIA для виртуального проектиро-вания продукции; SolidWorks для 3D-проектирования; DELMIA для виртуального производства; SIMULIA для виртуального тестирования; ENOVIA для взаимодействия и совместного управления бизнес-процессами и жизненным циклом изделий; 3DVIA для для создания виртуального опыта потребления.

Компания Dassault Systèmes имеет многолетний опыт сотрудничества в сфере высоких технологий и полупроводников. Решения Dassault Systèmes успешно реализованы в более чем 130 полупроводниковых компаниях, например STMicroelectronics, Nokia, ARM, Intel, Sony Ericsson и т.д.

www.3ds.com

| рентген-контроль от «абрис-технолоджи» | Компания «Абрис-Технолоджи», входящая в холдинг RCM Group (Санкт-Петербург), предлагает услугу рентген-контроля. Рентген-установка Phoenix позволяет достигать полного увеличения до 10000 крат (разрешение 0,2 мкм) при проведении рентген-контроля электронных блоков, печатных плат, BGA-компонентов и различных электронных устройств — мобильных телефонов, КПК и др. в случае, когда необходимо выявить внутренний дефект.

Услуга предоставляется по запросам клиентов, независимо от внутреннего производственного процесса. Требования к образцам: по весу — до 5 кг, по размеру — до 71×56 см. Отлаженная процедура оформления документов и приёмки продукции позволяет максимально быстро приступить к выполнению заказа, а благодаря гибкому графику работы сроч-ные заказы могут быть выполнены за 1 рабочий день. По результатам исследования заказчикам предоставляется полный протокол с описанием и фотографиями обнаруженных дефектов.

www.rcmgroup.ru

| компания WavEcOm стала частью siErra WirELEss | Завершилась сделка по приобретению компании Wavecom ведущим поставщиком бес-проводных решений корпорацией Sierra Wireless. Таким образом, Sierra включает в линию поставок своих компонентов продукцию эксперта в

области технологий коммуникаций M2M (machine-to-machine).В результате объединяются усилия двух мировых лидеров отрасли. Каких последствий могут ожидать пользователи

решений Wavecom от произошедшего события? Прежде всего, новых разработок, неординарных подходов к решению своих задач, расширения возможностей для сотрудничества с отлично зарекомендовавшим себя производителем. Неизменным останется качество и надежность компонентов, традиционно высокий уровень сервиса.

На данном этапе слияния приоритетным для руководства компаний является безопасность для текущего бизнеса и последовательность в переходе от одного названия компании к другому. Поэтому все выпускаемые продукты Wavecom продолжат свое существование под ранее известными наименованиями и тем же брендом. Все возможные изменения в продуктовой линейке будут происходить планомерно, открыто, с предварительными консультациями и последующим уведомлением самого широкого круга пользователей.

Мы всегда в курсе последних изменений и будем информировать наших партнеров о ходе событий всеми доступными способами.

Sierra Wirelesswww.sierrawireless.com

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

11

электронные компоненты №6 2009

Широкое внедрение новых технологий IGBT позволяет решить основную задачу современного рынка силовой электроники — повышение эффек-тивности преобразования энергии. Решение этой проблемы во многом облегчается при использовании интеллектуальных силовых модулей (IPM). В предлагаемой статье рассказывается о новом миниатюрном IPM [1, 2], предназначенном для построения промышленных приводов мощностью до 15 кВт. Уникальным узлом модулей серии MiniIPM является интеграль-ный драйвер, разработанный с применением технологии SOI (Silicon On Insulator), позволяющей подавить эффект защелкивания и резко повысить устойчивость схемы к наведенным перенапряжениям обеих полярностей.

MiniSKiiP® IPM — новая архитектура интеллектуальных Модулей средней МощностиАндрей КолпАКов, инженер по применению, Andrey.Kolpakov@semikron.com

на рынке маломощных применений, к которым относятся приводы с мотор-ной мощностью до 2 квт, популярность интегральных силовых модулей, вытес-няющих схемы на дискретных компо-нентах, растет лавинообразно. в отно-шении подобных устройств термин IPM в большинстве случаев означает трехфазный инвертор MOSFET/IGBT с интегральным драйвером. как правило, в таких модулях чипы припаиваются к несущей рамке с выводами, устанавли-ваемой в штампованный пластиковый корпус.

в свою очередь, интеллектуаль-ные силовые модули высокой мощно-сти строятся на базе конструктивов, содержащих керамическую изолиру-ющую плату с чипами IGBT и диодов и отдельную печатную плату схемы управления. к недостаткам подобных компонентов можно отнести сложные промежуточные соединения и невоз-можность эффективного отвода тепла, рассеиваемого элементами драйвера. оба названных решения плохо под-ходят для реализации IPM среднего диапазона мощности (3…20 квт) из-за низкой теплопроводности материалов корпусов в первом случае и трудности интеграции платы управления в мало-габаритном конструктиве во втором.

как правило, специализированные приводные модули имеют конфигура-цию CIB (Converter — Inverter — Brake); они объединяют в одном корпусе эле-менты выпрямителя, инвертора IGBT и тормозного каскада, необходимые для построения стандартного привода электромотора. Миниатюрные силовые ключи MiniSKiiP, разработанные компа-нией SEMIKRON и предназначенные для построения приводов мощностью до 30 квт, выпускаются в версиях CIB и ас (трехфазный инвертор).

высокой популярности данных ком-понентов способствует применение пружинных сигнальных выводов вместо традиционных паяных контактов, что упрощает монтаж модулей и их замену в случае необходимости. специальные испытания данного типа соединений показали их высокую устойчивость к микровибрациям и фреттингу, а также долговременную стабильность кон-тактных свойств в условиях достаточно мощных применений [4].

Технология прижимного КонТАКТА в основе конструкции выпускаемых

в настоящее время стандартных сило-вых ключей лежит медная базовая плата толщиной 2…3 мм, на которой разме-щается изолирующая керамическая DBC-пластина с чипами IGBT и диодов. База, с помощью которой производится кре-пление модуля на радиатор и осущест-вляется отвод тепла, является в то же время элементом конструкции, ограни-чивающим срок службы компонента. При изменении температуры силового ключа в сопрягающихся слоях возникают тер-момеханические напряжения, вызван-ные разницей коэффициентов теплового расширения ктр (или CTE — Coefficient of Thermal Expansion). вероятность разру-шения слоя оценивается с помощью т.н. фактора риска, являющегося произведе-нием разницы ктр на площадь контакта. самым проблемным является соедине-ние базовой платы и DBC-керамики, име-ющее наибольшую площадь. тепловые стрессы вызывают изгиб элементов кон-струкции (т.н. биметаллический эффект) и приводят к постепенному разрушению связей.

эти напряжения создаются и при про-изводстве модулей в процессе пайки керамики на базу. для их компенсации

используется технологический пред-варительный изгиб медной пластины. Правильно выбранное усилие и радиус изгиба позволяют обеспечить хорошую результирующую плоскостность основа-ния модуля и избежать образования поло-стей при установке на радиатор. однако из-за вязкопластичных свойств припоя происходит временная релаксация и постепенная деформация после пайки. компенсировать данный эффект не позво-ляют никакие технологические приемы.

анализ приведенных выше фактов привел к разработке, начавшейся более 10 лет назад, силовых ключей прижим-ного типа компании SEMIKRON, кон-струкция которых не содержит базовой платы. технология прижимного контак-та (pressure contact technology) была внедрена в модулях семейства SKiiP, ставшего одним из самых популярных в секторе высоконадежных преобразо-вателей большой мощности.

следует отметить, что исключение базовой платы приводит к некоторому ухудшению распределения тепла в осно-вании модуля. однако этот недостаток компенсируется за счет более тонкого слоя теплопроводящей пасты. Поскольку у прижимных конструкций отсутству-ет биметаллический эффект, толщина слоя может быть уменьшена со 100 мкм (номинальное значение для стандарт-ных ключей) до 20…30 мкм. При этом главное, чтобы конструктив SKiiP обе-спечивал равномерное давление по всей поверхности DBC-платы. с другой сторо-ны, преимущества прижимной системы очевидны: меньшая масса, пониженное тепловое сопротивление и высокая стой-кость к термоциклированию.

пружинные КонТАКТы внешний вид прижимного модуля

MiniIPM с установленным на изолирую-

12

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

щей подложке интегральным драйвером показан на рисунке 1. в условиях совре-менного производства большое значе-ние имеет пригодность конструкции ком-понента к автоматизированной сборке, простота его подключения и замены. в модулях семейства MiniSKiiP все силовые и сигнальные соединения осуществляют-ся с помощью пружинных контактов, что обеспечивает следующие преимущества:

1) не требуется применение паяльно-го оборудования при монтаже, исключа-ются усталостные эффекты пайки;

2) установка модуля на радиатор и его подключение к плате управления осу-ществляется за одну технологическую операцию с помощью одного крепежно-го винта;

3) прижим платы управления к кон-тактной поверхности MiniSKiiP произво-дится посредством штатной прижимной крышки;

4) замена самого модуля и платы занимает минимум времени;

5) пружинные контакты обеспечива-ют высокую стойкость сборки к механи-ческим воздействиям.

использование конструктива, подоб-ного MiniSKiiP, обеспечивает опреде-ленные удобства и для разработчиков модулей, которые могут оптимизировать положение контактов на DBC-плате для улучшения динамических характеристик. Гибкость в отношении выбора дизайна контактного интерфейса позволяет сво-дить к минимуму количество внутренних связей, что способствует упрощению кон-струкции и повышению надежности.

в интеллектуальных силовых модулях MiniSKiiP® IPM отдельно сгруппированы силовые терминалы с близким потен-циалом и управляющие входы. этим обеспечиваются удобство подключе-ния и защита от внешних воздействий. Максимальная токовая нагрузка на одну пружину MiniSKiiP составляет 20 а в дли-тельном режиме, при этом перегрев кон-такта не превышает 40°с. сильноточные соединения (выходы и выводы питания) образуются группами из трех параллель-ных контактов, что повышает допустимый уровень тока до 60 а.

одной из важнейших проблем сило-вой электроники является обеспечение

долговременной стабильности параме-тров в предельных условиях эксплуата-ции, и в связи с этим многие разработчики подозрительно относятся к пружинным соединениям. такое отношение вызвано негативным опытом эксплуатации сиг-нальных разъемов, особенно в условиях высоких вибраций, а также при низких уровнях напряжений и токов. однако кон-цепции прижимных контактов MiniSKiiP и разъемных соединений принципиально отличаются. Главное различие состоит в величине и направлении действия при-жима. у традиционных разъемов величи-на контактного усилия ограничена необ-ходимостью обеспечения многократных циклов сочленения на уровне около 10 н/мм2. у модулей MiniSKiiP уси-лие прижима намного выше, и оно направлено вдоль оси кон-такта. давление 20…100 н/мм2, создаваемое крепежным винтом и при-жимной крышкой при сборке, обеспе-чивает высокую надежность и долго-временную стабильность контактных свойств. следует отметить, что эта вели-чина соизмерима с аналогичным пока-зателем для резьбовых соединений тер-миналов стандартных силовых модулей (50 н/мм2).

Поверхность пружин MiniSKiiP имеет серебряное покрытие, что обеспечива-ет оптимальные контактные характери-стики при давлении на пружину в диа-пазоне 4…6 н. специальные ускоренные испытания подтверждают, что контактная пара «пружина — площадка печатной платы» надежно работает как при тра-диционных способах металлизации плат (SnPb), так и при новых, соответствующих экологическим директивам RoHS [3,4]. к ним относятся покрытие химическим оловом (Sn) с выравниванием горячим воздухом (HAL — Hot-Air-Leveling) и спла-вом «никель-золото» ENIG (Ni/Au). При использовании пружинных контактов не рекомендуется применение органиче-ских защитных покрытий (organic surface protection — OSP).

Пружины изготавливаются из высоко-технологичного сплава к88, разработанно-го компаниями Wieland Werke и Olin Brass специально для данного способа соеди-нения. Материал к88 отличается большим пределом текучести (550 МПа), хорошей способностью к формованию и изгибу, отличной электропроводностью и высокой временной стабильностью механических характеристик в диапазоне температур до 200°с. для стабилизации контактного сопротивления, исключения нежелатель-ных эффектов электромиграции и нараста-ния нитевидных кристаллов поверхность пружин имеет металлическую пассивацию. в результате этого механические и контакт-ные свойства выводов MiniSKiiP сохраняют-ся в течение всего срока службы модулей.

основным критерием при выборе материала покрытия площадок печатной

платы (PCB) является достижение низкого и стабильного переходного сопротив-ления контактной пары, образованной поверхностью пружины и токонесущи-ми дорожками PCB. единственным мате-риалом, подходящим для совместного использования практически с любым покрытием печатной платы (сплав NiAu, HAL Sn, химическое олово, сплав PbSn), является серебро (Ag). неудачной кон-тактной парой являются золото и олово (Au/Sn), поскольку большая разница элек-трических потенциалов (около 1,5 в) при-водит к активному разложению олова и образованию продуктов коррозии.

надежность пружинных соединений подтверждена и многолетним опытом эксплуатации, прежде всего в лифто-вых приводах, где чаще всего использу-ются компоненты семейства MiniSKiiP. Показательным является тот факт, что на сегодня более 300 млн пружин успешно работают в модулях SEMIKRON по всему миру.

SOI-дрАйвер с усовершенсТвовАнными КАсКАдАми сдвигА уровняв интеллектуальном модуле MiniSKiiP

IPM, содержащем высоковольтный чип-драйвер (HVIC), реализованы основные преимущества силовых ключей данного типа: высокая степень интеграции, надеж-ность и удобство прижимной технологии подключения. интегральная микросхема устройства управления затворами раз-работана на основе технологии SOI, впер-вые внедренной SEMIKRON для компо-нентов такого типа [5].

основным преимуществом данной технологии, предусматривающей элек-трическую изоляцию каждого полупро-водникового элемента, является низкий ток утечки при повышенной рабочей тем-пературе. Благодаря изоляции активных компонентов гарантируется полное пода-вление паразитных триггерных структур и эффекта защелкивания при всех условиях эксплуатации, включая короткое замыка-ние. специалисты, работающие с высо-ковольтными устройствами управления MOSFET/IGBT, имеющими полупровод-никовые каскады сдвига уровня, знают, что защелкивание, наблюдаемое зача-стую даже в области номинальных токов, может привести к выходу как самого драйвера, так и силовых ключей.

технология SOI обеспечивает высо-кий иммунитет к наведенным переход-ным напряжениям обеих полярностей с уровнями вплоть до напряжения пробоя MOSFET. все сказанное в сочетании с рас-ширенным температурным диапазоном (Tjmax = 200°C) позволяет использовать чип-драйверы SOI для построения высо-конадежных IPM.

интегральный драйвер MiniSKiiP, рабо-тающий при напряжении питания 12…17 в, способен управлять тремя верхними и

Рис. 1. Модуль IPM MiniSKiiP® с пружинными кон-тактами и интегральным драйвером

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

13

электронные компоненты №6 2009

тремя нижними ключами трехфазного инвертора и чоппером, который может быть использован в качестве тормозного каскада или корректора коэффициента мощности (ккМ). устройство обеспечи-вает формирование «мертвого времени» для предотвращения сквозных токов (функция Interlock). входы управления совместимы с уровнями логики TTL (5 B) и CMOS (3,3 B), время задержки составляет 300 нс. схема защиты драйвера выпол-няет все базовые функции, выключая выходные транзисторы при снижении напряжения управления (UVLO — Under Voltage LockOut) и перегрузке по току (OCP — Over Current Protection).

Принципиально новым элементом структуры SOI-драйвера, позволившим резко повысить устойчивость схемы к наведенным перенапряжениям, яв- ляются усовершенствованный каскад сдвига уровня в канале управления IGBT верхнего и нижнего плеча. высокие фронты тока, возникающие при ком-мута ции ключей инвертора, являются причиной возникновения всплесков напряжения, уровень которых пропор-ционален скорости изменения тока di/dt и паразитной индуктивности цепи коммутации LS (в соответствии с выражением dV = di/dt . LS). в резуль-тате этого между сигнальным выво-дом эмиттера IGBT и опорной точкой схемы управления наводятся переход-

ные напряжения, полярность которых может быть как положительной, так и отрицательной. вследствие этого уровень сигнала затвор–эмиттер IGBT может увеличиваться или уменьшать-ся в зависимости от знака наведенного потенциала. в результате изменяются

динамические характеристики силово-го ключа, наблюдаются ложные сраба-тывания, в худшем случае транзистор выходит из строя. точно также при воз-действии переходных перенапряже-ний может искажаться и токовый сиг-нал, снимаемый с резистивного шунта

Рис. 3. Характеристики переключения 600-В SOI-драйвера при напряжении сдвига +20 В (а) и –20 В (б)

Рис. 2. Схема каскада сдвига потенциала для ключа верхнего уровня ВОТ (а) и нижнего уровня ТОР (б)

14

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

схемы защиты — негативные послед-ствия в этом случае аналогичны.

При работе маломощных IPM ампли-туда коммутационных выбросов обыч-но не превышает предельных для IGBT значений, поскольку малы величины di/dt и LS. однако с ростом мощности уро-вень переходных перенапряжений рас-тет лавинообразно, делая этот эффект опасным как для силового ключа, так и для драйвера. новая концепция каскада сдвига уровня была разработана специ-ально для защиты выходов схемы управ-ления от наведенных со стороны сило-вых каскадов перенапряжений обеих полярностей.

упрощенная принципиальная схема усовершенствованных каскадов сдвига потенциала для ключей верхнего и ниж-него уровня (тор и вот) показана на рисунке 2. каждый каскад управляется по двум независимым каналам, в кото-рых используются полевой транзистор и последовательный блокирующий диод. в зависимости от полярности напря-жения между входными и выходными каскадами драйвера, для преобразова-ния сигнала используется схема сдвига тор или вот. При этом неработающий канал блокируется соответствующим диодом, а для формирования выход-ного сигнала устройства используется логический вентиль (OR).

реализация схемы сдвига каскада тор (2б) оказывается более сложной, посколь-ку не существует достаточно хороших высоковольтных p-MOS-транзисторов. По этой причине в данном случае исполь-зуется импульсная схема преобразова-ния сигнала на высоковольтном nDMOS-транзисторе и высоковольтных диодах. импульсный режим работы позволяет снизить величину перекрестных токов и уровень потерь переключения.

усовершенствованная концепция сдвига уровня позволяет существен-но повысить иммунитет драйвера к вариациям опорных напряжений, вели-чина которых ограничивается только напряжением пробоя MOSFET. работа схемы сдвига при статическом смеще-нии опорного сигнала на +20 и –20 в демонстрируется с помощью графиков, приведенных на рисунке 3. устройство с легкостью компенсирует и динамиче-

Рис. 5. DBC-плата модуля MiniSKiiP с интегрирован-ным SOI-драйвером

Рис. 4. а) работа 600-В SOI-драйвера при воздействии шумового смещающего сигнала; б) топология кри-сталла драйвера

ские помехи, как это показано на рисун-ке 4а. обратите внимание, что импуль-сы управления затворами сохраняют почти идеальную форму, несмотря на воздействие шумового сигнала, сме-щающего потенциал эмиттера относи-тельно напряжения на опорном выво-де драйвера. расположение основных элементов структуры на кристалле SOI-драйвера, включая высоковольт-ные DMOS-транзисторы и диоды схемы сдвига уровня для обоих каналов, пока-зано на рисунке 4б.

изолирующая DBC-плата MiniIPM изготавливается из оксида алюминия Al2O3 толщиной 0,38 мм со слоем омед-нения 0,2 мм, нанесенным на обе сто-роны керамики. Первым этапом процес-са сборки является установка силовых чипов и датчика температуры на кера-мику методом пайки. кристалл HVIC и SMD-резисторы затворов соединяются с DBC-платой с помощью токопроводящего клея. контакты, расположенные на верх-нем слое силовых чипов, подключаются к токонесущим шинам алюминиевыми про-водниками диамет ром 300 мкм методом ультразвуковой сварки. диаметр прово-дников, используемых для сигнальных подключений, составляет 50 мкм. далее пластиковый корпус с размещенными в нем пружинными контактами устанав-ливается на керамическую DBC-плату и заливается силиконовым гелем, обеспе-чивающим герметичность и улучшающим распределение тепла.

необходимо отметить, что установка чипа драйвера непосредственно на кера-мику позволяет эффективно отводить от него тепло, что особенно важно при рабо-те схемы управления на высоких часто-тах. При размере кристалла 4,9×3,1 мм удается обеспечить величину теплового сопротивления около 4°с/вт. для срав-нения стоит заметить, что при установ-ке аналогичного чипа в корпусе SOP28 значение Rth составляет около 75°с/вт. При токе управления затвором около 1 а это позволяет драйверу IPM эффективно управлять силовым инвертором мощно-стью до 15 квт.

ЗАКлючение По данным исследования рынка сило-

вых полупроводниковых компонентов,

проводимого британским исследова-тельским институтом IMS (British Market Research Institute), доля SEMIKRON в области производства миниатюрных модулей CIB составляет 30% в мире и более 46% — в европе. ожидается, что популярность данных компонентов в виде IPM с интегрированным драйве-ром будет расти. это подтверждается постоянно растущим спросом на моду-ли IPM, предназначенные для разработ-ки промышленных приводов средней мощности.

для создания интеллектуального силового модуля на базе MiniSKiiP была разработана интегральная высоко-вольтная микросхема (HVIC) 7-каналь-ной схемы управления затворами IGBT. кристалл драйвера устанавливается непосредственно на керамическую DBC-подложку модуля, что обеспечивает эффективный отвод тепла и кратчайшие связи выходов драйвера с затворами IGBT при минимальной индуктивности цепей управления. Благодаря усовершенство-ванной концепции сдвига уровня новой схемы управления удалось существенно повысить помехозащищенность и надеж-ность работы нового IPM. Модули серии MiniIPM способны стать новым промыш-ленным стандартном в диапазоне приво-дных мощностей 5…15 квт.

ЛитеРатУРа1. U. Scheuermann, MiniSKiiP® IPM — Ad-

van c ed Module Architecture for Medium-Power Applications, SEMIKRON International

2. U. Scheuermann, P. Beckedahl: The Road to the Next Generation Power Module — 100% Solder Free Design, Proc. CIPS 2008, ETG-Fachbericht 111, 111–120, Nürnberg, 2008.

3. F. Lang, U. Scheuermann: Reliability of Spring Pressure Contacts under Environmental Stress, Microelectronics Reliability 47 (2007), 1761–1766.

4. А. Колпаков, Надежность пружинных контактов в условиях индустриальных сред. «Силовая Электроника» №4, 2006.

5. B. Vogler, M. Roßberg, R. Herzer, L. Reußer, T. Wurm: 600V Converter/Inverter/Brake (CIB) — Module with integrated SOI Gate Driver IC for Medium-Power Applications, Proc. CIPS 2008, ETG-Fachbericht 111, 261–265, Nürnberg, 2008.

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

15

электронные компоненты №6 2009

В приложениях с высокой скоростью переключения возникновение элек-тромагнитных помех может привести к неправильной работе системы и выходу ее из строя. Оптопары для управления затвором с сильноточ-ным выходом и большим ослаблением синфазного сигнала являются хорошим решением этой проблемы, т.к. они обеспечивают защиту от помех и высокий допустимый ток в приложениях с мощными IGBT и IGBT с большими скоростями переключения.

оптопары для поддержки Мощных иМпульсных преобразователей с высокой скоростью переключенияинженер-разработчик, компания Avago Technologies

затворы транзисторов IGBT должны управляться стабильными уровнями напряжения включения и выключения и относительно большим током, чтобы обеспечить быстрое переключение между соответствующими состояния-ми. кроме того, требуется большой управляющий ток для переключения IGBT с большой номинальной мощно-стью.

чтобы понять значение цепи драй-вера с сильноточным затвором для преобразователя, рассмотрим техниче-ские требования на разработку и такие параметры IGBT как заряд, емкость, напряжение и частота переключения.

входная емкость часто использует-ся в качестве исходного пункта для проектирования управляющей цепи затвора. в техническом описании IGBT входная емкость CIES меняется в диа-пазоне от нескольких пикофарад до сотен нанофарад. CIES является суммой емкости между коллектором и затво-ром (CGC) и емкости между затвором и эмиттером (CGE), т.к. они параллельны друг другу (см. рис. 1). эта емкость IGBT значительно меняется в зависимости от напряжения коллектора. вариации напряжения коллектора и конденсатор Миллера увеличивают входные емко-сти в 3—5 раз относительно значения CIES, указанного в техническом описа-нии транзистора. из-за этой разницы параметры цепи управления затвором, рассчитанной на основе приведенной в описании входной емкости, обычно неправильные. на рисунке 2 QGE — заряд, протекший за время t0, в течение которого напряжение затвора измени-лось от нулевого значения до значе-ния, соответствующего плато Миллера. QGC — заряд, протекший за время t1;

QG — суммарный заряд, необходимый для включения IGBT, где VGE — напряже-ние управления затвором. обычно QG указан в техническом описании произ-водителя IGBT.

пиковое значение тока управления затвором и средняя мощность Pavg рас-считываются следующим образом:

(1)IG,PEAK = VGE/RG,

(2)Pavg = VGE∙QG∙fs,

где:QG — суммарный заряд затвора IGBT;fS — частота переключения IGBT (см. рис. 2).

Цикл заряда затвора можно разде-лить на три временных интервала — t0, t1 и t2. эффективная емкость затвора и пиковый ток во время каждого из них вычисляются из формул:

(3)QX = IG,X∙tX,

(4)QX = VGE,X∙CX,

где х = 0, 1, 2 и указывает определенный временной интервал.

Мощные IGBT-транзисторы и их одновреМенное переключение среднеэффек тивную емкость

затвора в зависимости от его напря-жения можно определить из рисунка 2. это значение не отражает «истин-ную» нагрузку драйвера затвора, что объясняется наличием плато Миллера, на котором напряжение имеет практически постоянную вели-чину, несмотря на то, что заряд про-должает накапливаться. на интер-вале t1 емкость затвора достигает

высокого значения. для прохожде-ния сквозь затвор большой емкости на этом интервале требуется высо-кий пиковый ток, в противном слу-чае IGBT будет медленно включаться (см. уравнения 3 и 4). из-за высокой емкости в области плато требуется обеспечить большой пиковый ток, особенно для приложений с высокой скоростью переключения.

Рис. 1. CIES — входная емкость IGBT; CGS — емкость затвор-коллектор; CGE — емкость затвор-эмиттер

Рис. 2. Типичная зависимость заряда затвора IGBT от VGE определяет среднеэффективное значение эффективной емкости затвора

16

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

в приложениях, в которых исполь-зуются IGBT с большим номиналом, пиковый ток является фактором, огра-ничивающим скорость переключения. в схожих приложениях применяется драйвер сильноточного одиночного затвора, позволяющий совместно использовать функции управления и снижать число компонентов. как пра-вило, драйвер затвора с 2,5-а пиковым током может управлять IGBT с номи-налами до 1200 в и 100 а, а драйверы с выходным максимальным током 5 а — IGBT с номиналами до 1200 в и 100 а. эти требования к номинальным значениям меняются в зависимости от частоты переключения и окружаю-щей температуры.

для очень мощных IGBT использует-ся неинвертирующий токовый буфер, повышающий ток управления затво-ром транзистора (см. рис. 3). у буфер-ных транзисторов Q1 и Q2 большие

максимально допустимый ток и коэф-фициент усиления по току. следует поместить токовый буфер в схеме как можно ближе к IGBT, чтобы свести к минимуму паразитную индуктивность петли зарядного и разрядного тока.

Рис. 3. Неинвертирующий токовый буфер, состоящий из транзисторов Q1 и Q2, обеспечивает значитель-ный ток управления и большой коэффициент усиления по току

Рис. 4. Сопротивление затвора способствует замедлению времени переключения

Рис. 5. Использование оптопары для управления затвором позволяет ослабить синфазный сигнал при электромагнитных помехах и других шумах

резистор затвора RG, предназначен-ный для управления пиковым током IGBT, помещается за цепью буфера.

для быстрой зарядки и разряд-ки емкости затвора IGBT цепь драй-вера затвора должна иметь низкий импеданс. благодаря низкоимпеданс-ному тракту и большому выходно-му току затвора реализуется высо-кая скорость переключения IGBT. однако такое переключение создает другие проблемы — из-за увеличе-ния скорости изменения dV/dt появ-ляются электромагнитные помехи, которые могут привести к ошибоч-ным входным сигналам на микросхе-ме драйвера затвора и, в конечном счете — к неправильной работе всего приложения. для предотваращения этой ситуации используют ограничи-вающие резисторы в цепи включения и выключения затвора (см. рис. 4), тем самым увеличивая его сопротивле-ние. в свою очередь, это приводит к замедлению времени переключения, что идет вразрез с требованием обе-спечить высокую скорость.

в этой ситуации используется опто-пара, позволяющая ослабить синфаз-ный сигнал при возникновении элек-тромагнитных помех и другие шумы. разные земли для входа светодиода и выхода IGBT, а также экранирован-ный корпус внутреннего светодиода обеспечивают требуемую защиту от шума.

у идеальной микросхемы драй-вера затвора IGBT большая скорость переключения, высокие допустимый пиковый ток и помехоустойчивость. из рисунка 2 видно, что в результа-те большой скорости переключения напряжение затвора достигает плато Миллера. на этом плато управляю-щее напряжение имеет относительно постоянное значение, а микросхеме драйвера затвора требуется обе-спечить высокий ток для быстрой зарядки емкости Миллера. за этим плато драйвер продолжает обеспечи-вать зарядку до полного завершения цикла.

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

17

электронные компоненты №6 2009

Постоянное увеличение числа шин питания на плате и появление новых поколений микросхем требуют новых решений в области управления питанием. В статье рассмотрены особенности применения локали-зованных к нагрузке стабилизаторов в различных системах питания. Материал представляет собой перевод [1].

разработка систеМы питания устройства с использованиеМ POL-преобразователей

Пол Гринлэнд (Paul Greenland), вице-президент по маркетингу, Semtech Corporation

локализованные к нагрузке (point of load) стабилизаторы напряже-ния — POL-преобразователи — использовались в электронных системах в течение ряда лет, осо-бенно там, где нагрузка наиболее чувствительна к помехам. например, в радиоприемниках всегда приме-нялась изоляция чувствительной нагрузки от наводок источника пита-ния с помощью локальных линейных стабилизаторов. когда появилось первое поколение мощных микро-процессоров в настольных персо-нальных компьютерах, потребовал-ся модуль стабилизации напряжения для низковольтового сильноточного источника питания его ядра.

использование централизован-ного AC/DC-преобразователя было нецелесообразно из-за резистив-ных потерь в кабелях, проводни-ках печатных плат и разъемах. при перек лючении быстродействую-щего и мощного микропроцессора с одного режима работы в другой изменение потребляемого им тока происходит ступенчато, что пред-ставляет еще одну проблему для централизованного преобразо -вания напряжения. эта проблема связана с индуктивным сопротив-лением проводников и накоплени-ем энергии на электролитических конденсаторах. в середине 80-х гг. компания Bell Northern Research ввела понятие «источник питания в месте использования» (point of use power supply — PUPS) для модуль-ных DC/DC-преобразователей. так появилась распределенная архитек-тура электропитания, схема которой показана на рисунке 1.

POL-преобразователи широко ис- пользовались в военных и авиакосми-ческих приложениях, в которых мо- дульность и межблочная изоляция являются обязательными требова- Рис. 1. Классическая распределенная архитектура электропитания

ниями по обеспечению надежности, удобства обслуживания и низкой чувствительности к помехам. таким образом, концепция локализованной к нагрузке стабилизации не нова, а причиной ее повсеместного внедре-ния стало постоянное увеличение пропускной способности и функцио-нальности электронного оборудова-ния. возросло количество шин пита-ния на системной плате и, вместе с этим, увеличилась сложность микро-схем, представляющих нагрузку. кроме того, технология изготовления интегральных схем нагрузки также влияет на электрические характери-стики POL-преобразователя, особен-но на способность быстрого отклика на переходные процессы в нагрузке.

при производстве кМоп-мик ро-схем с целью интеграции на кри-сталле большей вычислительной мощности и увеличения тактовой частоты используются все меньшие размеры элементов. при топологи-ческих нормах менее 90 нм параме-тры транзисторов аналоговых бло-ков микросхем, таких как ФапЧ в приемопередатчиках, существенно ухудшаются. в частности, дегради-руют вольт-амперные характери-стики транзисторов. это приводит к рассогласованию каскадов схем,

а также к подавлению синфазно-го сигнала и пульсаций источни-ков питания. кроме того, рабочие характеристики также ограничены из-за преимущественного исполь-зования схем с несимметричным входом для экономии площади кри-сталла. существуют также причины экономического характера, которые заставляют искать решение пробле-мы путем разработки систем управ-ления питанием: набор фотошабло-нов для изготовления микросхем по субмикронным топологическим нормам стоит свыше 1 млн. долл., что делает их модификацию весь-ма дорогой. следующее поколение кМоп-микросхем требует для нор-мального функционирования чрез-вычайно малое время установления напряжения питания, а также низкий уровень пульсаций и помех. решения на основе локализованной к нагруз-ке стабилизации должны иметь широкую полосу пропускания цепи управления и низкий динамический выходной импеданс, чтобы импульс-ная нагрузка не создавала пульсаций и помех по питанию.

так как количество шин питания на системной плате увеличивается из-за сложности применяемых схем-ных решений, разработчики обрати-

18

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

Рис. 3. Централизованная архитектура управления

лись к архитектуре системы питания с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture — IBA). эта архитек-тура, которая показана на рисунке 2, была разработана для применения, в основном, в телекоммуникационном и сетевом оборудовании. в такой системе, как правило, на краю платы расположен преобразователь напря-жения изолированной шины, кото-рый питается от безопасного сверх-низкого напряжения (Safety Extra Low Voltage — SELV) и формирует

промежуточную шину, по которой напряжение распределяется к POL-преобразователю. например, плата Ethernet-маршрутизатора среднего класса может содержать до 30 шин питания с независимой стабилиза-цией. линейная стабилизация мало-мощных шин питания (обычно до 1,5 а) осуществляется с помощью стабилизаторов с низким падением напряжения (LDO-стабилизаторов). однако ограничения, введенные электроэнергетическими компания-

Рис. 2. Архитектура питания с промежуточной шиной

ми на общую мощность системы, а также требования заказчиков по уве-личению пропускной способности и функциональности устройств заста-вили проектировщиков рассмотреть возможность применения эффек-тивных импульсных стабилизато-ров во всех системах, кроме самых маломощных. если есть ограниче-ния по входной мощности системы или по способности отвода тепла из замкнутого пространства, то един-ственным способом увеличить про-изводительность системы является применение более эффективных решений по управлению питанием. так как кМоп-микросхемы управ-ления питанием позволяют достичь необходимый уровень плотности тока и, в то же время, обеспечить сложный алгоритм управления, раз-работчики системы питания снизили напряжение промежуточной шины до менее, чем 6 в, т.е. ниже пробив-ного напряжения 5-в кМоп-схем.

в настоящее время ведется дис-куссия о преимуществах и недо-статках централизованного и распределенного управления в распределенной системе питания. в централизованной архитектуре управления, показанной на рисунке 3, POL-преобразователь имеет циф-ровой интерфейс и возможность программирования, но не содер-жит энергонезависимую память. управление POL-преобразователем осуществляется по цифровому интерфейсу с помощью управляю-щей микросхемы, которая по суще-ству представляет собой специали-зированный микроконтроллер. с помощью программирования POL-преобразователя в системе уста-навливаются начальные условия или параметры по умолчанию в случае прерывания сигнала управ-ления. считается, что применение энергонезависимой памяти в POL-преобразователе не отвечает требо-ваниям по надежности, т.к. стабили-затор рассеивает тепло.

иное направление разви-тия заключается в том, что POL-преобразователь рассматривается как автономное устройство, кото-рое работает по своему алгоритму управления, периодически опове-щая централизованный сторожевой таймер или микросхему управления. каждый из этих подходов имеет свои достоинства, однако заказчики в общем случае предпочитают центра-лизованную архитектуру управления на этапе массового производства и распределенную архитектуру управ-ления при разработке системы, т.к. это обеспечивает оптимальные затраты.

Рис. 4. Схема включения ЛНС SC417

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

19

электронные компоненты №6 2009

Другим вопросом, представляющим интерес для разра-ботчика системы, является то, что схема прогнозирования отказов в POL-преобразователе, которая осуществляет мониторинг температуры в различных точках системы, а также других параметров, таких как амплитуда напря-жения пульсаций, могла бы обеспечить сигнализацию об отказе в цепи нагрузки. упреждающий анализ неисправ-ностей представляет особый интерес для разработчиков систем высокой степени надежности. в высоконадежных системах (с уровнем работоспособности 99,999%) способ-ность предупреждения об отказе и проведения техниче-ского обслуживания без существенных потерь времени является принципиальным требованием. эта технология доступна сегодня даже в условиях офиса: многие фотоко-пировальные устройства, которые подсоединены к сети, могут самостоятельно связываться с сервисными компа-ниями. впервые пользователь узнает о необходимости сервисных работ на оборудовании, когда инженер из сервисной службы появляется в офисе для того, чтобы провести ремонт. такой подход особенно важен в том случае, когда компании осуществляют удаленное хране-ние и обработку данных через интернет, используя среду «облачных вычислений» (cloud computing).

на рисунке 4 изображена схема включения POL-преобразователя SC417 1, который представляет собой заметное достижение в многолетних разработках компа-нии Semtech Corporation в области специализированных POL-преобразователей.

технология локализованной к нагрузке стабилизации непрерывно развивается вместе с появлением новых поко-лений микросхем, изготовленных с помощью самых пере-довых технологий, что позволяет реализовывать различ-ные сложные приложения. например, производители FPGA предложили помещать источник питания в корпус вместе с его комплексной нагрузкой. поставка продукта, который работает от стандартной шины питания, является привле-кательным решением: в настоящее время большинство FPGA-приложений поддерживает поиск неисправностей в системе управления питанием. однако такой уровень миниатюризации непросто реализовать: катушка индук-тивности для такого устройства должна иметь профиль не более 0,5 мм.

1 техническую документацию на SC417 см. на компакт-диске.

Литература1. Paul Greenland. Developments in Point of Load Regulation.2. Imlementing point-of-load power architectures: An overview

of recent products and technologies.3. John Tucker. How to fine tune Point-of-Load regulation in

Digital TVs.

20

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcp.ru

Традиционно для источников питания используются дроссельные импульсные стабилизаторы (ИС). В настоящее время для преодоления некоторых ограничений, испытываемых встраиваемыми дроссельными импульсными стабилизаторами, в малопотребляющих и высокоинтегри-рованных электронных системах стали использоваться бездроссельные архитектуры. В этой статье проводится качественное и количествен-ное сравнение между обоими типами импульсных стабилизаторов по таким параметрам как стоимость реализации (список расходуемых материалов и количество выводов) и рабочие параметры (КПД, шум и надёжность). Статья представляет собой перевод [1].

Импульсные бездроссельные стабИлИзаторы Избавляют от необходИмостИ Использовать дорогостоящИе внешнИе компонентыМатьё Рено (Mathieu Renaud), старший разработчик по управлению питанием, Dolphin Inc. Ив Ганьон (Yves GaGnon), исполнительный директор, Dolphin Inc.

СтоИМоСть РеалИзацИИ И СпИСок РаСходуеМых МатеРИалов наиболее существенными ограни-

чениями для дроссельных стабилиза-торов (см. рис. 1) являются стоимость и размер дросселей. во многих случаях эти ограничения являются определяю-щими при разработке встраиваемых решений. для того чтобы их преодо-леть, приходится выбирать недорогие дроссели, которые рассеивают больше мощности, что приводит к ухудшению кпд. например, Ис дроссельного типа может терять до 10% кпд, если в нем используется недорогой дроссель вме-сто дросселя с низким ESR (Equivalent Serial Resistance — эквивалетным последовательным сопротивлением). в результате основное преимущество этих стабилизаторов нивелируется.

с другой стороны, в бездроссель-ных Ис (см. рис. 2) используются только один или два небольших и недорогих керамических конденсатора (Cf1 and Cf2) вместо дорогостоящего дросселя. на самом деле для конкретного выходного конденсатора дроссель Ис примерно в 5—10 раз дороже, чем конденсаторы бездроссельного стабилизатора, и зани-мают настолько же меньшее место.

при небольшом токе (<25 ма) можно даже установить эти конденсаторы на подходящей площадке кристалла, что позволяет создать встраиваемое реше-ние для эффективного преобразования напряжения. кроме того, стабилизато-

ру в этом случае требуется только один внешний выходной конденсатор.

опубликованные исследования встраиваемых дроссельных импульсных стабилизаторов с интегрированными дросселями ясно показывают, что для устройств этого типа необходимы очень высокие частоты переключения. Это требование весьма непривлекательно из-за низкого кпд, большого размера

кристалла и требований со стороны тех-нологии изготовления кристалла.

следует заметить, что обычно для компенсации сопряженного полюса, образованного LC-фильтром (дроссе-лем и выходным конденсатором) Ис дроссельного типа, необходимы внеш-ние пассивные компоненты для обеспе-чения устойчивости регулировочной петли и оптимальных рабочих характе-

Рис. 1. Типовые повышающий (а) и понижающий (б) дроссельные импульсные стабилизаторы

а)

а)

б)

б)

Рис. 2. Типовые бездроссельный импульсный стабилизатор (а) и бездроссельный импульсный стабилиза-тор (б) с навесными конденсаторами (б)

22

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcp.ru

ристик. для бездроссельных стабили-заторов такая компенсация не требует-ся, что еще больше снижает стоимость пассивных компонентов.

количество требуемых выводов может оказаться основным недостат-ком бездроссельного метода. Из рисун-ков 1 и 2 видно, что у дроссельных Ис четыре вывода (VIN, VOUT, VX и GND), тогда как у бездроссельных устройств: 3—7 выводов (VIN, VOUT, Cf11, Cf12, Cf21, Cf22

и GND), в зависимости от величины выходного тока и соотношения между VIN и VOUT.

кроме того, для дополнительных внешних компонентов схемы компен-сации в дроссельных решениях обыч-но требуются два вывода. таким обра-зом, для дроссельного типа требуются 4—6 выводов, а для бездроссельно-го — 3—7.

РабочИе хаРактеРИСтИкИ И кпдИзвестно, что бездроссельные

Ис, или преобразователи с подкач-кой зарядов, имеют меньший кпд, чем дроссельные аналоги, регули-рующие входное напряжение. однако у используемых в настоящее время

многорежимных бездроссельных Ис в стандартном диапазоне напряжения батарей кпд в среднем такой же, как и у дроссельных Ис.

в преобразователях с подкачкой зарядов применяется несколько топо-логий для создания требуемых коэффи-циентов преобразования. например, в бездроссельном Ис с двумя навесными конденсаторами для разных режимов переключения используются 11 коэф-фициентов преобразования кпр: 4/1, 3/1, 2/1, 3/2, 4/3, 1, 3/4, 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4. в настоящее время на рынке предла-гаются бездроссельные Ис, в которых выбор коэффициента выполняется автоматически. поскольку кпд опре-деляется как ε = VOUT/(VIN∙кпр), то, меняя значения VIN и VOUT, можно автоматиче-ски выбирать требуемый коэффициент преобразования так, чтобы кпд был максимально большим в соответствии с рабочей точкой VIN/VOUT. например, на рисунке 3 показано, как меняется кпд двух бездроссельных Ис с двумя навесными конденсаторами в диапа-зоне напряжений 2,6...5,5 в.

видно, что у такого решения среднее значение кпд больше 80% во всем диа-

пазоне входного напряжения, полно-стью совпадающем с диапазоном Ис дроссельного типа. кроме того, работа с фиксированным значением коэффи-циента преобразования при VIN = 5 в и VOUT = 3,3 в обеспечивает кпд рав-ный 85%.

поскольку портативные электрон-ные системы работают в нескольких режимах, сама система и ее блоки могут потреблять существенно разные токи. Ис, обеспечивающие питание этих блоков, должны функционировать и иметь высокий кпд во всем диапа-зоне выходного тока. следовательно, другим важным вопросом является то, как меняется кпд в зависимости от тока нагрузки Ис. в большинстве импульс-ных стабилизаторов дроссельного типа используется регулировочная петля шИм. такой подход обеспечивает высо-кий кпд при максимальной нагрузке, который, однако, быстро уменьшается при ее снижении.

на рисунке 4 изображена кри-вая типичной зависимости кпд от тока нагрузки в Ис дроссельного типа с шИм-регуляцией. видно, что кпд быстро падает при уменьшении нагрузки. для того чтобы этого не про-исходило, в дроссельных Ис часто применяется регулировочная схема с частотно-импульсной модуляцией (Pulse Frequency Modulation) или с моду-ляцией с пропуском импульсов 1 (Pulse Skipping Modulation). однако недо-статок этих схем — в существенном ухудшении качества регулирования и в значительном увеличении собствен-ного выходного шума (см. следующий раздел).

Из рисунка 4 видно, как ESR дрос-селя влияет на максимально дости-гаемый кпд. для того чтобы реали-зовать значения кпд, указанные в технических описаниях поставщиков Ис дроссельного типа, необходимо использовать дроссели с очень низ-ким ESR, какими бы большими и доро-гостоящими они ни были. Инженерам часто приходится выбирать недоро-гие дроссели, сообразуясь с ценовы-ми ограничениями. следовательно, у Ис дроссельного типа часто среднее значение кпд находится в диапазо-не 80...85% при значениях выходно-го тока 10...100% от IOUT (см. рис. 4). реальное среднее значение кпд Ис дроссельного типа снижается до тако-го уровня, при котором размер и сто-имость даже недорогого дросселя не оправдываются по сравнению с мень-шими и недорогими керамическими конденсаторами, используемыми в бездроссельных Ис.

у бездроссельных импульсных ста-билизаторов кпд также снижается

1 моделирование и анализ модуляции с пропуском импульсов см. на компакт-диске.

Рис. 3. КПД в зависимости от входного напряжения бездроссельного ИС

Рис. 4. Типичная кривая зависимости КПД от нагрузки для ИС дроссельного типа с ШИМ (а) и для бездрос-сельного типа компании DOLPHIN (б) при VIN = 3,3 В и VOUT = 1,8 В

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

23

электронные компоненты №6 2009

при меньших нагрузках, однако в ряде компонентов, например компании DOLPHIN Integration, применяется инно-вационная схема регулировки, которая позволяет снизить потери мощности Ис при уменьшении нагрузки и сохра-нить оптимальное значение кпд для более чем 99% значений тока нагрузки (см. рис. 4) без ухудшения параметров стабилизации и шума.

Из рисунков 3 и 4 видно, что выбор Ис на основе его кпд должен осущест-вляться после выбора максимально реализуемого кпд при максимальной нагрузке. при этом необходимо учесть изменение кпд в зависимости от рабо-чих режимов (VIN, VOUT, IOUT, ...) системы.

аМплИтуда выходноГо шуМапри разработке приложения необхо-

димо также учесть шум со стороны цепи питания. Этот шум источника напряже-ния, поступающий через стабилизатор, имеет две составляющие: шум PSRR 2 (Power Supply Rejection Ratio — коэф-фициент подавления пульсаций напря-жения питания), идущий от входа стаби-лизатора на его выход, и собственный шум, производимый стабилизатором. до тех пор пока у дроссельного и без-дроссельного Ис достаточно широкий спектр сигнала и большой коэффици-ент усиления, значение PSRR велико. однако из-за импульсной природы этих стабилизаторов их собственный шум больше по сравнению с другими источ-никами шума. таким образом, следует выбирать Ис, у которого этот показа-тель минимален.

на рисунке 5 представлена частот-ная зависимость собственного шума (включая фликкер-шум и тепловой шум, а также пульсацию выходного сигнала) для обоих типов Ис. у обоих Ис на выходе имеется шум при частоте пере-ключения fsw и его составляющие. если нагрузка Ис чувствительна к некото-рым частотам, частоту переключения Ис необходимо выбирать вне диапазо-на чувствительности.

у импульсного стабилизатора дрос-сельного типа дополнительный шум распределяется вокруг резонансной частоты fLC = 1/(2π√LC) LC-фильтра, образованного дросселем и выходным конденсатором.

для многих портативных прило-жений требуется, чтобы резонансная частота LC-фильтра находилась в диа-пазонах аудио- или видеочастот. Из рисунка 5 видно, что амплитуда шума такого колебательного LC-контура значительно выше амплитуды белого шума Ис и может изменить рабочие параметры чувствительной к помехам аналоговой нагрузки, например аудио-усилителя.

снижение амплитуды собственных помех переключения достигается путем увеличения емкости выходного конденсатора, что, в свою очередь, еще значительнее меняет резонанс-ную частоту LC-фильтра, лежащую в рабочей полосе частот аудио-усилителя.

шуМ подложкИ пульсация тока представляет собой

удвоенную амплитуду тока, проходяще-го через дроссель (см. рис. 7), и опреде-ляется как ∆IL = f(Vout∙Vin)/(L∙fSW).

зачем понижать пульсацию тока? Это делается по трем главным причи-нам: снижение пульсаций выходного напряжения; снижение инжекции заря-да в подложку и поддержание опти-

мального кпд на большем диапазоне выходного тока.

первая причина достаточно очевид-на, т.к. пульсация выходного напряже-ния Ис дроссельного типа пропорцио-нальна пульсации тока дросселя.

чтобы понять вторую причину, давайте вспомним основные прин-ципы построения дроссельных Ис. воспользуемся в качестве примера дроссельным понижающим Ис, заме-тив при этом, что изложенные ниже соображения верны и по отношению к дроссельному повышающему Ис. Известны два вида стабилизаторов (см. рис. 6): асинхронный (а) и синхрон-ный (б). существуют также другие типы этих устройств, созданные на основе этих двух, но их рассмотрение выхо-

Рис. 5. Выходной шум ИС дроссельного и бездроссельного типов

2 определение и расчет PSRR см. на компакт-диске.

Рис. 6. Асинхронный и синхронный ИС дроссельного типа

Рис. 7. Характеристики синхронных ИС

24

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcp.ru

дит за рамки данной статьи. главное отличие между этими двумя видами Ис — использование в асинхронном стабилизаторе диода, проводящего ток от земляного вывода.

главное преимущество Ис с асин-хронным выпрямителем — в их про-стоте. однако у них невысокий кпд из-за того, что диод рассеивает слиш-ком большое количество мощности. с другой стороны, чтобы получить хоро-ший кпд у Ис с синхронным выпрями-телем, оба переключателя не должны открываться одновременно. для этого используются цепи с несовпадающей коммутацией.

действительно, когда оба ключа закрыты, протекающий через дрос-сель ток создает потенциал между ними (VX на рисунке 6б), благода-ря чему активируются собственные диоды переключателей и ток про-текает непосредственно через под-ложку. в результате в ней может появиться шум и повыситься вероят-ность защелкивания из-за не вполне надежной топологии импульсного стабилизатора. очевидно, чем боль-ше ток пульсации, тем выше мгно-венное значение амплитуды шума подложки, что может привести к шумящей земле. кроме того, очень

Табл. 1. Результаты сравнения импульсных стабилизаторов дроссельного и бездроссельного типов

Импульсный стабилизатор дроссельного типа

Импульсный стабилизатор бездроссельного типа

Стоимость реализации

Список расходуемых материалов Большой и дорогостоящий дроссель + компоненты компенсационной схемы

Внешние компоненты в 10 раз меньше и дешевле. В малопотребляющих при-ложениях их количество может быть меньше

Количество выводов 4—6 3—7

Максимальный КПД 85% с недорогим дросселем95% с дросселем высокого качества 92%

КПД в зависимости от Iout Максимальный КПД в диапазоне зна-чений Iout, превышающем 90% шкалы

Максимальный КПД в диапазоне значе-ний Iout, превышающем 99% шкалы

Среднее значение КПД в зависимости от Vin и Vout

80...85% со стандартным дросселем 85...92% с дросселем высокого каче-ства

80%

Площадь кристалла Сравнимая

Рабочие характеристики

КПД в зависимости от тока нагрузки

Плохой при ШИМ. Хороший при ЧИМ; при этом серьезно ухудшаются параметры стабилизации, и увеличивается шум

Очень хороший

Шум на выходеПульсации при переключении + шум колебательного LC-контура в звуковой полосе частот

Только пульсации при переключении

Шум подложки

Емкостная шумовая связь при пере-ключении силовых транзисторов. В подложку поступает постоянный ток, если не используется диод Шоттки

Емкостная шумовая связь при пере-ключении силовых транзисторов. Шума не больше, чем в цифровых схемах

Полоса шума ШИМ и ЧИМ генерируют шум во всем частотном диапазоне

Пульсации на постоянной частоте вне звуковой полосы

Электромагнитные помехи Неэкранированный дроссель — хоро-шая антенна Небольшие электромагнитные помехи

Надежность Пики напряжения, вызванные индук-тивностью

Пульсации выходного напряжения без заметных пиков

трудно оценить влияние этого шума на всю систему.

единственный способ избежать воз-никновения такой проблематичной ситуации — добавить внешний диод шоттки с низким напряжением Vth по сравнению с Vx. Этот диод устанавли-вается до внутренних диодов переклю-чателей, позволяя устранить инжекцию тока. в результате перечень используе-мых компонентов, который и без того уже достаточно большой, увеличится, что является самым главным недостат-ком дроссельных Ис.

с другой стороны, единствен-ной причиной возникновения шума, инжектируемого в подложку без-дроссельными Ис, является паразит-ная емкостная связь. следовательно, производимый бездроссельным Ис шум подложки не больше, чем шум, который генерирует любая цифро-вая схема того же размера, рабо-тающая на той же тактовой частоте. рассматривая шум подложки, можно считать, что интеграция бездроссель-ного Ис не более опасна, чем блока кмоп-логики.

шуМ ГаРМонИк РабочеГо цИкладроссельные Ис регулируются с

помощью петли шИм. Это значит, что

пульсация выходного напряжения меняется в зависимости от режима работы. распределение гармоник (см. рис. 5) определено недостаточно хоро-шо и изменяется вместе с VIN, VOUT и IR. бездроссельные импульсные стаби-лизаторы управляются не с помощью шИм, а за счет линейной регуляции, и поддерживают на выходе устойчи-вый коэффициент заполнения величи-ной 50%.

электРоМаГнИтные поМехИеще одним недостатком использо-

вания Ис дроссельного типа являют-ся электромагнитные помехи, источ-ником которых может стать другая часть системы. рабочие параметры чувствительных к помехам радиоча-стотных или аналоговых цепей могут измениться из-за этих помех, кото-рые очень трудно смоделировать или предсказать.

Импульсный стабилизатор может подвергнуться воздействию источника электромагнитных помех, влияющих на напряжение VOUT через дроссель. такой источник шума тоже очень трудно смо-делировать. Эти электромагнитные помехи можно нейтрализовать с помо-щью экранированных дросселей, что, в свою очередь, не только увеличивает список расходуемых материалов, но и стоимость устройства.

надежноСтьпри переключении могут возни-

кать всплески напряжения, причиной которых является индуктивность. ситуация осложняется в том случае, если Ис питается от напряжения большего, чем указано в специфика-ции (например, от 4,2-в литий-ионной батареи). такие перенапряжения не возникают в бездроссельных импульс-ных стабилизаторах, которые обе-спечивает большую надежность при высоких напряжениях, или же более простой способ защиты.

заключенИев таблице 1 подводятся результа-

ты сравнения встраиваемых импульс-ных стабилизаторов дроссельного и бездроссельного типов, которые используются в малопотребляющих и портативных системах с высокой сте-пенью интеграции. мы считаем, что бездроссельные Ис являются эконо-мичным решением с лучшими параме-трами по сравнению с дроссельными Ис для интеграции в снк, предназна-ченные для переносных электронных устройств.

ЛИТераТура1. Mathieu Renaud, Yves Gagnon,

Inductorless Switching Regulators eliminate costly external component.

МИ

КР

ОС

ХЕМ

Ы С

ИЛ

ОВ

ОЙ

ЭЛ

ЕКТР

ОН

ИК

И

25

электронные компоненты №6 2009

В статье рассмотрен метод заряда блока конденсаторов для накопления энергии, обеспечивающий достаточный запас мощности для питания всех типов нагрузок. Описана схема обратноходового преобразователя с высокой выходной мощностью, использованного для заряда блока супер-конденсаторов. Статья представляет собой перевод [1].

НаКачКа И СбРОС — бОЛьшЕ ЭНЕРгИИ, чЕМ ВЫ ОжИдаЛИ! Джон Беттен (John Betten), специалист по применению, компания Texas Instruments

ВВеДениеРазработчики часто сталкиваются с

трудностями при создании высокоэф-фективных преобразователей мощно-сти. Причина — необходимость умень-шить тепловыделение в ограниченной области, чтобы обеспечить другие под-системы большей входной мощностью или сберечь электроэнергию из сооб-ражений экологичности. Что же должен сделать разработчик, когда от него тре-буется обеспечить выходную мощность, превосходящую входную мощность на 50 или 100%? Эта на первый взгляд невыпол-нимая задача может быть решена, хотя и с некоторыми ограничениями. Некоторые виды нагрузки требуют большие мощ-ности лишь в относительно короткие периоды времени продолжительностью в миллисекунды, секунды или даже мину-ты. В статье рассматривается, как этого можно добиться, заряжая блок конденса-торов для накопления энергии (накачка), пока она не потребуется, и разряжая кон-денсаторы на нагрузку контролируемым образом (сброс).

Все источники подводимого электро-питания имеют ограниченные предельные значения тока, напряжения или мощности. Из-за наличия внутреннего сопротивле-ния выходное напряжение батарей падает при большой нагрузке, тем самым кос-венно устанавливая наибольший выход-ной ток для стабилизации напряжения на нагрузке. Практически все адаптеры питания рассчитаны на наибольший уро-вень выходной мощности. При превыше-нии этого уровня адаптер питания может перейти в режим защиты от перегрузки по току, либо может даже сработать предо-хранитель для защиты источника входно-го питания. Интерфейс USB использует-ся как источник питания с напряжением 5 В с выходным током всего 0,1A, но при необходимости может обеспечивать мак-симальный выходной ток до 0,5 A. Такая величина тока ограничивает мощность этого чрезвычайно распространенно-го источника питания величиной всего 2,5 Вт. Дополнительную выходную мощ-ность можно получить только от источ-ника накопленной энергии, например от конденсатора или батареи.

тип нагрузки имеет значениеПередача тока в нагрузку от заряжен-

ного конденсатора определяется пере-носом требуемого количества заряда в течение определенного периода времени. В терминах подводимой мощности этот процесс можно определить с помощью уравнения:

(1)P = 0,5Cbulk(Vi2 – Vf

2),

где Cbulk — емкость заряжаемого конден-сатора; Vi — начальное напряжение кон-денсатора, а Vf — конечное напряжение после разряда.

Эта концепция проста в реализации: следует зарядить конденсатор большой емкости до начального высокого напряже-ния и дать ему разрядиться до заданного уровня; при этом ток подается в нагрузку в условиях временной перегрузки по току. В конце цикла разряда на конденсаторе останется напряжение Vf, и потребуется повторный заряд конденсатора до напря-жения Vi. Мощность, которую должен под-держивать конденсатор большой емкости, равна подводимой к нагрузке мощности за вычетом мощности, которая обеспе-чивается входным источником питания во время разряда. При расчете КПД всех импульсных преобразователей не следу-ет занижать требуемую величину емкости конденсатора. Уравнение (1) представляет собой выражение для напряжения на кон-денсаторе при подаче постоянной мощно-сти на нагрузку. Однако это является наи-худшей ситуацией, поскольку не всякая нагрузка требует постоянной мощности.

Примером нагрузки постоянной мощ-ности служит вход регулируемого импульс-ного источника питания. Для поддержания постоянной мощности по мере уменьшения входного напряжения импульсного источ-ника питания входной ток должен возрас-тать. Нагрузка может быть резистивной или проявлять себя как источник постоянного тока. На рисунке 1 показаны разрядные характеристики трех типов нагрузки. Все характеристики начинаются в одной точке, соответствующей начальному напряжению, но затем они расходятся. Ток постоянного сопротивления изменяется противополож-но току постоянной мощности и снижается при уменьшении напряжения, постепенно стабилизируясь по мере разряда. Разряд на нагрузку в режиме постоянного тока про-исходит линейно до нулевого напряжения, причем обеспечивается одинаковый ток, независимо от напряжения на конденса-торе. Разряд в режиме постоянной мощно-сти, в свою очередь, происходит быстрее всего из-за резкого возрастания разрядно-го тока по мере уменьшения напряжения. В зависимости от типа нагрузки необходимая емкость может существенно изменяться, поэтому всегда полезно знать характер конкретной нагрузки.

При использовании блока конденса-торов разработчик должен также решить, до каких пределов его можно будет раз-ряжать. Существуют два возможных спосо-ба. Первый состоит в непосредственном подключении нагрузки к блоку конденса-торов. Перепад напряжения на конденса-торах должен находиться в допустимых для нагрузки эксплуатационных пределах.

Рис. 1. Тип нагрузки определяет разрядную характеристику конденсатора

26

МИ

КР

ОС

ХЕМ

Ы С

ИЛ

ОВ

ОЙ

ЭЛ

ЕКТР

ОН

ИК

И

www. elcp.ru

Рис. 2. Пример схемы обратноходового преобразователя, заряжающего блок суперконденсаторов, для питания большой нагрузки

МИ

КР

ОС

ХЕМ

Ы С

ИЛ

ОВ

ОЙ

ЭЛ

ЕКТР

ОН

ИК

И

27

электронные компоненты №6 2009

Обычная полупроводниковая нагрузка допускает отклонение лишь 3—5% от номинального напряжения. Это суще-ственно ограничивает допустимое паде-ние напряжения и принуждает использо-вать конденсаторы большой емкости. В этом случае не требуется дополнительной стабилизации напряжения.

Второй способ допускает большие перепады напряжения и использует дополнительный стабилизатор между конденсатором и нагрузкой. Стабилизатор может быть понижающим, повышающим или даже SEPIC-преобразователем, в зави-симости от размаха напряжения на входе, выходе и конденсаторе. При большом перепаде напряжения на конденсаторе более эффективно используется запасен-ная энергия, что минимизирует величину необходимой емкости. Уменьшение тре-буемой емкости может снизить общие затраты, даже с учетом расходов на допол-нительный стабилизатор.

некоторые суперконДенсаторы оказыВаются несоВершеннымиПреимущество суперконденсато-

ров — плотность энергии, которая в 1000—10000 раз превышает плотность энергии электролитических конденсато-ров. В настоящее время часто используются конденсаторы с номинальным значением емкости 100 Ф и более. Многие из них пред-назначены для приложений с малым потре-блением тока, например для резервных запоминающих устройств. Конденсаторы таблеточного типа часто имеют эквива-лентное последовательное сопротивление (equivalent series resistance — ESR) 100 Ом и более. Разработчик должен определить максимальное допустимое ESR исходя из разрядного тока и падения напряжения. Современные типы суперконденсаторов имеют очень малую величину ESR, сравни-мую с аналогичным показателем для кера-мических конденсаторов.

На схеме, представленной на рисунке 2, были выбраны суперконденсаторы с малым ESR, поскольку они должны служить источ-ником тока в сотни миллиампер. Питание схемы осуществляется от порта USB с предельным значением входной мощности 2,5 Вт. Выходное напряжение преобразова-теля составляет 7 В на импульсной нагрузке 4,2 Вт в течение 4 с, а затем 0,7 Вт в течение 15 с. Изолированный обратноходовой пре-образователь с контроллером TPS40210 использован для заряда блока суперкон-денсаторов до напряжения 13,5 В во время режима малой нагрузки. Допускается раз-ряд конденсатора приблизительно до 9,5 В через 4 с режима большой нагрузки. В течение этого периода входной ток стаби-лизируется на уровне не более 0,5 A (2,5 Вт) и измеряется резистором с помощью опе-рационного усилителя. Если величина входного тока стремится превысить 0,5 A, эта токовая петля управляется напряжени-

ем вторичного контура. Во время регули-рования входного тока входная мощность продолжает подаваться на вторичный кон-тур, но ограничена уровнем 2,5 Вт, тогда как дополнительная мощность подается на нагрузку блоком конденсаторов.

На рисунке 3 показаны графики изме-нения тока и напряжения. Во время импульса тока нагрузки 0,6 А (нижняя кривая) напряжение на суперконденса-торе (верхняя кривая) снижается прибли-зительно до 4 В. Это значение является входным напряжением для синхронного понижающего DC/DC-преобразователя типа TPS62110, стабилизирующего выход-ное напряжение на уровне 7 В (средний сигнал). Когда выходной ток нагрузки при напряжении 7 В уменьшается до 0,1 A, блок конденсаторов повторно полностью заряжается до 13,5 В. Во время этих сту-пенчатых изменений режимов нагрузки и больших перепадов входного напряжения выходное напряжение остается стабиль-ным с небольшими отклонениями.

На рисунке 4 показаны сигналы в момент подачи напряжения 4,5 В на вход USB. При включении блок конденсаторов первоначально разряжен, а обратноходо-вой преобразователь немедленно пере-ключается в режим ограничения вход-ного тока, поскольку выходная нагрузка ведет себя как короткозамкнутая. Блок конденсаторов медленно заряжается до напряжения 13,5 В со скоростью, которая определяется ограничением по входной мощности 2,5 Вт и потерями, связанными с КПД обратноходового преобразователя. Когда напряжение достигает 13,5 В, вто-ричный контур принимает управление на себя, позволяя уменьшить входной ток. В

этом примере выходная нагрузка отсут-ствует, хотя для полного заряда конден-саторов требуется приблизительно 18 с. Время запуска будет еще более продол-жительным, если подключить внешнюю нагрузку. Это является одним из недостат-ков, связанных с наличием накопительного конденсатора большой емкости.

заключениеСхема, представленная в этой статье,

обеспечивает построение изолированно-го источника питания, мощность которо-го больше мощности входного источника питания. Хранение энергии в конденса-торе большой емкости имеет свои недо-статки, в частности, высокую стоимость суперконденсаторов и продолжительное время запуска. Тип нагрузки непосред-ственно влияет на величину необходимой емкости для длительной поддержки тре-буемой величины напряжения. Нагрузка с постоянной мощностью, например такая как стабилизирующий импульсный преоб-разователь, представляет собой наиболее тяжелый вид нагрузки и может разрядить накопительный конденсатор быстрее, чем резистивная нагрузка или нагрузка по постоянному току. Однако если в схеме предусмотреть возможность значительно-го снижения напряжения на накопитель-ном конденсаторе, после которого вклю-чен импульсный стабилизатор, то можно удовлетворить потребности в энергии для самой большой нагрузки.

Литература1. Pump and dump — delivering more

power than you thought possible! By John Betten// www.powermanagementdesignline.com.

Рис. 3. Импульсы тока нагрузки (нижний сигнал) разряжают блок конденсаторов (верхний сигнал), но напря-жение на выходе стабилизировано (средний сигнал) (масштаб: 2 В/деление, 0,2 A/деление, 5 с/деление)

Рис. 4. Заряд батареи конденсаторов может быть медленным при подаче напряжения питания во время запуска (Масштаб: 2В/деление, 5 с/деление)

28

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

Преобразователи напряжения с коррекцией коэффициента мощности, рассчитанные на мощность более 2 кВт, применяются в широком спектре оборудования — от сварочных аппаратов до источников бесперебойного питания, от холодильников до кондиционеров. В статье описывается, как моделирование с помощью системы Mathcad помогает выбрать опти-мальную топологию повышающего преобразователя для разрабатывае-мого приложения. Статья представляет собой перевод [1].

оптиМизация схеМы повышающего преобразователя с коррекцией коэффициента Мощности чезаре Боккиола (Cesare BoCChiola), инженер по применению, International Rectifier Corp.

в то время как безмостовые и дру-гие низкочастотные корректоры коэф-фициента мощности (ккМ) могут при-меняться в таком оборудовании как кондиционеры, где имеется достаточ-но пространства для крупных катушек индуктивности, в других приложениях требуется использование высокоча-стотных каскадов ккМ для минимиза-ции габаритов и веса.

однокаскадная и двухкаскадная схема преоБразователявозможны два типа топологий высо-

кочастотного каскада повышающего преобразователя с ккМ: однокаскадная и многокаскадная (с чередованием) схемы. обычно в схеме однокаскадного

повышающего ккМ-преобразователя, работающего в диапазоне мощностей, достигающих 1500 вт, могут проявлять-ся недостатки — применение мощ-ных ключей в стандартном корпусе типа TO247 ограничено из-за проблем с рассеиваемым теплом. вместо шун-тирующих резисторов следует приме-нять трансформаторы тока, а катушки индуктивности становятся громоздки-ми и дорогими. кроме того, выходной конденсатор становится критичным компонентом из-за больших пульса-ций тока. Для решения этих проблем все чаще применяется многокаскадная схема (с чередованием) повышающего ккМ-преобразователя. такая топология обеспечивает ряд преимуществ по срав-нению с однокаскадной топологией:

1. Уменьшение объема магнитного сердечника.

2. потенциальное уменьшение размеров фильтра электромагнитных помех.

3. снижение пульсаций тока на кон-денсаторе в цепи постоянного тока (что повышает надежность).

на рисунке 1 изображены схемы и идеализированные формы сигна-лов для двух топологий преобразо-вателя. в топологии с чередованием каждый каскад управляет половиной выходной мощности преобразовате-ля, а пульсации тока снижаются из-за фазового сдвига на 180° между двумя шиМ-сигналами. однако в отличие от повышающих преобразователей с постоянным напряжением на входе, в ккМ-преобразователях рабочий цикл не является постоянным в тече-ние сетевого полупериода выпрям-ления, и снижение пульсаций тока как на входном, так и на выходном конденсаторах не всегда достижимо. поэтому оптимальная конфигурация фильтра электромагнитных помех, минимальная рассеиваемая мощ-ность в силовых полупроводниковых приборах и низкие пульсации тока на выходном конденсаторе не явля-ются автоматическим результатом использования двухкаскадной схемы ккМ-преобразователя. вот почему разработчикам нужны методы наи-более точного сравнения преиму-ществ каждой из топологий схем ккМ-преобразователей.

моделирование с помощью системы MathCadкомпания International Rectifier раз-

работала систему моделирования на базе Mathcad, которая позволяет весь-Рис. 1. Схемы однокаскадного и двухкаскадного преобразователя и основные сигналы

30

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

ма точно сравнивать альтернативные решения, определять оптимальную топологию схемы преобразователя в соответствии с требованиями прило-жения и обеспечивает возможность гибкого изменения параметров и рабочих условий. система моделиро-вания сочетает возможность эмуляции реальных сигналов схемы в режиме дискретного времени, которые соот-ветствуют непрерывным функциям, и точной оценки потерь мощности на основе моделей силовых приборов. полная эмуляция спектра входного тока (достигаемая с помощью быстро-го преобразования фурье — бпф) обеспечивает расчет и построение входного фильтра в соответствии с требованиями европейского стандар-та по электромагнитной совместимо-сти EN55014.

в данной статье описаны моде-ли построения двух топологий ккМ-преобразователей, рассчитанные на мощность 2000 вт. результаты моде-лирования приведены для следующих рабочих условий:

– стандартный или расширенный входной диапазон напряжений, частота сети 50 гц;

– одинаковое значение индуктив-ности катушек для двух вариантов схем;

– мощный ключ IGBT IRGP4068D1 и диод Hexfred;

– однокаскадный входной D-фильтр;

– одинаковая для двух вариантов частота переключения (40 кгц) и выход-ное напряжение (380 в DC).

сначала был смоделирован рабочий цикл в течение полупериода напряже-ния сети для однокаскадной и двух-каскадной схем ккМ-преобразователя. затем были рассчитаны сигналы тока в зависимости от параметров прило-жения и рабочего цикла. на рисунке 2 представлены графики среднего тока, тока пульсаций, тока долины и пико-вого тока катушки для однокаскадного и двухкаскадного повышающих преоб-разователей при индуктивности катуш-ки 1 мгн.

Чтобы точно рассчитать мощность, рассеиваемую на ключах и диодах, необ-ходима временная функция, а также ее огибающая, в то время как для расчета EON и EOFF, тока выходного конденса-тора и его эквивалентного последова-тельного сопротивления (ESR) нужен ток долины и пиковый ток.

на основе этих данных можно:1. рассчитать мощность, рассеивае-

мую на ключе и диоде, что позволяет построить точную модель этих двух приборов.

2. выбрать магнитный сердечник и рассчитать параметры обмотки, что позволяет оценить потери в сердеч-нике.

3. рассчитать шунтирующий рези-стор, который контролирует ток нагруз-ки для контроллера, и мощность, рас-сеиваемую на нем.

4. рассчитать мощность, рассеивае-мую на выходном конденсаторе.

Для шунта выбрано пиковое значе-ние напряжения 0,5 в, в соответствии с требованиями для ккМ-контроллера IR11502 компании IR, и предполагается, что разработчик сделал выбор значе-ния емкости выходного конденсато-ра в соответствии с требованиями к приложению (включая величину пуль-саций и время удержания). емкость выходного конденсатора и ESR будут затем служить входными параметра-ми для таблицы моделирования (в дан-ном примере используются выходные конденсаторы 4×470 мкф/400 в типа PEH506 85° с общей величиной ESR 160 мом/4 = 40 мом).

заметим, что поскольку предпо-лагается, что выходное напряжение VOUT практически постоянно (без пульсаций), ток конденсатора имеет две основные переменные компо-ненты: одну на частоте сети питания (генерирует реальные пульсации напряжения, которыми мы прене-брегаем), а вторую — высокочастот-ную. окончательным этапом расчета являются применение бпф к току на катушке во всем полупериоде сети и сравнение спектра с предельными тре-бованиями стандарта EN55014 с целью выбора фильтра электромагнитных помех. Для этого следует учитывать эффект схемы стабилизации полного сопротивления линии (line impedance stabilization network — LISN).

блок-диаграмма системы и сеть стабилизации полного сопротивле-ния линии показаны на рисунке 3. входной фильтр состоит из Lf, Cx и Cb. в этой схеме учитываются только диф-ференциальные помехи — при рас-смотрении топологии ккМ синфазные помехи не являются существенными и ими пренебрегают. проектирование фильтра следует выполнять итераци-онно: выбираются номиналы элемен-тов фильтра, и производится моде-лирование до тех пор, пока спектр электромагнитных помех входного тока не будет отвечать требованиям стандарта EN55014.

Рис. 2. Результаты моделирования тока для однокаскадного и двухкаскадного преобразователей

1 техническую документацию на транзистор IRGP4068D см. на компакт-диске.2 Указания по применению микросхемы IR1150 и описание демонстрационной платы IRAC1150-300W см. на компакт-диске.

Рис. 3. Блок-диаграмма системы и сеть стабилизации полного сопротивления линии

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

31

электронные компоненты №6 2009

пример расчета схемыв таблице 1 представлены результа-

ты моделирования следующих вариан-тов схемы ккМ-преобразователя:

1. входное напряжение 230 в, одно-каскадная схема.

2. входное напряжение 85…255 в, однокаскадная схема.

3. входное напряжение 230 в, двух-каскадная схема.

4. входное напряжение 85…255 в, двухкаскадная схема.

Для каждого варианта схемы выбран стандартный сердечник и предполагает-ся, что плотность тока обмоток катушки лежит в пределах 2…3 а/мм2 с коэффи-циентом заполнения 40%. результаты моделирования показывают, что двух-каскадный преобразователь не обеспе-чивает существенных преимуществ, за исключением снижения потерь в сило-вых полупроводниковых приборах и на выходном конденсаторе, что компенси-руется сильными потерями в обмотке катушки индуктивности.

альтернативная схема допускает одинаковую индуктивность для двух-каскадного и однокаскадного преоб-разователей (400 мкгн на катушку). при сохранении того же размера сер-

дечника потери в обмотках могут быть снижены до четырех раз. в то же время потери в силовых полупровод никовых приборах могут измениться незна-чительно или даже совсем остаться без изменений. однако для входного фильтра в этом случае нужна индук-тивность 75 мкгн вместо 50 мкгн. в принципе увеличение на 50% индук-тивности фильтра требует увеличения на 50% объема магнитного материала, и для той же самой величины входного тока — одинаковых потерь в обмот-ках. поэтому суммарное количество магнитного материала увеличивается, а общая рассеиваемая мощность ста-новится существенно меньше.

заключениев обоих решениях — в однока-

скадной и двухкаскадной (с чередо-

Таблица 1. Результаты моделирования

Вариант схемы Объем сердечника, мм3

Вес сердечника, г

Рассеиваемая мощность, Вт

Фильтр электро-магнитных помех

230 В, однокаскадная 79000 205 49,6

2×680 нФ + 50 мкГн230 В, двухкаскадная 88000 216 53,4

85…255 В, однокаскадная 204000 520 204,285…255 В, двухкаскадная 204000 520 229,7

ванием) топологии повышающего ккМ есть свои преимущества и недостатки. Двухкаскадный преобразователь не всегда является лучшим выбором для всех приложений и/или рабочих усло-вий. используя инструменты модели-рования на базе Mathcad, разработчи-ки могут сравнивать обе топологии на основе реальных критериев и, таким образом, выбирать оптимальные решения в соответствии с системными требованиями.

Литература1. Cesare Bocchiola. Optimising PFC Boost

Converter Design.2. P. Ram Mohan, M. Vijaya Kumar, O. V.

Raghava Reddy. Simulation of a Boost PFC Converter with Electro Magnetic Interference Filter // International Journal of Electrical Systems Science and Engineering.

События рынка

| agilent teChnologies получила награду «продукт года» от eC&M | Ручной цифровой мультиметр Agilent U1253A c дисплеем на органических светодиодах завоевал приз «Продукт года» по версии журнала Electrical Construction & Maintenance (EC&M) в категории «Портативное контрольно-измерительное оборудование».

Награда, присуждаемая редакцией журнала, признала по-настоящему инновационный характер мультиметра Agilent U1253A. Первый в мире мультиметр с дисплеем на органических светодиодах обеспечивает исключительное качество отображения результатов измерений и в помещениях, и в темноте, и под острым углом, а его контрастность составля-ет 2000:1. Более подробную информацию о мультиметре Agilent U1253A см. на сайте www.agilent.com/find/oleddmm. Фотографии высокого разрешения доступны по ссылке www.agilent.com/find/oleddmm_images.

Agilent Technologies продолжает развивать серию приборов эконом-класса, отвечая потребностям рынка в изме-рительных приборах, которые легко переносятся к месту монтажа или технического обслуживания, обладают высокой точностью и доступны в ценовом отношении. Agilent Technologies выпускает широкий спектр аппаратуры этого класса, включая лабораторные, ручные и модульные приборы — источники питания, цифровые мультиметры, ручные осцилло-графы, устройства сбора данных с USB-интерфейсом, программное обеспечение Agilent VEE и средства подключения приборов к ПК.

Специалисты по достоинству оценили эту аппаратуру: серия осциллографов Agilent U1600A удостоилась звания «Продукт года» по результатам голосования читателей журнала Elektronik, а серия цифровых мультиметров Agilent U1250A вошла в EDN Hot 100 Product и была признана «Лучшим портативным контрольно-измерительным прибором» на сайте analogZONE.

Более подробная информация об измерительных приборах эконом-класса см. по адресу www.agilent.com/find/lci_backgrounder.

www.russianelectronics.ru

32

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

Цифровые сигнальные контроллеры с плавающей точкой, основанные на архитектуре с фиксированной точкой, позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления в инвертирующих усилителях мощ-ности для систем, использующих солнечную энергию и энергию ветра. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

развитая логика управления повышает эффективность возобновляеМых источников энергииАрефин МохАММед (Arefeen MohAMMed), инженер по применению, Texas Instruments

в настоящее время в силовой элек-тронике и, в частности, в приложениях с возобновляемыми источниками энергии необходимо повысить общее количество получаемой мощности при снижении ее удельной стоимости. одним из способов достижения этой цели является добав-ление развитых логических функций в управление инвертором, преобразую-щим изменяющееся выходное напря-жение источника энергии в стабильное напряжение, которое используется для работы различных устройств. одно из решений этой проблемы — применение интеллектуальных инверторов, повы-шающих энергоэффективность, синхро-низирующихся с электросетью общего пользования и защищающих локальные системы от возможных повреждений в сети.

хотя системы с солнечными бата-реями и ветросиловые установки являются наиболее очевидными при-менениями, интеллектуальные инвер-торы также могут применяться в дру-гих приложениях для максимального увеличения выходной мощности. Для подобных применений высокоэф-фективное управление инвертором обеспечивается цифровыми сигналь-ными контроллерами (Цск), умень-шающими потери преобразования

вполовину при значительном сниже-нии стоимости. Цифровые сигнальные контроллеры сочетают в себе высокую производительность цифровых сиг-нальных процессоров (Цсп) с просто-той программирования и интеграции микроконтроллеров. помимо этого, в настоящее время доступны Цск, под-держивающие операции с плавающей точкой, что повышает производитель-ность и облегчает программирование сложных алгоритмов.

нАзнАчение инверторовосновная функция инвертора

состоит в преобразовании изменяю-щегося напряжения постоянного тока, поступающего от источника, в ста-бильное синусоидальное напряжение с частотой 50 или 60 гц для питания различных устройств и его подачи в электрическую сеть. в зависимости от приложения, может требоваться одно-фазное или многофазное напряжение. помимо преобразования постоянно-го тока в переменный, интеллекту-альные инверторы также защищают нагрузку, в источниках бесперебой-ного питания заряжают аккумулятор-ные батареи, регистрируют данные о потребляемой мощности, эксплуа-тационные показатели, отслежива-

ют режимы оптимальной мощности источника энергии (Maximum Power Point — MPP; Maximum Power Point Tracking — MPPT) для поддержания максимальной эффективности выра-ботки электроэнергии. номинальные диапазоны от одного до нескольких сотен киловатт пиковой мощности позволяют проектировать инверторы в сложных топологиях источников, с трансформаторами или без таковых, а также с интеграцией нескольких управляющих процессоров.

упрощенная структурная схема инвертора показана на рисунке 1. сначала преобразователь постоянного напряжения повышает или понижает входное напряжение, регулируя выход-ные параметры для достижения наи-большей эффективности. после неко-торой дополнительной буферизации напряжения полевые Моп-транзисторы моста используют частоту коммутации в диапазоне 18...20 кгц для преобразо-вания постоянного напряжения в пере-менное. в заключение низкочастотный фильтр сглаживает коммутируемый переменный ток до синусоидальной формы сигнала для использования при генерации выходного переменного тока с частотой электросети. (на рисун-ке 2 не показаны преобразование и регулирование величины постоянного напряжения, необходимые для зарядки аккумуляторной батареи).

трАнсфорМАторы и зАщитАпоскольку входное напряжение

источника обычно недостаточно высоко, то система может либо повы-шать напряжение с помощью транс-форматора на стороне переменного напряжения, либо увеличивать напря-жение на каскаде преобразования величины постоянного напряжения. Рис. 1. Упрощенная структурная схема инвертора

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

33

электронные компоненты №6 2009

трансформатор переменного тока обе-спечивает гальваническую развязку благодаря своей конструкции; то же самое происходит в случае полномо-стового преобразователя постоянного тока со сдвигом по фазе и отключением при нулевом напряжении, и этот пре-образователь, таким образом, пред-ставляет собой эквивалент трансфор-матора. на рисунке 2 показана широко используемая схема преобразования постоянного тока в переменный с трансформатором для однофазного инвертирования, управляемая четырь-мя сигналами широтно-импульсной модуляции (шиМ).

с одной стороны, трансформаторы увеличивают вес, объем и стоимость решения, а также приводят к снижению кпД приблизительно на 2%. с другой стороны, они улучшают защиту цепи и повышают безопасность пользователя, изолируя цепи и предотвращая распро-странение короткого замыкания посто-янного тока на сторону переменного тока. конструкция может включать в себя устройство защиты от остаточного тока (residual current protection device, RCD), отслеживающее токи всех фаз, а затем размыкающее реле, если ток пре-вышает определенную величину. из-за опасности утечки тока устройства RCD имеют особое значение для безопасно-сти бестрансформаторных систем.

необходимость включения в кон-струкцию реле диктуется требования-ми защиты системы, чтобы предохра-нить цепи преобразования и зарядки от перегрузки и скачков напряжения в электросети. инвертор определяет случаи, когда линия обесточена, нахо-дится под пониженным или повышен-ным напряжением либо имеет суще-ственные нарушения по какой-либо другой причине. когда происходит что-то подобное, инвертор автоматически отключается от сети электроснабже-ния, не становясь отдельной электро-генерирующей секцией.

Увеличение Мощности зАрядки до МАксиМУМАэффективность заряда аккумуля-

торной батареи зависит от входного напряжения, которое может сильно меняться, особенно в системах с воз-обновляемыми источниками энергии. параметры аккумуляторной батареи также изменяются в зависимости от состояния зарядки, так что время от времени для того, чтобы повысить пол-ную отдаваемую мощность и скорость зарядки, возникает необходимость в коррекции режима заряда.

батарея имеет максимальную мощ-ность заряда при оптимальной мощ-ности MPP. отслеживание точки опти-мальной мощности MPP необходимо для ее определения и коррекции пре-

образования напряжения постоянного тока с целью получения максималь-ной выходной мощности для заряд-ки. MPPT может повышать общий кпД солнечных энергосистем на одну треть или больше в зимний период, а также оказывать значительное влияние на системы другого типа. на рисунке 3 показано, как определение MPP изме-няется в зависимости от погодных условий.

наиболее распространенный алго-ритм определения MPP состоит в регули-ровании рабочего напряжения на каждом цикле MPPT. этот алгоритм поддержи-вает осцилляции в окрестности точки MPP в достаточно широком диапазоне, чтобы исключить небольшие искажаю-щие общую картину пиковые значения на графике мощности. Мера неэффективно-сти алгоритма возмущение-наблюдение определяется пределами, в которых происходит осцилляция от точки MPP на каждом цикле. применяемый в качестве альтернативы алгоритм дифференциаль-ной индуктивности находит точки экс-тремума, в которых производная графика мощности равна нулю, а затем переходит на установленный уровень мощности.

хотя такой подход лишен связан-ных с осцилляцией недостатков, он может оказаться несостоятельным по другим причинам, поскольку вероя-тен переход на локальный максимум вместо точки MPP. комбинированный подход поддерживает уровень, опре-деленный алгоритмом дифференци-альной индуктивности, но произво-дит сканирование в более широком диапазоне, чтобы исключить выбор локальных максимумов. являясь более эффективным, этот подход также тре-бует большей производительности контроллера.

требовАния к проектировАнию систеМы УпрАвлениячтобы эффективно исполнять точ-

ные алгоритмы преобразования посто-янного тока в переменный и защитить цепь, управляющий процессор для инвертора должен удовлетворять ряду требований к обработке данных в реальном времени. Для исключения секционирования необходимо точное измерение напряжений и токов для определения потока мощности, при котором разрешено быстрое отключе-ние.

если выход инвертора должен син-хронизироваться с линией электропи-тания, то система управления может включать в себя цифровой контур фазовой автоподстройки частоты, реализованный на уровне программ-ного обеспечения наряду с другими алгоритмами. хотя MPPT и управление зарядкой аккумуляторной батареи тре-буют реагирования лишь в близком к

реальному времени режиме, они также предусматривают алгоритмы с высо-ким уровнем требований к обработке. управление требуется для установле-ния стабильного напряжения постоян-ного тока в каскаде преобразования величины постоянного тока, а также в некоторых случаях может быть необ-ходимо для компенсации изменений постоянного тока в каскаде его преоб-разования в переменный ток. решить эти проблемы разработчику позволит единственное устройство, способное управлять всеми этими каскадами и обладающее достаточной производи-тельностью для выполнения несколь-ких алгоритмов.

Цск представляют собой хорошее решение для управления в реаль-ном времени инверторами, аккуму-ляторными батареями и защитными механизмами в системах с возобнов-ляемыми источниками энергии. эти устройства наследуют от Цсп воз-можность поддержки быстрых мате-матических вычислений в алгоритмах управления в реальном времени. один контроллер на базе Цсп может управ-лять несколькими каскадами преобра-зования на одном и том же инверторе, а также имеет запас производительно-сти для выполнения дополнительных функций, например MPPT, мониторинга зарядки батарей, защиты от бросков напряжения, протоколирования дан-ных и обеспечения связи.

в новых контроллерах с плавающей точкой эти преимущества расширены, что облегчает программирование и отладку, а также делает их менее под-верженными ошибкам. более широкий диапазон, характерный для операций с плавающей точкой, уменьшает веро-ятность насыщения и позволяет про-изводить динамическую коррекцию

Рис. 2. Схема преобразования

Рис. 3. Определение MPP в зависимости от погод-ных условий

34

Ми

кр

ос

хеМ

ы с

ил

ов

ой

эл

ектр

он

ик

и

www.elcp.ru

алгоритмов при любых режимах нагрузки. помимо этого, программный код на основе команд с плавающей точкой более компактен в математических операциях и требует меньше тактов для исполнения, чем в случае фиксированной точки.

проектировАние систеМы УпрАвления инверторАна рисунке 4 показан цифровой сигнальный контроллер

F2833x, применяемый для управления инвертором сило-вого каскада в работающей от солнечной энергии системе. (система с ветросиловой установкой выглядит аналогично, хотя имеет коллектор энергии с ветродвигателем). входные сигналы от датчиков на батарее солнечных элементов пода-ются на аЦп контроллера, обеспечивая мгновенную пере-дачу данных о напряжении и токе, которые подаются для преобразования от солнечной батареи. кроме того, входные сигналы могут, например, предоставлять информацию о тем-пературе солнечных элементов и окружающей среды, при-меняемую для защиты фотоэлектрических панелей, а также обеспечивать обратную связь путем измерения выходной мощности солнечных элементов, используемую для отсле-живания точки MPP.

все измерительные входы должны быть масштабированы таким образом, чтобы максимумы и выбросы не превос-ходили 3-в уровень напряжения аЦп. Данные сначала пода-ются на контур управления электропитанием. в зависимости от конструкции, возможно наличие нескольких контуров. Другие выполняемые в реальном времени задачи также предусматривают входные сигналы на контур управления электропитанием. в число таких задач входит измерение мощности, возвращаемой в сеть, мониторинг уровней мощ-ности в сети для обеспечения защиты, регулирование заряд-ки батарей, отслеживание точки MPP и взаимодействие с параллельными контроллерами, управляющими другими системами.

на рисунке 1 показано, как в инверторе используются шиМ-контроллеры для каскадов преобразования величины постоянного тока и преобразования постоянного тока в переменный. в зависимости от уровня мощности системы, можно реализовать однофазную или многофазную конфи-гурацию преобразования постоянного тока. Мониторинг и управление для входного и выходного напряжений каскада преобразования постоянного тока можно осуществлять с помощью аЦп контроллера. управление каскадом преобра-зования постоянного тока в переменный с использованием полумостовой схемы, как показано на рисунке 2, можно осуществлять с использованием четырех выходных сигналов шиМ. поддерживается разрешение шиМ более 12 разрядов при частоте коммутации шиМ 20 кгц — это достаточно высо-кие показатели для обеспечения переходной характеристи-ки и контроля над выходным напряжением переменного тока.

Рис. 4. Цифровой сигнальный контроллер F2833x

это напряжение синхронизируется с линией переменного тока путем измерения напряжения в линии и точке пере-сечения нуля; последняя величина определяется с помощью любой из линий ввода–вывода контроллера. Малое время задержки обработки прерывания, характерное для контролле-ров F2833x, обеспечивает быстрый отклик и синхронизацию выхода инвертора с напряжением линии переменного тока.

в качестве альтернативы вместо полумостового преобра-зователя на выходе системы может применяться трехфазный инвертор. в этом случае для управления каскадом преобра-зования постоянного тока в переменный потребуются шесть сигналов шиМ.

важным аспектом конструкции является управление обработкой отказов в реальном времени. отказы, воз-никающие сравнительно медленно (например, перегрев инвертора), могут быть обнаружены и обработаны с использованием выделенного входа аЦп, осуществляю-щего текущий контроль температуры и инициирующего соответствующую реакцию системы. напротив, такие кри-тические отказы как повышенное и пониженное напряже-ние или перегрузка по току, требуют немедленной реак-ции во избежание серьезного повреждения системы. в контроллерах F2833x предусмотрены специальные линии для обработки таких критических отказов, называемые зонами отключения. выводы зон отключения переводят в неактивное состояние отображаемые выходные сигналы шиМ в течение двух тактов Цсп после получения сигнала об отказе, обеспечивая своевременное отключение систе-мы для предотвращения ее серьезного повреждения.

Литература1. Arefeen Mohammed, Control Intelligence Improves Renewable Energy

Efficiency.

Новости из мира дисплеев

| Innolux нАрАщивАет выпУск Мониторов с led-подсветкой | Председатель компании Innolux Display Синь Тюань (Hsing C. Tuan) прогнозирует в третьем квартале 2009 г. резкий скачок спроса на мониторы со светодиодной под-светкой. Свой прогноз он объясняет снижением разницы в цене между панелями с LED и CCFL лампами подсветки.

В I кв. 2009 г. доля панелей с LED-подсветкой состав-ляла всего 0,5% на рынке ЖК-панелей для мониторов, а это — около 100 тыс. панелей. Тем не менее, председа-тель Innolux уверен, что вскоре ситуация кардинально изменится, и уже в 2010 г. в ассортименте компании будет 50% мониторов со светодиодной подсветкой.

www.russianelectronics.ru

35

электронные компоненты №6 2009

Одной из главных тенденций современного развития микроконтроллерных систем управления является пере-ход на 32-разрядные архитектуры и программирование на языках высокого уровня.

Значительный сегмент рынка 32-разрядных встраи-ваемых систем занимают изделия на основе микропро-цессоров и микроконтроллеров (МК) с архитектурой ARM (Advanced RISC Machine). Компания ARM является разра-ботчиком процессоров, а не производителем — по ее лицензиям собственно микросхемы выпускают ведущие микроэлектронные компании мира.

В настоящее время известны три семейства процессо-ров ARM — младшее семейство ARM7 (тактовые частоты 50…100 МГц), производительное семейство ARM9 (такто-вые частоты около 200 МГц) и старшее семейство ARM11 (тактовые частоты до 1 ГГц).

Опыт эксплуатации первого поколения ARM7-микро-контроллеров показал, что при несомненных достоинствах этих приборов, связанных в первую очередь с универсаль-ностью архитектуры, для решения задач управления необ ходимо увеличить скорость обработки прерываний и плотность кода.

В 2004 г. было объявлено о разработке 32-разрядного ядра Cortex-M3 как продукте сотрудничества компаний ARM и STMicroelectronics, а в 2007 г. на основе нового ядра появилось семейство МК STM32.

Первоначально МК с ядром Cortex-M3 позиционирова-лось как упрощенные, бюджетные 32-разрядные приборы. Предполагалось, что они не будут конкурировать с ARM7-МК, поскольку предназначены для более низкой иерархи-ческой ниши. Однако глубокая модернизация архитектуры ARM7 и применение технологии 0,14 мкм привели к тому, что МК семейства STM32 по основным параметрам пре-взошли ARM7-микроконтроллеры.

Современная структура и технология производства позволили достичь показателя энергопотребления ядра Cortex-M3 микроконтроллеров STM32 в 0,19 мВт/МГц. При этом производительность по тесту Dhrystone составляет 1,25 DMIPS/MГц против 0,95 DMIPS/MГц для ARM7TDMI на наборе команд Thumb. Максимальная тактовая частота МК STM32 составляет 72 МГц. Компания STMicroelectronics заявляет о способности своих МК с ядром Cortex-M3 пре-восходить DSP других компаний в нише целочисленных вычислений. Таким образом, МК STM32 с ядром Cortex-M3 не только экономичнее, но производительнее, чем тради-ционные ARM7.

В целом, семейство STM32 с ядром Cortex-M3 устанав-ливает новый стандарт качества среди 32-разрядных МК, а

В статье представлен встраиваемый модуль TE-STM32F103 от компании «Терраэлектроника», выполненный на основе микроконтроллера с ядром Cortex-M3. Модуль реализует преимущества микроконтроллера из старшей линейки семейства STM32 компании STMicroelectronics: производительное 32-разрядное ядро (72 МГц), флэш-память 512 Кбайт, быстрая обработка прерываний, 12-разрядные АЦП и ЦАП. Модуль представляет собой завер-шенное решение, готовое для установки в изделия в качестве ядра системы управления.

Владимир Бродин, игорь БулатоВ, «Терраэлектроника»

модуль TE-STM32F103 — встраиваемое решение на основе микроконтроллера с ядром Cortex-M3

невысокая цена позволяет рекомендовать это семейство разработчикам для перехода с 8- и 16-разрядных архитек-тур на 32-разрядные.

Семейство STM32 очень хорошо подходят для изуче-ния и практического освоения современных 32-разряд-ных МК. Более простая, по сравнению с ARM, прозрачная для понимания структура программно-доступных ресур-сов семейства STM32 позволяет войти в мир произво-дительных МК как уже искушенным разработчикам, так и новичкам.

Структура адресного пространства ядра Cortex-M3 МК семейства STM32 представлена на рисунке 1.

Ядро Cortex-M3 использует гарвардскую архитектуру с раздельными пространствами памяти программ и данных, хорошо известную тем разработчикам, у которых имеется опыт работы с 8-разрядными приборами. Все ресурсы имеют единое адресное пространство, в котором нахо-

Рис. 1. Адресное пространство МК с ядром Cortex-M3

36

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Микроконтроллерный модуль TE-STM32F103

дятся, в т.ч. характерные для МК массивы ячеек с битной адресацией (два массива по 1 Мбайт каждый). Внутренняя флэш-память позволяет хранить как программы, так и данные.

Компания «Терраэлектроника» в рамках программы соз-дания собственных микроконтроллерных средств разра-ботала на основе МК из старшей линейки семейства STM32 встраиваемый модуль TE-STM32F103. При его проектиро-вании решалась задача создания многоцелевого средства, способного функционировать в разном качестве в составе различных конфигураций аппаратуры. Планировались сле-дующие основные роли.

1. Компактный бюджетный модуль на основе 32-разряд-ного МК с оптимальным набором интерфейсов, который можно использовать в конечном изделии и как производи-тельный процессор смешанных сигналов, и как экономич-ный контроллер с минимальным интегральным потребле-нием энергии.

2. Отладочное средство при макетировании встраи-ваемых систем. Как известно, МК может служить генера-тором функциональных тестов для всего изделия. Модуль TE-STM32F103 имеет возможность загрузки тестовых программ через мост USB-UART и возможность отладки с использованием интерфейса JTAG.

3. Учебно-демонстрационное средство для освоения 32-разрядных МК. Небольшая цена, доступность всех пор-тов МК на контактных площадках, расширяемый набор демо-программ являются весомыми аргументами для выбора модуля TE-STM32F103 в качестве платформы для перехода на современные производительные МК.

Модуль TE-STM32F103 (см. рис. 2) реализован на осно-ве МК STM32F103RET6, который кроме процессорного ядра типа Cortex-M3 содержит на кристалле флэш-память объемом 512 Кбайт, ОЗУ 64 Кбайт, заключен в 64-выводный корпус LQFP и способен функционировать на максималь-ной тактовой частоте 72 МГц.

Структура микроконтроллеров старшей линейки STM32F103 приведена на рисунке 3.

Набор периферийных блоков МК STM32 включает до пяти интерфейсов USART, три интерфейса SPI, два интер-фейса I2C, до шести 16-разрядных таймеров, тактовый генератор 4...16 МГц, встроенный RC-генератор с частотами 8 МГц и 40 кГц, 12-канальный DMA, два таймера WDT, часы реального времени. Важным преимуществом МК старшей линейки является наличие трех 12-разрядных АЦП, ЦАП, интерфейсов USB и CAN, двух таймеров PWM с тактовой частотой 72 МГц.

Важнейшим отличием ядра Cortex-M3 от ядра ARM7 является наличие встроенного контроллера вложенных прерываний. Его работа для программиста проявляется в том, что при возникновении запроса прерывания зна-чения программного счетчика, регистров состояния и общего назначения автоматически помещаются в стек, а после выполнения процедуры обслуживания произво-дится автоматическое восстановления их значения. Кроме ненужности фрагментов программы для манипуляций со стеком, важным является то, что при вложенных пре-рываниях вообще не требуется повторное сохранение регистров в стеке, и время перехода к процедуре обслу-живания вложенного прерывания сокращается до шести циклов. Контроллер обработки прерываний дополнен бло-ком обработки внешних прерываний, который способен преобразовывать сигналы с внешних выводов в сигналы запросов. Детекторы входных сигналов могут быть про-граммно настроены на идентификацию фронта сигнала, спада и импульса.

Разработчикам встраиваемых систем часто требуется хороший интегрированный в микроконтроллер АЦП. Микроконтроллеры старшей линейки семейства STM32 имеют в своем составе три 12-разрядных самокалибрую-щихся АЦП (до 21 канала) c быстродействием 1 Msps. Несколько полезных опций, таких как сканирующий опрос

38

WWW.ELCP.RU

каналов и синхронная работа нескольких преобразова-телей, существенно упрощают работу. Интегрированный в кристалл датчик температуры можно подключить к АЦП, что важно для измерения режима работы основного компонента встраиваемой системы. Поскольку в составе микроконтроллеров STM32 имеется еще и 12-разрядный ЦАП, то их можно считать и аналого-цифровыми процессо-рами (mixed signal processors).

Большим удобством для многих применений явля-ется возможность использования в качестве источника синхросигнала внутреннего RC-генератора с частотой 8 МГц. Внешний кварцевый генератор может иметь частоту 4...16 МГц.

Преимуществом МК STM32 является большой диа-пазон возможного снижения энергопотребления — с 27 мА на частоте 72 MГц до 1,4 мкА в режиме работы только часов реального времени от батареи. Имеется четыре режима работы с малым энергопотреблением. Напряжение питания составляет 2,0...3,6 В, встроенный супервизор питания позволяет сократить количество схем обвязки.

МК STM32F103RET6 имеет три 16-разрядных порта c индивидуально программируемыми выводами, каждый вывод имеет несколько альтернативных функций. Все выводы портов МК на плате модуля TE-STM32F103 под-ключены к контактным площадкам, в отверстия которых можно установить штыревой разъем. Через контактные площадки доступны в т.ч. последовательные порты МК (UART, CAN, SPI, I2C), а также входы АЦП и выходы ЦАП. Обвязка МК включает кварцевые резонаторы на 8 МГЦ и 32 кГц, а также ионистор, заменяющий аккумулятор резервного питания.

Рис. 3. Структура микроконтроллеров старшей линейки STM32F103

Для подключения к компьютеру или другому host-устройству модуль TE-STM32F103 имеет два разъема miniUSB. Один из них связан с портом USB-device микро-контроллера, а другой является принадлежностью моста USB-UART. Мост выполнен на базе микросхемы FT232RL, позволяет загружать код программы во внутреннюю память МК. Для программирования и отладки имеется разъем JTAG стандартного для ARM-микроконтроллеров формата 2×10 выводов.

Для подключения к сети CAN предусмотрены клеммный соединитель типа DB-09B. Драйвер выполнен с использо-ванием микросхемы SN65HVD230.

Накопление информации и ее перенос производится с использованием карт microSD. Для этого на плате установ-лен слот с функцией обнаружения вставленной карты.

Питание модуля TE-STM32F103 может осуществляться от внешнего источника 5 В, порта miniUSB, моста USB-UART. Все источники разделены диодами и могут быть подклю-чены одновременно.

Сбалансированный набор перечисленных выше аппа-ратных средств модуля размещен на компактной плате небольших размеров (72×77 мм), которая имеет по углам крепежные отверстия.

Для модуля TE-STM32F103, как и для других модулей от «Терраэлектроники», разработан и выполняется комплекс мероприятий по сопровождению производства и эксплуа-тации. Для модуля TE-STM32F103 создан набор тестирую-щих программ, который используется для контроля при производстве. Исполняемые коды программ передаются вместе с модулем разработчику; применение тестирующих программ описано в руководстве пользователя. На при-лагаемом к модулю компакт-диске имеется программа

39

электронные компоненты №6 2009

Flash Loader Demonstrator для загрузки программ во флэш-память МК STM32. Таким образом, модули могут быть про-верены как в процессе разработки системы, так и в про-цессе ее эксплуатации.

Для облегчения освоения МК семейства STM32 в состав документации модуля TE-STM32F103 включены проек-ты демо-программ (с исходными текстами на языке Си), работающих с важнейшими аппаратными компонентами модуля. На текущий момент это две программы. Одна из них демонстрирует инициализацию процессорного ядра и контроллера прерываний, после этого в программе обслу-живания таймера зажигает светодиоды. Вторая программа реализует на порте микроконтроллера класс USB CDC (Communication Device Class), осуществляет прием данных от компьютера через виртуальный COM-порт модуля и передачу данных через интерфейс USB модуля.

Комплект поставки модуля TE-STM32F103 включает все необходимое для быстрого начала работы. Кроме собственно модуля, в комплект входит кабель miniUSB, компакт-диск с программами и технической документаци-ей, руководство пользователя в печатном виде.

Кабель miniUSB позволяет подключить модуль к кон-троллеру, подать от него питание 5 В и выполнить загрузку программ во внутреннюю флэш-память.

На компакт-диске имеются папки Demo program, Docu-men tation, Driver, Schematic, Software, TESTs. В папке Demo program находятся проекты демонстрационных программ, подготовленные для трансляции в среде IAR Workbench Kickstart. В папке Driver находится драйвер микросхемы FTDI232RL моста USB-UART. В папке Schematic можно найти принципиальную схему модуля в формате .pdf, а в папке Documentation — описания типа Data Sheet основных компонентов схемы. В папке Software находятся устано-вочные файлы бесплатных версий среды программиро-вания IAR Workbench Kickstart и загрузчика Flash Loader Demonstrator. В папке TESTs хранятся загрузочные модули тестовых программ.

Ядро Cortex-M3 принадлежит к новому поколению 32-разрядных архитектур, а семейство микроконтролле-ров STM32 воплощает его структурные новации с исполь-зованием новейшей микроэлектронной технологии. Затраченные усилия по освоению нового ядра с лихвой окупаются возможностью просто, быстро и эффективно решать современные задачи. Все это позволяет реко-мендовать семейство STM32 и модуль TE-STM32F103 для реализации перспективных встраиваемых систем, а также для перехода с 8- и 16-разрядных микроконтроллеров на 32-разрядные.

Новости из мира дисплеев

| LG DiSpLay приступит к произВодстВу 30-дюймоВых OLED-панелей для телеВизороВ | LG Display, входящая в состав LG Group, планирует приступить к производству 30-дюймовых светодиодных (OLED) панелей для телевизоров в 2012 г., — сообщает TradingMarkets со ссылкой на заявление главного исполнительного директора компании Квон Ян Су (Kwon Young-soo). Производство телевизионных OLED-панелей должно стать новым источником дохода компании. До конца 2009 г. планируется нанять 1,7 тыс. сотрудников для исследовательских работ и разработки OLED-технологий.

На днях компания заявила о намерении, в связи с возрастающим спросом, инвестировать 2,5 млрд. долл. в строитель-ство дополнительной линии по производству ЖК-панелей восьмого поколения в Корее. Массовое производство панелей на этой линии планируется запустить во 2-й половине 2010 г.

www.russianelectronics.ru

события рыНка

| приБыль LG DiSpLay упала на 60% | Руководство входящей в LG Group компании LG Display, одного из ведущих произво-дителей дисплеев, объявило о падении прибыли на 60% во II кв. 2009 г. Снижение выручки произошло, несмотря на рекорд-ное число продаж, — сообщает Associated Press.

С апреля по июнь прибыль компании LG Display составила 237 млн. долл., тогда как в том же периоде 2008 г. выручка составляла 543 млн. долл. Кроме того, руководство LG сообщило о том, что убытки компании в I кв. этого года составили 18 млн. долл. В то же время уровень продаж продукции компании по сравнению с прошлым годом вырос на 16%. «У нас рекордное число продаж в этом году, а спад прибыли связан со срочным открытием новых производственных линий и адап-тацией рыночных операций к требованиям заказчика», — отметил руководитель компании Квон Ян Су (Kwon Young-soo).

LG Display получила ряд предписаний комиссии Евросоюза, связанных с необходимостью устранить нарушения компа-нией антимонопольных правил ЕС. Сотрудники комиссии Евросоюза считают, что LG Display договорилась об установке единой цены на мониторы со своим главным конкурентом — Royal Philips Electronics NV. В прошлом году LG Display и его подразделения в США — LG Display America Inc — выплатили 400 млн. долл. в качестве штрафа за нарушения антимоно-польного законодательства этой страны в период с 2001 по 2006 гг.

www.russianelectronics.ru

события рыНка

| осенний форум inTEL | С 22 по 24 сентября в Сан-Франциско компания Intel проведет традиционный осенний Форум Intel для разработчиков. Ожидается, что будут представлены детальные спецификации мобильной платформы Calpella для ноутбуков, а также платформы Moorestown для MID-устройств. Возможно, компания даже продемонстрирует инженерные образцы продуктов на базе Moorestown. Также на этом IDF могут появиться новые сведения о платформе Medfield, выход которой ожидается в 2011 г.

www.russianelectronics.ru

40

WWW.ELCP.RU

Одно из преимуществ КМОП-технологии заключается в том, что энергия потребляется в основном при переклю-чении между логическими уровнями. Это существенное преимущество, по сравнению с другими технологиями при разработке малопотребляющих компонентов. При возрастании тактовой частоты возрастает и потребляемая мощность.

Однако каждый транзистор цифровой микросхемы вносит свой вклад в ток утечки, который протекает через затвор и в открытом, и в закрытом состоянии транзистора. При этом возникают статические потери мощности. Число транзисторов на микросхеме постоянно возрастает, и статические потери мощности становятся все более зна-чимыми.

Проблема токов утечки существовала изначально, но, учитывая возрастающие мощности потребления компо-нентов, ранее она была не столь актуальна. Сегодня же, когда требования к снижению энергопотребления доволь-но жестки, нельзя больше игнорировать потери, вызывае-мые токами утечки.

Для определенного класса изделий статические потери мощности довольно критичны. Особенно значима эта про-блема для портативных устройств и вообще устройств, питаемых от аккумуляторных батарей, на которые накладываются строгие ограничения по потребляемой мощности. Необходимо максимально увеличить срок службы батарей без подзарядки во многих приложениях: например, детекторах газа СО, медицинских мониторных системах, системах безопасности и пр. Во многих из этих приложений отсутствуют силовые ключи, работающие в импульсном режиме, а устройство должно работать в тече-ние многих тысяч часов или даже многие годы.

Для подобных приложений межсервисный интервал зачастую составляет годы. В этом случае изделие боль-шую часть времени находится в режиме ожидания (при этом в памяти прибора не должна теряться необходимая информация). И хотя прибор отключают, когда он не используется, время старта по внешнему событию либо в соответствии с предусмотренной циклограммой работы

Для ряда приложений уже невозможно увеличивать производительность любой ценой, в т.ч. и за счет увеличения энергопотребления. Необходимо искать иные решения, особенно для изделий, питаемых от аккумуляторных батарей. В статье рассказывается о технологии nanoWatt XLP, разработанной компанией Microchip, позволяю-щей существенно снизить энергопотребление микроконтроллеров.

Технология nanoWatt XLP компании Microchip

должно быть минимальным. Это означает, что изделие должно быть спроектировано так, чтобы потреблять минимум мощнос ти в режиме ожидания. Только в этом случае возможно экс плуатировать изделие без замены или перезарядки аккумуляторных батарей в течение нескольких лет.

Большинство микроконтроллеров общего назначения хотя и спроектированы таким образом, что потребляют небольшую мощность в рабочем режиме, но в режиме ожидания их потребление все же достаточно велико, и они не отвечают в этом смысле описанным выше требо-ваниям. Компания Microchip, тщательно соблюдая техно-логический процесс изготовления транзисторов, вместе с использованием специальной архитектуры, позволяю-щей уменьшить энергопотребление, смогла изготовить микроконт роллеры с наименьшим энергопотреблением в режиме ожидания. Ток потребления в этом режиме менее 20 нА, учитывая, что напряжение питания состав-ляет 1,8 В; такой микроконт роллер способен прорабо-тать 20 лет без замены или подзарядки аккумуляторной батареи.

Компания разработала специальный технологический процесс — nanoWatt XLP для производства этих микро-схем и использует его при производстве 8- и 16-разряд-ных микроконтроллеров. Этот процесс включает в себя новую архитектуру, созданную специально для малопо-требляющих микроконтроллеров, режим глубокого сна (Deep Sleep) и значительное число периферийных блоков с ультра низким энергопотреблением, которые периоди-чески активируются от различных источников событий.

Для того, чтобы снизить мощность, в технологии nanoWatt XLP введен новый режим ожидания — глубокий сон. Инженеры Microchip сумели добиться сверхнизкого потребления стандартных узлов — сторожевого таймера и таймера реального времени.

Когда микроконтроллер входит в режим глубокого сна, от электропитания отключаются почти все периферийные блоки-регистры, но сторожевой таймер и таймер реально-го времени остаются активными. Это означает, что статиче-

Таблица 1. Режимы работы микроконтроллеров

Режим работы

Активные (такти-руемые) блоки Активная периферия Блоки, инициализирующие запуск Ток потребления

(тип.), нА Типовые приложения

Глубокий сон (Deep sleep)*

Таймер1/SOSC; INTRCL/LPRC RTCC; DSWDT; DSBOR; INT0; RTCC; DSWDT; DSBOR; INT0; MCLR < 50 Работа с максимальным сроком службы без

замены батарей

Сон (Sleep) Таймер1/SOSC; INTRCL/LPRC; A/D RC

RTCC; WDT; ADC; CVREF; INTX; Таймер1; HLWD; BOR; компараторы Все (см. техническую документацию) 50…100 Большинство приложений с низким энерго-

потреблением Ожидание (Idle)

Таймер1/SOSC; INTRCL/LPRC; A/D RC Вся периферия Все (см. техническую документацию) 25% от номинального

рабочего токаДля изделий, находящихся в режиме ожидания

Дремота (Doze)** Все Вся периферия Все (см. техническую документацию) и

программные источники прерывания35—75% от номи-нального рабочего тока

В случае, когда требуется быстродействую-щая периферия и малопотребляющее ядро

Работа Все Вся периферия Все Номинальный ток Нормальная работа

Примечания. * Для микроконтроллеров семейства PIC18 и PIC24, выполненных по технологии nanoWatt XLP. ** Для микроконтроллеров семейства PIC18, PIC24 и dsPIC.

Технические специалисТы MicrochiP

41

электронные компоненты №6 2009

ская мощность практически не потребляется. Остающиеся активными блоки разработаны с использованием самых последних методов, применяемых при проектировании низкопотребляющих микросхем.

Выход из режима глубокого сна инициализируется либо таймерами реального времени и сторожевым, либо сбро-сом, либо прерыванием INT0 по какому-либо внешнему событию. Восстановление состояния регистров происхо-дит за несколько сотен микросекунд, при этом потребля-ется несколько большая мощность. Такие микроконтрол-леры хорошо подходят для применения в приложениях, где изделие неактивно длительное временя, когда между короткими периодами активности в несколько секунд про-ходят минуты ожидания. Сторожевой таймер рассчитан на период неактивности до 19 дней, а таймер реального

времени способен работать годы, пока микроконтроллер находится в режиме ожидания.

Помимо режима глубокого сна есть и иные режимы с пониженным энергопотреблением, которые выгодно использовать для увеличения гибкости и многообра-зия применений этого семейства микроконтроллеров. Например, если UART активен и настроен на прием, то может быть включен режим ожидания (Idle) или режим дремоты (Doze). Все режимы работы микроконтроллеров приведены в таблице 1.

Сегодня, когда во многих приложениях начинают дей-ствовать требования по снижению энергопотребления, заменяя требования возрастания производительности любой ценой, технология nanoWatt XLP может найти широ-кое применение.

События рынка

| Microsoft: 100 дней до самой русской WindoWs | За 100 дней до выпуска Windows 7 в Microsoft признали, что ее предшественница — Windows Vistа — не оправдала ожиданий разработчика. С новой же ОС все иначе, как утверждают в корпорации, надеясь, что Windows 7 станет самой продаваемой, самой дружелюбной и «самой русской» операционной системой Microsoft.

В Microsoft позиционируют новую операционную систему как «лекарство от кризиса». Windows 7 — это первая Windows, ставшая менее требовательной к аппаратным ресурсам, чем ее предшественница. Компьютеры 3—4 летней давности будут спокойно работать с «семеркой». Соответственно, новая система поможет корпоративному сектору сэкономить средства на обновление парка компьютеров. В системе предусмотрено распознавание рукописного русского ввода, использованы темы оформления, созданные специально для России, внедрен набор локальных тематических ссылок, внесено более 750 исправлений и улучшений.

Президент Microsoft в России Николай Прянишников надеется, что 22 октября 2009 г. произойдет самый успешный запуск ОС Microsoft в России. Он также отметил, что если при переходе на Vista сам он как пользователь не заметил ряда преимуществ, обещанных разработчиком, то, став пользователем «семерки», сразу оценил и быстродействие системы, и удобство перехода между открытыми окнами, и дружественность интерфейса.

По оценке разработчика, в России на каждый доллар, заработанный Microsoft на Windows 7, партнерская экосистема выручит в среднем 18,74 долл. При этом около 15 долл. придется на поставщиков «железа», 2 долл. — на производителей программного обеспечения, а 1,36 долл. заработают компании, специализирующиеся на ИТ-сервисе. В Microsoft убежде-ны, что Windows 7 создаст более 300 тыс. новых рабочих мест в мировой ИТ-индустрии, т.е. система сама по себе обеспе-чит 30% суммарного роста занятости в сфере информационных технологий.

www.russianelectronics.ru

новоСти технологий

| ЗащиТа оТ влажносТи печаТных плаТ и элекТронных компоненТов | Компания Liquid Evolution (дистрибьютор: Elka-Krischke) предлагает линейку продуктов Wet.Protect, обеспечивающую защиту от влажности печатных плат и электронных компонентов. Новый WP 142 использует в качестве переносчика летучие растворители и образует после нанесения воскооб-разную, относительно толстую и прочную защитную пленку. Таким образом, изделия защищаются от короткого замыкания, обрывов и коррозии, вызванных условиями влажности.

По сравнению с обычной Coating-технологией с использованием лаков и смол WP 142 имеет то преимущество, что с помощью очистителя тормозов он может удаляться и вновь наноситься. Кроме того, в отличие от лаков он обладает высокой самовосстанавливаемостью. WP 142 может применяться как средство профилактики или непосредственно после воздействия влаги с целью ремонта. Материал предназначен для защиты компонентов и печатных плат в системах управ-ления, средствах автоматизации и т.д.

www.russianelectronics.ru

новоСти микроСхем памяти

| suPer taLent предсТавила вмесТиТельную флешку серии LuXio объёмом 128 Гб | Компания Super Talent пред-ставила новый флэш-накопитель из серии Luxio-STP28GLX емкостью128 Гб. Модель имеет размеры 77×21×10 мм, передача информации осуществляется по интерфейсу USB 2.0. Стоит отметить поддержку технологии Windows ReadyBoost, а также аппаратное шифрование по алгоритму AES-256. Флэшка упакована в подарочную коробку, в комплект входит чёрный кожаный чехол. На устройство распространяется пожизненная гарантия. Luxio STP28GLXBU появится в продаже в конце июля 2009 г. по цене 349 долл.

www.russianelectronics.ru

42

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

www.elcp.ru

В связи с бурным развитием систем освещения на базе светодиодов возрастают требования к тепловым характеристикам мощных СИД. Разработчикам таких систем нужны точные данные о влиянии тепловых условий на световой выход. В статье обсуждаются вопросы стандарти-зации тепловых показателей СИД, недостатки существующей техниче-ской документации на эти приборы, проблемы построения комплексной электротепловой модели и прогнозирования надежности светодиодов. Рассматривается обобщенный алгоритм расчета светового выхода и срока службы светодиодов с учетом тепловых условий в системе.

Стандартизация и раСчет тепловых характериСтик мощных СветодиодовВиктор ЕжоВ, ид «электроника»

температура перехода светодиода играет важную роль в проектировании системы освещения, т.к. от нее зави-сят многие параметры световой отда-чи Сид. это означает, что управление тепловыми режимами должно стать интегральной частью проектирования системы освещения на базе Сид, что приводит к необходимости примене-ния различных технических дисциплин в общем процессе проектирования.

Следовательно, в настоящее время стандартизация тепловых показателей имеет все большее значение как для производителей Сид, так и для раз-работчиков систем освещения. кроме того, на первый план выходит необходи-мость построения комплексной модели Сид, т.к. световой выход этих приборов зависит от таких параметров как прямое напряжение и ток, рассеиваемая мощ-ность и температура.

тЕмпЕратура пЕрЕхода и тЕплоВоЕ сопротиВлЕниЕпри проектировании системы

освещения разработчику необходимо проверить, находится ли температура перехода в установленных границах, либо ему нужна величина темпера-туры перехода для прогнозирования долговечности устройства. для расче-та температуры перехода TJ наиболее часто используется следующее урав-нение:

TJ = RthJ-ref . P + Tref, (1)

где RthJ-ref — тепловое сопротивление переход – контрольная точка на корпусе прибора, величина которого предостав-ляется производителем Сид, P — мощ-ность, рассеиваемая Сид, Tref — неко-

торая исходная температура, которая зависит от конкретного приложения: это может быть температура окружаю-щей среды (неспецифицированная) или температура в какой-либо контрольной точке корпуса или платы.

после расчета температуры пере-хода TJ с помощью уравнения (1) она обычно сравнивается с температурой, специфицированной для этого при-бора. если TJ выше специфицирован-ной температуры, система, вероятно, потребует доработки, что приведет к дополнительным затратам времени и средств.

очевидно, нужно быть уверенным в точности рассчитанного значения TJ до принятия такого решения.

остановимся более подробно на тепловом сопротивлении. Стандарт EIA/JEDEC JESD51.1 1 определяет тепловое сопротивление из уравнения (1):

RthJ-X = (TJ – TX)/PH, (2)

где TX — температура в некоторой кон-трольной точке X, PH — тепловая мощ-ность, рассеиваемая на приборе.

Уравнение (2) предполагает постро-ение пространственной разности тем-ператур в условиях теплового равно-весия: нагрев перехода и измерение температуры перехода и температуры в контрольной точке X. если контроль-ная температура равна температуре окружающей среды (которую можно проконтролировать при проведении измерений, например, на холодной пластине), то на ненагретом приборе, в начальном состоянии теплового равно-весия TJ0 = TX, т.е. начальная температу-ра перехода равна температуре в кон-трольной точке.

после нагрева прибора и уста-новления окончательного теплово-го равновесия достигается конечная температура перехода. этот процесс, известный как метод статического испытания, позволяет записать уравне-ние (1) в другой форме. предположим, в начальном состоянии к прибору прикладывается известная тепловая мощность PH1, а в конечном состоя-нии — PH2. в этом случае температура перехода для каждого из этих двух состояний будет равна:

TJ1 = RthJ-X . PH1 + TX, (3а)

TJ2 = RthJ-X . PH2 + TX. (3б)

вычитая (3а), из (3б) получим:

TJ2 – TJ1 = RthJ-X . (PH2 – PH1). (4)

Следует отметить, что в уравне-нии (4) температуры перехода TJ1 и TJ2 получены в разные моменты времени TJ1 = TJ(t1) и TJ2 = TJ(t2). подставив эти выражения в (4), после преобразования получим:

RthJ-X = [TJ(t2) – TJ(t1)]/(PH2 – PH1) (5)

или

RthJ-X = ΔTJ(t)/ΔPH, (6)

где ΔTJ(t) = TJ(t2) – TJ(t1) = TJ2 – TJ1, а ΔPH = = PH2 – PH1.

иными словами, уравнение (6) пока-зывает, что вместо использования про-странственной разности температур вдоль оси переход-точка X, тепловое сопротивление можно рассчитать из разности между начальным и конечным

1 Стандарт EIA/JEDEC JESD51.1 см. на компакт-диске.

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

43

электронные компоненты №6 2009

стационарным значением температуры перехода и соответствующим измене-нием тепловой мощности на переходе (см. рис. 1).

таким образом, вместо разности температур в двух различных точ-ках (пространственная разность) мы берем лишь временное различие в температуре перехода. основное преимущество разностного подхо-да, представленного уравнением (6), заключается в том, что неточности в измерениях температуры перехода сводятся к нулю. в случае мощных Сид это позволяет существенно упро-стить расчет.

температура перехода и тепло-вое сопротивление переход – точка X используются разработчиком системы и производителем прибора для разных целей. разработчик прибора (произво-дитель) стремится достигнуть лучших тепловых характеристик прибора и установить показатели, позволяющие сравнить его с устройствами других производителей. обычно для этого используется тепловое сопротивление. величина данного параметра обыч-но является единственным исходным показателем для разработчика системы освещения, намеревающегося спрог-нозировать с достаточной точностью температуру перехода, с помощью которой могут быть рассчитаны и дру-гие важные характеристики Сид. так как функционирование Сид описыва-ется довольно сложными процессами, необходима комплексная (тепловая, электрическая и оптическая) модель Сид для прогнозирования поведения этих приборов любого производите-ля. пример построения комплексной электротепловой модели Сид приве-ден в [1].

прогнозироВаниЕ надЕжности сВЕтодиодоВ на осноВЕ их тЕплоВых сВойстВанализ тепловых свойств светодио-

дов необходим для получения инфор-мации о надежности (независимо от обязательного следования требовани-ям официальных документов, таких как разрабатываемый в настоящее время стандарт по безопасности систем освещения на базе Сид UL8750). при анализе надежности обычно делают разграничение между приборами как таковыми и корпусами системы:

– надежность прибора: снижение собственного светового выхода в усло-виях эксплуатации;

– надежность корпуса прибо-ра: отказы, вызванные термическими напряжениями и износом.

основной проблемой, связанной с тепловыми свойствами прибора, явля-ется уменьшение светового выхода со временем до неприемлемого уровня

до того, как произойдет необратимый отказ. Уровень, при котором нарушение стабильности светового потока счита-ется отказом, должен быть стандарти-зирован. заметим, что за последние годы стабильность светового потока светодиодов значительно улучшилась.

несмотря на этот прогресс или, возможно, даже из-за него, заказчики интересуются поведением светодио-дов, когда режимы эксплуатации Сид выходят за пределы допустимых гра-ниц. ключевую роль в различных меха-низмах отказов играет превышение абсолютной температурой перехода рекомендуемой величины. на практике остается, однако, вопрос, как измерить температуру с требуемой точностью.

обратимся к вопросам надежности корпусирования Сид. на рисунке 2 схе-матически изображены два типа корпу-са, содержащего кристаллы Сид.

Следует упомянуть о нескольких механизмах деградации и отказов, свя-занных с корпусами Сид:

– пожелтение содержащего фос-фор герметизирующего материала;

– деградация линзы;– отслаивание клеевых слоев;– отказы паяных соединений.Следует отметить, что для высоко-

качественного Сид эти отказы могут происходить только при работе вне допустимых режимов эксплуатации. Светодиоды подвержены также дей-ствиям механизмов, связанных с пере-носом тока, таких как электромиграция и нагрев джоулевым теплом, которое может вызывать чрезмерное локаль-ное повышение температуры в токо-

проводящих дорожках и проволочных выводах. Большинство механизмов деградации и отказов, от которых зави-сит долговечность устройств на базе Сид, связано с тепловыми процессами. Следовательно, для того чтобы оценить срок службы разрабатываемой систе-мы, инженерам нужна достоверная информация об изменении температу-ры со временем.

нЕдостатки сущЕстВующЕй тЕхничЕской докумЕнтацииразработчику системы на базе Сид

следует учитывать такие важные харак-теристики как световой поток и эффек-тивность (излучаемый световой поток на единицу электрической мощности, в лм/вт), причем не только начальные

Рис. 1. Тепловое сопротивление переход – точка X, рассчитанное из временной разности темпера-туры перехода и мощности, рассеиваемой на приборе

Рис. 2. Схемы двух распространенных типов корпусов СИД

44

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

www.elcp.ru

значения этих параметров, но и их величины после ожидаемого срока экс-плуатации системы. проблема состоит в том, что оба ключевых параметра не связаны линейной зависимостью с питающим током и температурой. Следовательно, недостаточно указы-вать в технической документации дан-ные об этих параметрах только при некоторой допустимой температуре. С точки зрения опытного разработчика, существующая техническая докумен-тация обладает следующими недостат-ками:

– техническая документация не отражает эксплуатацию прибора в реальных условиях, особенно это касается рабочей температуры. часто температура перехода специфициро-вана при 25°C, что может вводить в заблуждение, т.к. эффективность при максимальной номинальной мощности может быть снижена на 50%;

– документация сильно различает-ся по содержанию (Tref, Iref);

– часто невозможно прямое срав-нение параметров приборов;

– использование неспецифициро-ванных единиц измерений параметров представляет трудность даже для опыт-ного инженера;

– в ряде случаев на практике ис пользование производителем Сид ме тода последовательного теплового со противления не позволяет получить дос товерные данные о тепловых харак-теристиках прибора.

Следует заметить, однако, что среди лидирующих поставщиков Сид наме-тилась тенденция помещать в техниче-скую документацию более реалистич-ные данные.

примеры проблем в технической документации на приборыОпределение мощностихотя большинство вендоров Сид

выполняет тестирование тепловых характеристик согласно стандарту EIA/JEDEC JESD51-1, не все из них правильно

определяют мощность PH в уравнении (2). Стандарт ясно говорит о «мощности, рассеиваемой прибором», и не дает никаких пояснений о том, как ее рас-считать. для кремниевых диодов ясно, что PH = IF.VF (электрическая мощность, подводимая к диоду, рассчитывается как произведение общего прямого тока на прямое напряжение), в то время как в случае Сид необходимо учесть энер-гетический баланс при расчете рассеи-ваемой мощности.

для Сид высокой мощности компо-нента тока, связанная с излучательной рекомбинацией (которая вызывает све-товой выход), составляет значительный процент от общего прямого тока IF и, следовательно, произведение IF.VF не отражает тепло, рассеиваемое на при-боре (на p-n-переходе). часть IF, связан-ная с излучательной рекомбинацией, не должна быть включена в расчет рас-сеиваемого тепла, т.к. связанная с ним энергия излучается в виде света.

возможно, наибольшей проблемой сегодня, которая затрудняет честное сравнение характеристик Сид, является то, что вендоры не учитывают световой выход при расчете тепловой мощно-сти своих Сид. многие производители определяют рассеиваемую мощность только как произведение прямого напряжения на общий прямой ток, не учитывая эффективность преобразова-ния тока в свет. это ставит в неблагопри-ятное положение на рынке тех произво-дителей, которые корректно применяют физические принципы при измерениях тепловых характеристик.

для того чтобы проиллюстрировать эту ситуацию, рассмотрим два простых примера. определим Rth el как тепло-вое сопротивление, связанное только с общей электрической мощностью Pel = IF.VF, а Rth real — как реальное тепловое сопротивление корпуса Сид, связанное с реальной рассеиваемой мощностью, которая равна PH = Pel – Popt = Pel . (1 – – WPE). WPE (wall-plug effi cien cy) — это коэффициент преобразования электри-

ческой энергии в оптическую, который рассчитывается как отношение питаю-щей электрической мощности к излу-чаемой оптической мощности Сид: WPE = Popt/Pel. излучаемая оптическая мощность Popt может быть измерена при известных значениях прямого тока IF и контрольной температуры Tref как общий радиометрический поток свето-диода Φe(IF , Tref). для этого используют процедуру, рекомендованную стандар-том по измерениям параметров Сид CIE 127-2007.

Случай 1: WPE = 25%, Pel = 10 вт, ΔTJ = 50˚C.

тогда получим:

Rth el = ΔTJ/Pel = 50/10 = 5,0 K/вт,

Rth real = ΔTJ/Pel – Popt =

= ΔTJ/[Pel – (1 – WPE)] =

= 50/(10 – 0,75) = 6,67 K/вт.

Случай 2: WPE = 50%, Pel = 10 вт, ΔTJ = 50˚C.

тогда получим:

Rth el = ΔTJ/Pel = 50/10 = 5,0 K/вт,

Rth real = ΔTJ/Pel – Popt =

= ΔTJ/ [Pel – (1 – WPE)] =

= 50/(10 – 0,5) = 10 K/вт.

тепловая характеристика Сид, назы-ваемая тепловым сопротивлением, должна быть связана только с физиче-скими свойствами и геометрическими размерами кристалла и корпуса. на практике проблема состоит в том, что пользователи должны также учитывать эффективность WPE.

для того чтобы предотвратить не- точ ность при сравнении параметров Сид разных производителей, возмож-но, имеет смысл ввести вместо пока-зателя Rth, по аналогии с тепловыми стандартами на микросхемы, параметр ψ. преимуществом такого показателя ψ является то, что пользователю не нужно знать эффективность преобразования, но он может получить более или менее правильное представление о тепло-вом сопротивлении из сравнения двух указанных в документации значений, с ударением на это «более или менее». С другой стороны, более высокая эффек-тивность представляет собой весомый аргумент для того, чтобы заинтересо-вать заказчика и, следовательно, имеет смысл также указывать этот параметр в технической документации.

как показано на рисунке 3, общая эффективность преобразования (обо-значенная ранее как WPE) зависит от температуры и тока.

Рис. 3. Зависимость коэффициента WPE от прямого тока и температуры красного СИД семейства Dragon

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

45

электронные компоненты №6 2009

Рис. 4. Пример расчета последовательного теплового сопротивления из указаний по применению СИД

Метод последовательного теплового сопротивления

в качестве примера проблемы, свя-занной с методом последовательного сопротивления, взглянем на техниче-скую документацию одного из основ-ных производителей Сид. на рисунке 4 представлена схема расчета тепло-вого сопротивления из типичного указания по применению светодиода. в основе метода последовательно-го сопротивления лежат следующие допущения:

– тепло, сгенерированное на переходе, передается через тепло-вую площадку, печатную плату, ради-атор и излучается в окружающую среду.

– сопротивление определяется локально, другими словами, тепловое сопротивление от кристалла до тепло-отводящего основания зависит только от локальных параметров;

– следовательно, индивидуаль-ные сопротивления независимы друг от друга. например, тепловое сопро-тивление от кристалла к радиатору не зависит ни от теплопроводности платы, ни от коэффициента теплопроводности радиатора.

чтобы проверить обоснованность данных допущений, было проведено моделирование с использованием CFD-кода светодиода Luxeon Rebel (Philips Lumileds), размещенного на плате.

процедура проверки была следую-щей. некоторые параметры, такие как теплопроводность платы и коэффи-циент теплопереноса, изменялись в широком диапазоне с целью иллю-страции, а значения теплового сопро-тивления рассчитывались согласно указанию по применению светодиода. Графики, показанные на рисунке 5, отражают наиболее важные резуль-таты.

на верхнем графике тепловое сопротивление кристалл – теплоот-водящая площадка должно зависеть только от размеров и теплопроводно-сти площадки, а не от теплопроводно-сти платы и коэффициента теплопере-носа h. во всем диапазоне изменения этих параметров мы видим отклоне-ние в пределах 15%, что, по-видимому, вполне приемлемо для большинства практических приложений. нижний график отражает тепловое сопро-тивление теплоотводящая площад-ка – плата, в зависимости от ее тепло-проводности и h. в данном случае, Rth должно быть пропорционально kboard и не зависеть от h. видно, что возника-ют проблемы, когда эффективная про-водимость платы становится менее 5 K/вт, потому что величина указанных сопротивлений начинает зависеть от особенностей приложения, что нельзя обеспечить достаточно надежно.

эта ситуация является следствием рассеяния тепла, когда невозможно разделить проводящие и конвекци-онные пути. другими словами, метод последовательного сопротивления никогда не обеспечит независимую тепловую модель с граничными усло-виями. однако имеются исключения. для многих Сид высокой мощности поперечными температурными гра-диентами можно пренебречь. в таких случаях можно показать, что метод последовательного сопротивления вполне допустим. например, для совре-менных мощных Сид нижний предел

0,3 K/вт на графике (см. рис. 5) нереа-лен. Следует также заметить, что не во всех случаях обязательно корректное значение некоторых тепловых сопро-тивлений, потому что эти сопротивле-ния могут не быть преобладающими в реальных приложениях. часто выясня-ется, что основным является тепловое сопротивление к окружающей среде, следовательно, неточности в опубли-кованных данных могут не быть кри-тичными.

другие вопросы, связанные со стан-дартизацией и измерениями тепловых характеристик Сид, рассмотрены в [1].

Рис. 5. Графики, демонстрирующие недостатки метода последовательного сопротивления при значениях коэффициента теплопереноса h 20…20000 Вт/м2K (вверху: тепловое сопротивление кристалл – теплоотводя-щая площадка; внизу: тепловое сопротивление теплоотводящая площадка– плата

46

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

www.elcp.ru

Рис. 6. Блок-схема алгоритма расчета светового выхода СИД

расчЕт сВЕтоВого потока и срока службы сВЕтодиода с учЕтом тЕплоВых услоВийпри проектировании системы

освещения на базе Сид необходимо учитывать зависимость характери-стик и долговечности светодиодов от температуры окружающей среды. типовые задачи для разработчи-ка такой системы включают расчет необходимого для условий эксплуа-тации теплоотводящего радиато-ра — максимальной площади, струк-туры и способа изготовления, типа покрытия и т.д. необходимо также определить электрические условия работы системы: уровень рабочего тока, а также рабочую температуру, при которой прибор должен обеспе-чить требуемый световой выход и срок службы.

значения рабочей температуры светодиодов отличаются от тем-пературного диапазона обычных электронных компонентов тем, что максимальный световой выход достигается при температуре, мень-шей, чем допустимая максимальная температура прибора. например, максимальная допустимая темпера-тура перехода может быть опреде-лена равной 125°C; однако световой выход при этой температуре может быть таким же, что и при намного меньшей температуре, т.к. эффектив-ность прибора уменьшается. в этом случае рассеяние тепла значительно больше. преимущество светодиодно-го освещения перед другими типа-ми систем освещения заключается в

сбережении энергии, но эта эконо-мия может быть сведена к нулю, если прибор работает при максимальной температуре.

исходным пунктом для анализа и расчета разрабатываемой системы является установление взаимосвязи между электрическими характеристи-ками и световым излучением светодио-да. т.к. эти соотношения предоставля-ются производителями Сид только в виде таблиц, необходимо построение соответствующих кривых. кроме этих соотношений, для расчета необходимы такие данные как тепловое сопротив-ление переход–печатная плата, тем-пературный коэффициент и диапазон рабочих температур, которые указаны в технической документации на при-бор.

для проведения теплового анализа также нужны данные по объему про-странства, доступному в системе для рассеивания тепла, общие параметры конструкции радиатора и тепловые характеристики материалов для соеди-нения компонентов Сид. эта информа-ция зависит от условий конкретного приложения.

наконец, для оценки срока службы системы должны быть получены дан-ные о температуре и рабочем токе в виде коэффициентов вейбулла или в виде графиков.

целью теплового анализа являет-ся установление диапазона рабочего тока, обеспечивающего максимальный световой выход и достаточную долго-вечность с учетом тепловых условий и параметров радиатора.

обобщенная процедура анализанаилучшим способом реализации

теплового анализа является использо-вание автоматизированного алгорит-ма, например с помощью электронных таблиц. это обеспечивает удобство и быстроту сравнения полученных результатов. Блок-схема возможной процедуры расчета представлена на рисунке 6.

процедура начинается с расчета зна-чений прямого тока и тепловых усло-вий, включая начальную оценку темпе-ратуры перехода. прямое напряжение, рассеиваемое тепло и температура рассчитываются итерационно, а затем полученные значения этих параметров используются для получения величины светового выхода.

Прямое напряжениеиспользуя математическое пред-

ставление данных из технической доку-ментации, производится расчет пря-мого напряжения (см. далее). обратная задача также выполнима: по заданной величине прямого напряжения можно рассчитать прямой ток.

Мощность и теплоСветодиод потребляет некоторую

энергию — произведение прямого тока на прямое напряжение. не вся эта энергия рассеивается как тепло, т.к. некоторая ее часть превращает-ся в свет; однако обычно техническая документация на Сид не содержит эту информацию, так же как не содержит и данные по эффективности преобра-зования энергии. традиционный под-ход предполагает, что вся мощность рассеивается как тепло. это приводит к завышению расчетной температуры и, как следствие, требует использова-ния радиатора большего размера, чем нужно на самом деле. преобразование из мощности светового пучка в свето-вой выход возможно, если известно распределение длины волны.

Температура переходадалее рассчитывается температура

перехода и сравнивается с допустимым значением. напряжение и мощность пересчитываются до тех пор, пока не будет получено допустимое значение температуры перехода. затем может быть рассчитан световой поток.

математические соотношения для расчетадля выполнения автоматизиро-

ванного расчета полезно иметь мате-матические соотношения, которые описывают параметры прибора. хотя в технической документации, как пра-вило, содержится вся необходимая информация, стоит потратить время, чтобы построить кривые зависимостей

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

47

электронные компоненты №6 2009

Рис. 8. Относительный световой поток как функция изменения температуры перехода от начального значения температуры

Рис. 7. Пример зависимости прямого напряжения от прямого тока СИД

2 техническое описание тестового оборудования TeraLED компании Mentor Graphics см. на компакт-диске.

параметров приборов. Было бы удоб-нее, если бы техническая документация уже содержала эти данные.

Тепловые условиятепловые условия включают темпе-

ратуру окружающей среды, канал пере-носа тепла между переходом и платой из технической документации, харак-теристики материалов, участвующих в тепловом взаимодействии, и тепло-вые параметры радиатора (естествен-ное охлаждение для систем освеще-ния, принудительное охлаждение для проекционных источников света). эти параметры можно получить как путем построения кривых на основе данных из технической документации, так и путем теплового расчета радиатора.

некоторые допущения могут упро-стить анализ. первое допущение состо-ит в том, что канал переноса тепла находится в установившемся режиме, имеет постоянную мощность и являет-ся одномерным, так что

Rja = Rjb + Rba, (7)

где Rja — общее тепловое сопротивле-ние между переходом и окружающей средой, Rjb — тепловое сопротивление переход–плата, Rba — тепловое сопро-тивление плата–окружающая среда.

второе допущение заключается в том, что Rba является постоянной вели-чиной при изменении температуры и рассеянии тепла. конечно, при необ-ходимости можно воспользоваться и более сложными выражениями.

Прямой ток и напряжениена рисунке 7 показан пример

зависимости прямого напряжения от прямого тока Сид [3], которая может быть аппроксимирована в диапазоне 400…1000 ма линейной функцией с погрешностью менее 1% (данные из технической документации)

Vf(If) = a0 + a1 If, (8)

где a0 = 16,267 в, a1 = 0,0064 в/ма, при этом прямой ток If измеряется в ма, а прямое напряжение Vf — в в.

в технической документации в качестве независимой переменной определено прямое напряжение, но на практике возможна регулировка тока с помощью микросхемы драйвера. таким образом, может быть более удобно для расчета проекта использовать ток как независимую переменную.

Прямое напряжение и температурапрямое напряжение зависит от

температуры перехода и температу-

ры радиатора. часто это зависимость является линейной с коэффициентом, указанным в технической документа-ции [4]. например, этот коэффициент может быть равным b1 = –4,5 мв/K в диапазоне –10…100°C при начальной температуре платы Tb,ref = 25°C. зависи-мость напряжения от темпратуры опре-делится следующим образом:

Vf(T) = Vf(If) + b1(Tb – Tb,ref). (9)

заметим, что не все вендоры исполь-зуют температуру платы Tb как кон-трольную в данном соотношении, неко-торые из них используют температуру перехода Tj.

Поток теплапрямой ток If, умноженный на

прямое напряжение Vf, дает рассеи-ваемую мощность, необходимую для рас чета тепловых характеристик. пред полагается, что мощность, содер-жащаяся в световом пучке, незначи-тельна [3, 5]. как было сказано, для более точного расчета тепловых усло-вий в системе производителям Сид следует предоставлять информацию о реальной мощности, рассеиваемой на радиаторе. компания Mentor Graphics предлагает оборудование для точно-го определения световой мощности Сид TeraLED 2. в отсутствие таких дан-ных для расчета можно использовать коэффициент преобразования энер-гии η, который уменьшает рассеива-емую мощность. заметим, что этот коэффициент может также зависеть от контрольной температуры. для слу-чая одномерного установившегося теплового потока

Tb = Tj – Rjb Vf If (1– η). (10)

имеется вероятность, что при опре-делении величины теплового сопро-тивления в технической документации на прибор была использована общая мощность, а не рассеиваемое тепло — в указании по применению об этом может быть не сказано. если это так, то величи-на Rjb, указанная в технической докумен-тации, может быть некор рект на [1].

Относительный световой поток и температура перехода

видимый световой выход ΦV изме-няется при изменении температуры прибора. для примера на рисунке 8 изображен график изменения относи-тельного светового выхода с темпера-турой для светодиода LEW E3A компа-нии OSRAM [4]. эта зависимость может быть математически описана с помо-щью линейной функции

ΦV/ΦV,ref(Tj) = c0 + c1(Tj – Tref), (11)

где ΦV,ref — световой выход при началь-ных условиях, например, когда прибор работает при токе If0 = 700 ма и имеет температуру перехода Tj = 25°C; c0 =1; c1 = 0,003236 K–1.

это выражение представляет дан-ные с точностью в пределах 1%.

Относительный световой поток и прямой ток

Световой выход возрастает с уве-личением прямого тока, подаваемого на светодиод. общепринятый способ представить эту зависимость — опре-делить отношение видимого свето-вого выхода ΦV к световому потоку в начальных условиях ΦV,ref. применив процедуру, описанную выше, можно получить выражение вто рого по- рядка:

, (12)

где d0 = –0,0481, d1 = 1,451, d2 = –0,404 при If0 = 700 ма.

конечно, можно использовать и дру-гие подходящие функции.

Световой выходтак как световой выход зависит от

двух переменных величин и в техниче-ской документации нет полной инфор-мации об этой функции, для первого приближения можно допустить, что данная функция разделима, т.е. являет-ся произведением светового выхода в начальных условиях и двух выражений, полученных выше:

ΦV = ΦV,ref Φ(T)/ΦV,ref Φ(If)/ ΦV,ref. (13).

48

Св

ет

от

ех

ни

ка

и о

пт

оэ

ле

кт

ро

ни

ка

www.elcp.ru

используя выражения, полученные выше, это уравнение можно преобразовать:

(14).

используя эти функции, можно на основе расчета тепло-вых и оптических характеристик найти оптимальный баланс между тепловыми условиями и рабочими параметрами раз-рабатываемой системы на базе Сид.

Срок службыСрок службы — также функция двух переменных. в [6]

приведен график, показывающий срок службы как функ-цию температуры перехода для различных рабочих токов. Срок службы определяется как время, за которое световой выход Сид уменьшается до 70% от его первоначального значения. интересной особенностью этого графика явля-ется то, что ниже критичной температуры, в данном случае 120°C, срок службы оказывается постоянным независимо от тока. простейший подход для оценки долговечности заклю-чается в том, чтобы рассматривать критичную температуру как верхний предел срока службы для разрабатываемой системы. выше этой границы может быть использована экс-поненциальная зависимость от температуры, т.к. обуслов-ленная температурой надежность имеет распределение вейбулла [6].

эта зависимость для срока службы светодиода L70 будет иметь вид:

L70 (If, Tj) = C0(If)exp–mTj, (15)

где коэффициент C0 является функцией прямого тока, а m — константа.

пример расчета параметров системы на базе Сид при-веден в [2]. в этом примере получены зависимости светового выхода от прямого тока при различных тепловых условиях.

заключЕниЕтепловые условия в значительной степени влияют на

световой выход, электрические режимы эксплуатации и долговечность светодиодов и, следовательно, их следует тщательно учитывать при проектировании системы осве-щения на базе Сид. в особенности, температура Сид влияет на оптические и электрические характеристики и, кроме того, на потребляемую мощность. Существующая техниче-ская документация не отражает в полной мере особенности тепловых характеристик светодиодов и должна быть улуч-шена с целью обеспечения разработчика надежными дан-ными, необходимыми для расчета тепловых ха рактеристик системы. предложенная обоб щенная процедура расчета и при меры аналитических выражений по зво ляют получить световой выход Сид в зависимости от тепловых условий. данная методика позволяет выбрать температуру перехо-да на основе светового выхода, близкого к мак си мальной величине.

ЛИтеРатуРа1. Andras Poppe, Clemens J.M. Lasance. On the Standardization of

Thermal Characteriza tion of LEDs2. Cathy Biber. Effect of Thermal Environ ment on LED Light Emission

and Lifetime3. OSTAR®-Lighting Application Note, Os ram Opto Semiconductors

GmbH4. LEW E3A Datasheet, Osram Opto Semi con ductors GmbH5. Thermal Management of OSTAR® Pro jec tion Light Source

Application Note, Osram Opto Semiconductors6. Understanding Power LED Lifetime Ana ly sis, Philips Lumileds

White Paper

Новости мультимедиа и телеком

| стандарт цифроВого тВ, на который собираЕт-ся пЕрЕйти россия В 2015 г. устарЕл? | Специалисты утверждают, что стандарт цифрового ТВ, на который соби-рается перейти Россия в 2015 г., уже устарел. По словам генерального директора компании «Информационные транковые системы» В. Кригера, стандарт эфирного веща-ния DVBT был актуален 6—7 лет назад. Сейчас во всех развитых странах на смену ему пришел стандарт DVBT-2. Число несущих частот последнего в 4 раза больше, чем у DVBT, и составляет 32 тыс. По количеству передаваемой информации DVBT-2 превосходит своего предшественни-ка на 40%, он более помехоустойчив, а его передатчики работают с гораздо меньшими энергозатратами, чем пере-датчики DVBT. По мнению В. Кригера, нынешний проект оцифровки российского телевидения и радио на основе стандарта DVBT на практике будет означать инвестирова-ние миллиардов рублей в технологию вчерашнего дня.

ФЦП «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009—2015 гг.», спроектированная Минкомсвязи, находится сейчас на утверждении в Правительстве. Проект предусматривает поэтапный переход на цифровой формат телерадиовещания. Начать планируется с Дальнего Востока, где уже к нача-лу 2011 г. должно стартовать эфирное цифровое веща-ние стандарта DVBT.

На строительство новых объектов и модернизацию существующей ретрансляционной системы в одном толь-ко этом регионе России планируется потратить 29 млрд. руб. из государственного бюджета. Строительство долж-но начаться в нынешнем году.

www.russianelectronics.ru

49

электронные компоненты №6 2009

В России, как в богатой ресурсами стране, особого внимания экономии энергоносителей не уделялось. Лишь в последние несколько лет на эту проблему обратили вни-мание на государственном уровне. Учитывая состояние промышленности за последний период, в области энер-госберегающих источников света львиную долю рынка занимают зарубежные производители светодиодов и фонарей на их основе. Одним из них является тайваньская корпорация High Power Lighting Corp. (HPL) — крупный производитель мощных светодиодов. Главными акционе-рами корпорации являются UMC United Microelectronics и Quanta Computer. Головной центр разработок — японская фирма KYO-A Plus, входящая в состав Kyocera.

Среди азиатских производителей светодиодов HPL занимает одно из лидирующих мест. Основной профиль компании — изготовление мощных светодиодов на основе кристаллов Epistar, Semiled, Cree. Помимо светодиодов, компания производит уличные фонари и светотехниче-ские изделия на базе светодиодов собственного производ-ства. Но все же основное направление — это разработка и выпуск светодиодов.

В мае компания начала выпуск новых SMD-светодиодов серии SHOCK мощностью 1 и 3 Вт. При подготовке к выпу-ску новых светодиодов компания HPL уделила особое внимание совершенствованию технологического процесса производства, что, в свою очередь, позволило сократить время на выполнение заказа.

Светодиоды SHOCK (см. рис. 1) обладают малыми раз-мерами — 4×4×1,7 мм с первичной оптикой, а толщина самого корпуса — всего 0,34 мм. Новинка работает при токе 700 мА и излучает световой поток 120 лм в холодном белом цвете (HPL-H40ZW1С0 — 3 Вт), при этом значение максимального импульсного тока составляет 1000 мА. Помимо белого цвета излучения, серия SHOCK выпуска-ется красного (625 нм), зеленого (525 нм), синего (470 нм), янтарного (590 нм), оранжевого (615 нм) цветов (см. табли-цу 1), а также ИК- и УФ-спектров. Стоит отметить и ценовую политику компании: в настоящее время цена на SHOCK примерно на 40% ниже, чем на аналогичные светодиоды других производителей.

Компания HPLighting позаботилась и об универсаль-ности своего изделия, которая достигается компактностью

Проблема экономии энергоресурсов с каждым годом приобретает все более глобальный характер. Применение энергосберегающих технологий в последние годы во многих государствах возведено в ранг приоритетных задач. Не стала исключением и Россия. В частности, одним из направлений решения этой задачи стало применение аль-тернативных источников света с низким энергопотреблением и более высокой эффективностью.

Иван СыроваткИн, менеджер по продукции, ООО «НЕОН-ЭК»

Мощные светодиоды High Power Lighting

Рис. 1. Светодиод HPL серии SHOCK

не только самого светодиода, но и вторичной оптики с углами 15°, 25° и 45°, что позволяет применять серию SHOCK в широчайших областях — от рекламной подсветки до медицинских приборов.

Наряду с новинкой компания продолжает выпуск светодиодов, которые хорошо зарекомендовали себя на российском рынке. На данный момент доступны свето-диоды со следующими типоразмерами корпусов: 9×9, 7×7, 4×4 и 3×2 мм толщиной 1,5 мм, предназначенные как для поверхностного монтажа, так и установленные на радиа-тор. Одним из немаловажных преимуществ светодиодов HPL является наличие первичной оптики и ее широкий выбор. Оптика имеет два варианта исполнения: силико-новая и стеклянная. Если говорить о самом массовом продукте компании — светодиодах в корпусе 7×7мм, то на них устанавливаются силиконовые линзы с углами 25°, 45°, 110°, 120°, 100°/50°. Стеклянная же оптика применяется для серии RGB 9×9 (70°, 110°) и на светодиодах 4×4 мм (60°, 120°).

Кроме светодиодов видимого спектра, HPL произво-дит и инфракрасные светодиоды с длиной волны 940 нм, которые могут применяться в приборах ночного видения. Также доступны 1-Вт ИК-светодиоды с длинами волн 660, 730 и 850 нм с углами обзора 25°, 45°, 110°, 120° в корпусах 7×7 и 4×4 мм на кристаллах AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs. В таких же корпусах производятся мощные 1-Вт ультра-фиолетовые светодиоды на кристаллах InGan с длинами волн 365, 375, 385 и 400 нм. Они применяются в медицине, биологии, для освещения и подсветки, в банковском обо-рудовании и т.д.

Все светодиоды HPL поставляются на лентах для авто-ма тизированного монтажа и на радиаторах в форме «звез-да» или «квадрат». У светодиодов с квадратным радиа-

Табл. 1. Краткие характеристики 1-Вт светодиодов серии SHOCK

Наименование Световой поток, лм Цвет Тепловое сопро-

тивление, ºС/Вт Угол, °

HPL-H40ZB1С0 17 Синий

10 140HPL-H40ZG1С0 94 Зеленый

HPL-H40ZR1С0 70 Красный

HPL-H40ZW1С0 120 Холодный белый

50

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Корпуса светодиодов HPL: а) корпус 4×4 мм со стеклянной линзой; б) корпус 7×7 мм на радиаторе «звезда»; в) корпус 7×7 мм для SMD-монтажа; г) светодиод 7×7 мм на квадратном радиаторе с установленной вторичной оптикой; д) RGB-светодиод в корпусе 9×9 мм и плоской линзой 110°

а) б) в) г) д)

тором возможна установка вторичной оптики с углами обзора 10° и 25°. Огромным преимуществом светодиодов HPL является то, что при монтаже не требуется специ-альных клеев, эпоксидов и т.д. На контактные площадки наносится паяльная паста, на которую устанавливается светодиод, после чего он готов к пайке в печи.

Учитывая планы правительства всерьез взяться за энер-госберегающие технологии, в ближайшие годы ожидается

рост на рынке полупроводникового освещения. Исчезают монополии, появляется здоровая конкуренция среди про-изводителей и дистрибьюторов светотехнической продук-ции. Компания HPL на российском рынке работает более трех лет и благодаря своей ценовой политике и высокому качеству продукции привлекает новых клиентов и способ-ствует появлению инновационных проектов у своих посто-янных покупателей.

Новости микропроцессоров

| IBM начала поддержИвать AMD IstAnBuL в Серверах systeM x | IBM начала сертифицировать шестиядерный про-цессор AMD Istanbul для своей линейки серверов System x и заявила о поддержке этого чипа в своей наиболее оснащенной модели на базе Opteron, четырехпроцессорной стоечной 4U системе System x3755. Это уже второе обновление за последнее время — в марте для данного сервера была заявлена поддержка четырехядерного Shanghai Opteron 8384. Модульные систе-мы BladeCenter LS22 и LS42 получили поддержку некоторых моделей Shanghai в феврале, а в июне список поддерживаемых разновидностей был расширен.

System x3755, первый сервер IBM с официальной поддержкой Istanbul, для обновления требует тонкой подстройки BIOS и прохождения процедуры сертификации. Возможность установки Istanbul пока не реализована для 1U двухпро-цессорных стоечных систем x3455 и двухпроцессорных 2U x3655. В очереди на обновление также модульные LS22 и LS42. IBM по-прежнему не предлагает пьедестальные серверы на базе Opteron, равно как и модификации гибридных стоечно-модульных систем iDataPlex с чипами AMD.

IBM заявила, что выпуск System x3755 с поддержкой Istanbul произойдет в конце августа 2009 г., это будут 2,4 ГГц Opteron 8431 и 2,6 ГГц Opteron 8435 в стандартном исполнении, с тепловыделением 75 Вт. Новые модификации чипов Special Edition (SE) и Highly Efficient (HE) с рассеиваемой мощностью 105 Вт и 55 Вт, соответственно, пока что поддержи-ваться не будут. Сервер x3755 может быть оснащен до 128 Гб оперативной памяти в 32 слотах DDR2, он также содержит интегрированный дисковый контроллер SAS, два порта Gigabit Ethernet и семь разъемов расширения: четыре PCI-Express (один x16, два x8, и один x4), два PCI-X и один HyperTransport Extender (HTx).

Одной из интересных особенностей x3755 является наличие фирменной технологии Xcelerated Memory Technology (XMT), позволяющей всем восьми модулям памяти, подключенным к каждому процессорному разъему, работать на полной частоте 667 МГц, без необходимости ее снижения до 533 МГц. IBM утверждает, что таким образом система с XMT и меньшим количеством памяти работает более эффективно, чем сервер с Opteron и большим количеством памяти, вынужденный замедлять ее частоту.

www.russianelectronics.ru

Новости мира дисплеев

| PHILIPs оСнащает МонИтор датчИкоМ прИСутСтвИя пользователя | В 2009 г. компания Eizo Nanao анонсировала выпуск мониторов с датчиком присутствия EcoView. Датчик способен определять, находится ли пользователь на рабочем месте, автоматически переводить монитор в спящий режим в случае отсутствия пользователя и вновь пробуждать при его возвращении.

Компания Eizo Nanao — не единственный производитель, обеспокоенный нерациональным расходованием электроэ-нергии. О выпуске подобных мониторов объявила компания Philips. Технология получила название PowerSensor и реали-зована в 22-дюймовой модели серии Brilliance.

Как только инфракрасный датчик присутствия обнаруживает отсутствие человека в течение предопределенного интервала времени, он подает сигнал на уменьшение яркости, что позволяет снизить потребляемую мощность на 50%. Немаловажно, что функция работает независимо от ПК, так что нет необходимости в установке драйверов и потенциаль-ных проблем с совместимостью.

www.russianelectronics.ru

51

электронные компоненты №6 2009

Компания ANALOG DEVICES Inc. является одним из признанных лидеров в разработке и производстве бысто-действующих PLL- и DDS-синтезаторов частот для совре-менных радиоэлектронных систем, в т.ч. для систем связи, радиолокации, навигации и измерений.

В настоящее время наиболее перспективными PLL-синтезаторами являются синтезаторы частот с дробным переменным коэффициентом деления (fractional-N), кото-рые позволяют частично снять присущие PLL-синтезаторам ограничения, связанные с известным противоречием между обеспечением мелкого шага перестройки по часто-те и требуемым (как правило, малым) временем пере-стройки с частоты на частоту.

Фирма ANALOG DEVICES Inc. (ADI) предлагает микросхе-му быстродействующего цифрового синтезатора частоты с дробным коэффициентом деления (fractional-N) ADF4193. Наибольшая частота по входу опорного сигнала 300 МГц, по радиочастотному (RF) входу — 3,5 ГГц, максимальная рабочая частота частотно-фазового детектора (ЧФД) равна 26 МГц. Микросхему отличает малый уровень фазовых шумов в спектре выходного сигнала — не более минус 102 дБн/Гц на выходной частоте 1800 МГц при отстройке от несущей 5 кГц.

Кроме того, собранному на основе предлагаемой микросхемы синтезатору присущи малое время переклю-чения с частоты на частоту. Типичное время переключения «вниз» не превышает 2 мкс и 5 мкс — «вверх». Время уста-новления фазы больше, но не превышает 20…25 мкс. Такие результаты достигнуты как форсированием тока перезаря-да ЧФД на время переключения, так и ослаблением петле-вого фильтра с помощью встроенных ключей.

Микросхема может работать в интервале питающих напряжений 2,7…5,65 В в промышленном диапазоне рабо-чих температур –40…85 °С. Для закачки данных использу-ется стандартный трехпроводный интерфейс SPI [1].

Синтезатор ADF4193 позволяет построить современ-ный гетеродин LO (local oscillator — местный генератор) как с повышением или понижением RF-частоты, так и непосредственно на рабочей частоте — базовой станции или терминала последней мили. В сочетании с внешним ГУН (генератор управляемый напряжением, VCO) и петле-вым фильтром микросхема образует законченную систе-му высококачественного синтезатора на основе ФАП.

В тракте опорного сигнала синтезатора ADF4193 мини-мальный коэффициент деления RМИН = 1 может быть изменен пользователем с шагом 1 до RМАКС = 15. Кроме того, возможно удвоение опорной частоты по переднему и заднему фронтам входного сигнала; для сохранения приемлемого качества выходного RF-сигнала желательно, чтобы скважность опорного колебания приближалась к

Настоящая статья продолжает серию публикаций о синтезаторах частот производства компании ANALOG DEVICES Inc., которые являются базовыми элементами любых систем радиосвязи, навигации, локации, кабельно-го и спутникового телевидения.

Юрий НикитиН, к.т.н., syntez@loniir.ru Сергей Дмитриев, sergey@eltech.spb.ru

Новый радиочастотный синтезатор частот с дробным коэффициентом деления ADF4193

двум. В противном случае, в спектре выходного колебания возможно появление помех с частотами, кратными значе-нию fREF/2R.

Отличительными чертами рассматриваемой микросхе-мы являются:

а) малое время перестройки с частоты на частоту (fast jump или, по терминологии ADI, ping pong) с возможно-стью регулировки времени установления переходного процесса с точностью до фазы;

б) управление фазой выходного RF-сигнала с шагом (1…4095)·360°/4096;

в) меньшая чувствительность к синфазным помехам за счет использования симметричного ЧФД с парафазным выходом и встроенного прецизионного дифференциаль-ного ОУ. Такое построение аналогового тракта управления позволяет значительно уменьшить эффекты от воздей-ствия внешних низкочастотных помех, в т.ч. и от механиче-ских возмущений (вибраций), однако предъявляет более жесткие требования к точности RC-элементов петлевого фильтра.

При использовании синтезаторов fractional-N шаг сетки синтезируемых частот всегда меньше частоты сравнения. Это удобно в случае мелкого шага сетки при высоком значении выходной частоты, т.е. при больших значениях коэффициента деления N делителя с дробным перемен-ным коэффициентом деления (ДДПКД). Более того, это и практично, поскольку фазовые шумы опорного колебания умножаются в меньшее количество раз при том же шаге сетки.

В большинстве таких синтезаторов первого поколения максимальное значение параметра дробности FRAC/MOD могло быть установлено в пределах 1/16…31/32.

Фирма Analog Devices Inc. решила проблему дробного коэффициента деления кардинально. Она предлагает син-тезатор ADF4193 со значением модуля (знаменателя) дроб-ности MOD в диапазоне 0...4095 по выбору пользователя! Соответственно, значение дробности FRAC в синтезаторе можно изменять практически в таких же широких преде-лах — 13...4095.

СпоСоб формироваНия ДробНого коэффициеНта ДелеНияИдея дробного деления заключается в чередовании

целочисленных коэффициентов деления по опреде-ленному закону за определенный интервал времени. Так, если необходимо получить коэффициент деления N = 820,73, то на интервале 100 выходных импульсов уста-навливают 73 раза коэффициент N = N + 1 = 821 и 27 раз N = 820. В итоге среднее значение коэффициента деления N = (821·73 + 820·27)/100 = 820,73.

52

WWW.ELCP.RU

Однако интервал наблюдения при дробном делении увеличивается в нашем примере в 100 раз. Другими сло-вами, увеличивается период неравномерности потока импульсов на RF-входе ЧФД и, соответственно, появляется функциональная модуляция на его выходе.

Такое увеличение периода помехи приводит к появ-лению помех дробности, частота которых ниже частоты сравнения в кольце, — в нашем примере также в 100 раз. Помехи дробности принципиально присутствуют на выхо-де ДДПКД, они являются функциональными, а их ампли-туда и распределение зависят от алгоритма реализации дробности и схемы фазового детектора.

На рисунке 1 показан один из возможных вариантов построения делителя [частоты] с дробным коэффициен-том деления. Поглотитель импульсов может быть реали-зован как аппаратно — «выкусыванием» одного импульса из входной последовательности после прихода управ-ляющего импульса переполнения ρk [2,3], так и измене-нием коэффициента деления прескалера (предделителя) с N на N+1 [4]. В СВЧ-синтезаторах прескалер является неотъемлемой частью, поскольку позволяет реализовать предельное быстродействие при разумном энергопотре-блении.

Заметим, что в ДДПКД с ∑Δ-модулятором второго порядка (двумя цифровыми интеграторами — накапли-вающими сумматорами НС) коэффициент деления N может принимать значения N–1...N+2. Поскольку значение N–1 технически реализовать трудно, используют значения N...N+3, записывая в регистр INT целую часть N на едини-цу меньше. Пользователь микросхемы таких маленьких хитростей не замечает, поскольку результат соответствует ожидаемому.

На рисунке 2 приведена структурная схема ∑Δ-модуля-тора первого порядка, а в таблице 1 — пример форми-рования разных значений дробности FRAC/MOD с его помощью.

На рисунке 3 приведена одна из возможных струк-турных схем ∑Δ-модулятора второго порядка, а в табли-цах 2 и 3 — примеры формирования разных значения дробности FRAC/MOD. На рисунках 2 и 3 буквой D обо-значены элементы задержки на один такт (D-триггеры или регистры). Импульсы (сигналы) переполнения ρK являются управляющими для модуля целочисленного деления INT ДДПКД, будь то поглотитель импульсов или пре-скалер. SK и SL –текущие суммы цифрового интегратора (∑Δ-модулятора).

Использование для формирования дробности ∑Δ-модулятора (интерполятора) третьего порядка позволяет дополнительно уменьшить уровень помех дробности в зоне малых отстроек от несущей и ослабить требования к петле-вому фильтру нижних частот (ФНЧ). Реализуют ∑Δ-модулятор третьего порядка путем последовательного включения трех цифровых интеграторов (накапливающих сумматоров НС) в тракт формирования дробности. Отметим, что в ДДПКД с ∑Δ-модулятором третьего порядка (тремя цифровыми инте-граторами) коэффициент деления N может принимать значе-ния N–3...N+4 (на практике — N...N+7).

Программирование производится при помощи стан-дартного последовательного трехпроводного интерфейса SPI. Программируемый двухмодульный предварительный делитель (прескалер RF) имеет коэффициенты деления RF-частоты 4/5 или 8/9; набор 4/5 можно использовать до частоты 2 ГГц.

Минимально возможный целочисленный коэффициент деления INT тракта RF равен 26. Максимальный целочис-ленный коэффициент деления INT = 255 может быть уста-новлен при любом коэффициенте прескалера.

Функциональная схема микросхемы синтезатора ADF4193 с обозначением выводов приведена на рисунке 4.

Рис.1. Вариант реализации дробности в ДДПКД с помощью ∑Δ-модулятора первого порядка

Рис. 2. ΣΔ-модулятор первого порядка

Рис. 3. ΣΔ-модулятор второго порядка

Табл. 1. Формирование разных значений дробности

∑Δ = 1: MOD = 7; FRAC = 2

№ такта 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Текущая сумма (SK) 0 2 4 6 1 3 5 0 2

Сигнал управления ρK на INT 1 1 1

∑Δ = 1: MOD =7; FRAC = 3

№ такта 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Текущая сумма (SK) 0 3 6 2 5 1 4 0 3

Сигнал управления ρK на INT 1 1 1 1

∑Δ = 1: MOD = 8; FRAC = 3

№ такта 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Текущая сумма (SK) 0 3 6 1 4 7 2 5 0

Сигнал управления ρK на INT 1 1 1 1

53

электронные компоненты №6 2009

Схема содержит частотно-фазовый детектор (ЧФД) с прецизионным симметричным программируемым источ-ником тока схемы поддержания заряда (charge pump) и общий выходной мультиплексор (см. рис. 5), а также ДДПКД с программируемым модулем-интерполятором третьего порядка.

Дробность в RF-тракте реализована в соответствии со структурной схемой рисунка 5 (справа). Модуль-интерполятор (third order fractional interpolator) — это последовательно соединенные три накапливающие сумма-тора (НС). В отечественной литературе его еще называют накопительным сумматором или цифровым интегратором.

Емкость НС MOD можно изменять, а во входной регистр сумматора записывать число FRAC < MOD. За каждый такт частоты сравнения в НС происходит суммирование кода числа FRAC с текущим кодом. При переполнении НС на его выходе появляется сигнал переноса ρk, который заставля-ет счетчик N (его прескалер) изменять коэффициент пере-

счета на единицу (с 4 на 5 или с 8 на 9). Последовательное соединение трех НС в дробном интерполяторе позволяет увеличить частоту переполнения и сместить спектр помех дробности в более высокочастотную область.

В ЧФД возможности для пользователя по сравнению, например, с микросхемой ADF4153 уменьшены — можно только неоперативно устанавливать выходной ток фазово-го детектора в высокочастотном (RF) канале (fмакс = 3,5 ГГц) с помощью внешнего резистора в соответствии с форму-лой:

, где

,

.

Табл. 2. Пример формирования разных значения дробности FRAC/MOD

∑Δ = 2: MOD =7; FRAC = 3№ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10У1 1 1 1 1 1У2 1 1 1 1 1

У2D –1 –1 –1 –1ρK 1 1 –1 2 –1 2 –1 1 1 –1 2

Табл. 3. Пример формирования разных значения дробности FRAC/MOD

∑Δ = 2: MOD = 8; FRAC = 3№ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17У1 1 1 1 1 1 1 1У2 1 1 1 1 1 1 1 1

У2D –1 –1 1 –1 –1 –1 –1ρK 1 1 –1 1 1 –1 2 –1 1 1 –1 2 0 –1 2 –1 1 1

Рис. 4. Функциональная схема синтезатора частоты Fractional-N ADF4193

Рис. 5. Мультиплексор микросхемы ADF4193 (слева) и структурная схема ДДПКД (справа)

54

WWW.ELCP.RU

На практике, в статическом режиме можно уста-навливать выходной ток ЧФД в интервале 26 мкА (RSET = 9,6 кОм)...104 мкА (RSET = 2,4 кОм), что будет соот-ветствовать токам в диапазоне 1,67...6,6 мА в режиме переключения, поскольку на время переходного процесса выходной ток ЧФД увеличивается в 64 раза (фиксирован-но) — см. рис. 6. Время форсирования выставляют про-граммно с помощью счетчиков лимита времени (timeout counter) либо в соответствии с рекомендациями ADI [1], либо определяют экспериментально.

Внутренние программно управляемые ключи SW1, SW2 и SW3 необходимы для коммутации элементов петлевого фильтра в режиме переключения выходной частоты (см. рис. 71). Ключи SW1 и SW2 коммутируют изодромные звенья на парафазных выходах ЧФД и рабо-тают синхронно, а ключ SW3 предназначен для зако-рачивания дополнительного звена петлевого фильтра (см. рис. 82 ). Точнее, ключ SW3 на время переключения заменяет звено дополнительного ФНЧ второго порядка на звено первого порядка, разгружая тем самым петле-вой фильтр.

оСНовНые характериСтики СиНтезатора афап ADF4193 С ДробНым перемеННым коэффициеНтом ДелеНияОсновные электрические параметры микросхе-

мы синтезатора ADF4193 (можно найти в datasheets ADF4193, стр. 3).

RF-канал микросхемы представляет собой синтезатор с дробным коэффициентом деления (Fractional-N). Регистры INT и FRAC определяют коэффициент деления делителя N, который находится из следующего соотношения:

(1)N = RF/FPFD = (INT + (FRAC/MOD)),

где INT — значение целочисленного регистра Integer; FRAC — значение дробного регистра Fractional; MOD — значение модуля-интерполятора.RF — частота на выходе синтезатора (входная частота VCO), FPFD — частота на входе фазового детектора.

Формула для вычисления выходной частоты Fractional-N канала имеет следующий вид:

(2)FOUT = FPFD ∙ [INT + (FRAC/MOD)] = = FS ∙ [INT x MOD +FRAC],

где FOUT — выходная частота внешнего VCO (ГУН);FS = FPFD/ MOD — частота шага сетки;FPFD — частота на входе фазового детектора, которая,

в свою очередь, определяется из следующего выраже-ния:

(3)FPFD = REFIN × [(1+D)/(R × (1+T)],

где REFIN — входная опорная частота; R — значение 4-разрядного опорного счетчика-делителя; D — индекс удвоения опорной частоты (0 или 1);T — индекс деления опорной частоты (0 или 1).

Так, если значение D = 0, то удвоения частоты REFIN не происходит, а частота FPFD равна REFIN (при условии, что R = 1). Если значение D = 1, то происходит удвоение вход-ной опорной частоты.

Соответственно, если значение T = 0, то деления часто-ты REFIN не происходит, а частота FPFD равна REFIN (при условии, что R = 1). Если значение T = 1, то происходит деление входной опорной частоты в два раза. Следует помнить, что максимальное значение FPFD не может пре-вышать 26 МГц.

Коэффициенты деления 8-разрядного регистра INT находятся в диапазоне 26...255. Дробный регистр FRAC является 12-разрядным, и его установочные коэффициен-ты находятся в диапазоне 0...4095. Модуль-интерполятор MOD также 12-разрядный, и, соответственно, имеет диапа-зон коэффициентов 13...4095. Важно заметить, что должно выполняться условие 0 ≤ FRAC < MOD.

программНые региСтры СиНтезатора ADF4193Программирование регистров и режимов работы ИМС

семейства ADF4*** однотипно. При программировании микросхемы ADF4193 используют восемь программных регистров-защелок R0–R7, которыми управляют с помо-щью трех младших битов C3 (DB2), C2 (DB1), C1 (DB0 во входном регистре сдвига 24-BIT DATA REGISTER так, как это показано в таблице 43.

1. Регистр FRAC/INT REGISTER (R0, 24 бита) программиру-ет 8-разрядный INT-регистр установки целой части коэф-фициента деления N (коэффициенты 26...255) и 12-разряд-ный FRAC-регистр установки дробной части коэффициента деления N (коэффициенты 0...4095) — см. таблицу 54.

2. Регистр MOD/R REG (R1, 24 бита) программирует: – выбор половинной опорной частоты T (1 бит); – удвоенной опорной частоты D (1 бит); – коэффициента деления прескалера P (1 бит); – режим работы ЧФД (1 бит); – коэффициент деления 1...15 R-делителя опорной

частоты (4 бита) и – размер 13...4095 модуля-интерполятора MOD

(12 бит) — см. табл. 65.

Рис. 6. Структура частотно-фазового детектора микросхемы ADF4193 (слева) и выходного каскада схемы поддержания заряда (справа)

1 Рис. 7 см. на компакт-диске.2 Рис. 8 см. на компакт-диске.3 Табл. 4 см. на компакт-диске.4 Табл. 5 см. на компакт-диске.5 Табл. 6 см. на компакт-диске.

55

электронные компоненты №6 2009

3. Регистр PHASE REG (R2, 16 бит) устанавливает вели-чину фазового сдвига выходного сигнала синтезатора с шагом 360°/MOD — см. табл. 76.

4. Регистр FUNCTION REG (R3, 16 бит) «закорачивает» выход ЧФД на землю (1 бит) и изменяет полярность ЧФД (1 бит) — см. табл. 87.

5. Регистр CHARGE PUMP REG (R4, 24бита) управля-ет счетчиками лимита времени (задержка в диапазоне 0...2044 тактов частоты сравнения ЧФД) и выбором адреса-та управления (2 бита) — см. табл. 98.

6. Регистр POWER-DOWN REG (R5, 8бит) управляет: – включением встроенного дифференциального усили-

теля (1 бит); – отключением ЧФД (1 бит); – переводом выхода ЧФД в третье состояние (1 бит) и

перезапуска счетчика (1 бит) — см. табл. 109.7. Регистр MUX-REG (R6, 16 бит) предназначен для управ-

ления включением псевдослучайной последовательности в ∑Δ-модуляторе длиной 221 такта частоты сравнения в ЧФД и задержкой в детекторе синхронизма (4 бита), а также для установки режима работы выходного мульти-плексора — см. табл. 1110.

8. Регистр TEST MODE REG (R7, 16 бит) зарезервирован для модернизации ПО микросхемы — см. табл. 1211.

Описание функционального назначения и наимено-вание выводов синтезатора ADF4193 приведены в табли-це 1312.

фазовые шумы СиНтезатора чаСтоты ADF4193На рисунке 913 (справа) показана зависимость уровня

фазового шума на выходе RF от выходной частоты (несу-щей) в кольце АФАП при различных отстройках. Из ана-лиза графика следует, что рассматриваемая микросхема обеспечивает формирование качественного сигнала как в ближней зоне расстроек, так и при больших отстрой-ках от несущей. Уровень фазового шума уменьшен на 8…10 дБ по сравнению с синтезаторами предыдущих моделей [8].

перехоДНые процеССы в петле фап С микроСхемой ADF4193Время переходного процесса удовлетворяет требова-

ниям действующих стандартов большинства систем под-вижной радиосвязи (см. рис. 1014), а возможность управ-ления фазой выходного сигнала (см. рис. 1115) позволяет более гибко решать проблемы при формировании инфор-мационных сигналов.

Например, появляются дополнительные возможности при формировании телеграфных сигналов с частотной и фазовой телеграфией. А в системах профессиональной и закрытой связи появилась возможность экономичного построения систем с «прыгающей» частотой. Без форси-рования петли с помощью встроенных ключей SW время переходного процесса увеличивается почти на порядок.

Инженеры ADI рекомендуют расширять полосу про-зрачности кольца на время переключения (смены частот) в 8 раз [1].

фильтрация помех ДробНоСти в RF-трактеСледует сказать несколько слов о фильтрации помех

дробности в петле АФАП с синтезатором ADF4193. В режи-ме дробности и с включенной ПСП (рандомизацией с помощью псевдослучайной последовательности) период неравномерности на выходе ЧФД возрастает до величины TПСП = 221/FPFD.

При «типовой» опорной частоте GSM 13 МГц время TПСП = 0,161319… с. Разумеется, никакое кольцо АФАП не сможет отфильтровать столь низкочастотную помеху. В таких случаях говорят об уширении спектральной линии выходного колебания. Однако общий уровень фазовых шумов ухудшается в этом случае примерно на 10 дБ [1].

Однако при этом число спектральных компонент резко возросло, а мощность выходного сигнала не изменилась. Следовательно, мощность каждой дискретной спектраль-ной помеховой компоненты уменьшилась, и значительно. В результате спектр дискретных помех выглядит значительно лучше.

Следует лишь ответить на вопрос — что важнее в конкретном случае: дискретные побочные спектральные составляющие или фазовые шумы. К использованию такого режима надо подходить взвешенно и при крайней необхо-димости. Кстати, при включенной рандомизации значение параметра MOD не может быть меньше 50.

Теперь несколько слов о частоте помех дробности при построении петли АФАП с использованием микросхемы ADF4193 (см. табл. 1416).

Из таблицы 14 следует, что при включенной дробности ее помехи могут быть меньше частоты шага сетки в 2, 3 или 6 раз, в зависимости от того, четный или нечетный пара-метр MOD, а также его кратности 3 и 6, и об этом не следует забывать, особенно при проектировании широкополосных синтезаторов — в наборе требуемых частот всегда найдется место самому неблагоприятному раскладу!

На рисунке 1217 (слева) показано изменение чувстви-тельности синтезатора по RF-входу от входной частоты, а на рисунке 12 (справа) — уровень фазовых шумов на выхо-де встроенного буферного дифференциального ОУ.

На рисунке 1318 приведены примеры соединения информационно-управляющих входов синтезатора ADF4193 с контроллерами фирмы ADI с помощью SPI-интерфейса.

Временные соотношения в циклах записи управляющих слов в синтезатор ADF4193 показаны на рисунке 1419.

Изучение теории цифрового синтеза частот [2, 5], публикации [6, 7], а также информация на сайте Analog Devices Inc. www.analog.com/pll позволяют в итоге так видоизменить параметры кольца АФАП, т.е. петлевого фильтра, тока ЧФД и коэффициентов деления N и R, что

6 Табл. 7 см. на компакт-диске.7 Табл. 8 см. на компакт-диске.8 Табл. 9 см. на компакт-диске.9 Табл. 10 см. на компакт-диске.10 Табл. 11 см. на компакт-диске.11 Табл. 12 см. на компакт-диске.12 Табл. 13 см. на компакт-диске.13 Рис. 9 см. на компакт-диске.14 Рис. 10 см. на компакт-диске.15 Рис. 11 см. на компакт-диске.16 Табл. 14 см. на компакт-диске.17 Рис. 12 см. на компакт-диске.18 Рис. 13 см. на компакт-диске.19 Рис. 14 см. на компакт-диске.

56

WWW.ELCP.RU

результаты сторицей возвратят потраченное время и порядком испорченные нервы инженера-разработчика.

отлаДочНые СреДСтва Удобным инструментом для обкатки схем PLL-

синтезаторов и радиоэлектронных структур, в которые в виде составных частей входят PLL-синтезаторы, являются демонстрационные платы (Evolution Boards), например Eval-ADF4193EB1 (GSM 1800) и Eval-ADF4193EB2. На первой плате установлен ГУН VCO190-1843T с диапазоном перестройки 1805...1880 МГц (при размахе управляющего напряжения 5 В с выхода ЧФД) компании Vari-L, а также петлевой фильтр, который обеспечивает полосу прозрачности кольца 60 кГц.

Эти демонстрационные платы можно приобрести или получить во временное пользование (под реальные про-екты) в компании ЭЛТЕХ (www.eltech.spb.ru). Там же можно получить квалифицированную техническую поддержку по всей продукции Analog Devices.

На второй плате Eval-ADF4193EB2 ГУН и петлевой фильтр отсутствуют. Используя фирменное ПО ADISimPLL ver. 2.7 и выше удобно изменять параметры кольца и отслеживать изме-нения выходного спектра. Но об этом в следующей статье.

Литература1. http://www.analog.com/en/rfif-components/pll-

synthesizersvcos/adf4193/products/.Зарецкий М.М., Мовшович М.Е. Синтезаторы частоты с

кольцом фазовой автоподстройки. Л.: Энергия, 1974. — 256с.2 Лейнов М.Л. и др. Цифровые делители частоты на логиче-

ских элементах. М.: Энергия, 1975. — 128 с.3. Шишов С.Я. Быстродействующий делитель частоты с

переменным коэффициентом деления//Техника средств связи. Серия ТРС. — 1981. Вып. 9. С. 83–88.

4. M. Curtin, P.O'Bien «PLL for HF receivers and Transmitters» — Part 1, 2, 3 — Analog Dialog, Volume 33, 1999.

5. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981. — 264с.

Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991, 264с.

6. Дмитриев С., Никитин Ю. Радиочастотный синтеза-тор частот с дробным коэффициентом деления ADF4153// Компоненты и технологии. 2004. №3. С. 58—62.

7. Никитин Ю. Элементная база фазовой автоподстройки: системный подход // Современная Электроника. 2008. №1. С. 28—33.

События рынка

| «аНгСтрем» приНужДаЮт проДавать чипы вСем | Федеральная антимонопольная служба (ФАС) посчитала, что российская компания «Ангстрем» и сингапурская «Smartronic projects PTE» нарушили антимонопольное законодательство при заключении контракта на поставку микроконтроллеров К5004ВЕ1-017, использующихся в современных кассовых аппа-ратах. ФАС выдвинула против партнеров обвинение в нарушении федерального закона «О защите конкуренции». Изделия «Ангстрема» используются в производстве электронных защищенных контрольных лент для кассовых аппаратов (ЭКЛЗ). В Сингапуре на основе российских пластин со сформированными кристаллами создаются компоненты для производства таких лент, которые затем возвращаются на российский рынок для финальной сборки ЭКЛЗ.

«В заключенном контракте содержится запрет на реализацию продукции, монополистом в производстве которой является «Ангстрем», в иные компании, кроме сингапурского партнера, –рассказали в управлении контроля промышленности ФАС. — Все микроконтроллеры этого типа направляются только в Smartronic и никуда больше, что и вызывает у нас вопросы».

«У нас проходила проверка ФАС, в ходе которой было сказано, что если из договора уйдет требование эксклюзивно-сти поставок, то дело возбуждено не будет, — рассказал Дмитрий Милованцев, председатель совета директоров группы компаний «Ангстрем». — Но этот контракт, который продлится до конца 2009 г. принесет треть выручки компании за это время. К такому клиенту нельзя прийти и безо всяких оснований потребовать ухудшения условий соглашения. Пусть заве-дут дело, создадут прецедент, и тогда мы будем говорить с заказчиком. Требование эксклюзивности было для «Ангстрема» чистой формальностью и было связано с тем, что заказчик на этот тип изделий у компании был всего один».

Рассмотрение назначено на 8 сентября, но одним делом проблема не исчерпывается, — уверены в компании-производителе. «В микроэлектронике есть принцип создания уникальных продуктов, и пункт об эксклюзивности — это принятая практика, — уточняет руководитель «Ангстрем». — Если будет создан прецедент, то придется заново думать, как работать на этом рынке, изменится очень многое». Положительное решение по этому делу будет деструктивно по отно-шению ко всему рынку микроэлектроники, считает Д. Милованцев.

«На российском рынке микроэлектроники действительно существует практика эксклюзивных договоренностей, кото-рую нельзя приветствовать, поскольку она нарушает основы конкуренции, — считает Михаил Маслов, исполнительный директор Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов. — АПЭАП против эксклюзивности, которая ведет к монополизации отрасли. Очень важно то, какие именно операции проводятся в Азии: наша принципиальная пози-ция состоит в том, что максимальная часть добавленной стоимости должна оставаться в России».

www.russianelectronics.ru

новоСти микропроцеССоров

| трехъяДерНые процеССоры Серии Athlon II X3 400 появятСя в СеНтябре | Компания AMD продвигает идею исполь-зования трехъядерных процессоров, утверждая, что они могут обогнать по производительности двухъядерные решения Intel при схожей или даже меньшей стоимости. А после того, как некоторые производители материнских плат «случайно» обна-ружили способ активировать заблокированное четвертое ядро, у этих чипов появился еще один мощный маркетинговый козырь. Ведь теперь потребитель может за небольшие деньги купить трехъядерник AMD и превратить его в полноценный четырехъядерный процессор.

Поэтому не стоит удивляться, что трехъядерные процессоры серии Phenom II X3 700 из поколения Heka оказались столь успешными на рынке. Кроме того, AMD готовится представить еще одну серию трехъядерных CPU под названием Athlon II X3 400. Эти чипы относятся к поколению Rana и изготовлены по нормам 45 нм техпроцесса. Кроме того, они полу-чили по 512 Кб на ядро кэш-памяти второго уровня, а их максимальная тактовая частота должна составить 2,8 ГГц.

www.russianelectronics.ru

57

электронные компоненты №6 2009

ВВедениеКоагуляция крови — сложный динамический физио-

логический процесс, в ходе которого кровь сворачивается и прекращается кровотечение из раны. Во время хирур-гических операций на сердце кровь циркулирует за счёт аппарата искусственного кровообращения. Этот аппарат обслуживается медперсоналом, в обязанности которого входит, в частности, контроль за соответствующими пара-метрами свёртываемости. Чтобы избежать свёртывания крови, необходимо поддерживать тонкий баланс и обеспе-чивать необходимый уровень антикоагулянтов, одним из которых является гепарин. Время свёртываемости изме-ряется каждые 30—60 минут в ходе операции и несколько раз после нее, до тех пор пока не восстановится нормаль-ная свёртываемость. Обычно тестируются образцы веноз-ной крови, измеряется время свёртывания и подбирается оптимальная доза антикоагулянтов.

Компания Analog Devices является партнёром Института биомедицинской диагностики (BDI), научно-инженерного исследовательского центра, основанного Научным фондом Ирландии и специализирующегося на разработке биомедицинских диагностических устройств нового поколения. В рамках одного из проектов этого института Analog Devices совместно с Университетом Дублина и одной из глобальных фармацевтических ком-паний работает над созданием устройства мониторинга коагуляции крови во время хирургических операций и интенсивной терапии. Эта система будет обеспечивать быстрое и автоматическое отслеживание свёртываемо-сти, что способствует безопасности пациента, повышает скорость работы и упрощает процесс принятия решений медицинским персоналом.

измерение импеданса посредстВом AD5933Путём отслеживания импеданса образца крови была

выявлена его зависимость от стадии процесса формиро-вания тромба. Достоверность такого метода измерения свёртываемости проверялась по стандартным общепри-нятым клиническим методикам.

Высокоинтегрированный однокристальный сканнер импеданса AD5933 — это прецизионная система измере-ния импеданса, включающая генератор синусоидального сигнала и 12-разрядный аналого-цифровой преобразова-тель (АЦП) с частотой отсчётов 1 МГц. Генератор обеспечи-вает сигнал возбуждения заданной частоты для внешней цепи. Ответный сигнал (ток) оцифровывается с помощью встроенного АЦП, а посредством встроенного цифрово-го процессора осуществляется преобразование Фурье полученного сигнала. На выходе мы получаем веществен-ную (R) и мнимую (I) части импеданса для данной частоты. На основе этих данных можно вычислить амплитуду и фазу импеданса на любой частоте в пределах развёртки, кото-рую обеспечивает генератор.

На функциональной схеме AD5933 (см. рис. 1) показаны все необходимые интегрированные узлы для измерения импеданса. Встроенный узел цифровой обработки позво-

В статье рассказывается о принципе действия и преимуществах AD5933 — однокристального сканера для изме-рения комплексного импеданса, на основе которого создаются новые миниатюрные устройства для измерения свёртываемости крови.

Хелен Бёрни, дж. о'риордан

сканер импеданса для контроля свёртывания крови

ляет получить значение комплексного импеданса изме-ряемой цепи. Система требует начальной калибровки: в качестве измеряемой схемы ставится прецизионный рези-стор и вычисляется калибровочный коэффициент, кото-рый будет использоваться для последующих измерений. AD5933 может измерять импеданс в пределах от 100 Ом до 10 МОм с точностью 0,5% в полосе 1…100 кГц.

Корреляция процесса свёртывания крови с изменения-ми импеданса хорошо изучена и описана. Однако появив-шиеся совсем недавно интегральные микросхемы для измерения комплексного импеданса позволяют создавать все более миниатюрные устройства для измерения свёр-тываемости крови. Это создаёт серьёзные преимущества с точки зрения снижения энергопотребления и улучшения портативности, а эти параметры весьма существенны для реанимационной аппаратуры.

Схемы с однополярным питанием, такие как AD5933, обычно работают с сигналами, смещёнными по постоян-ному току на фиксированную величину. Во многих случаях при измерении импеданса это не играет роли, но посто-янное смещение вызывает электрохимическую реакцию в проводящей жидкости, что влияет на исследуемый обра-зец. Чтобы предотвратить электролиз в образце крови, сигнал возбуждения, вырабатываемый микросхемой AD5933, в данном проекте развязан по постоянному току с помощью схемы, показанной на рисунке 2.

система измерения сВертыВаемости кроВиИнтерфейс между образцом крови и измерительной

схемой — важная часть системы. В данном проекте был разработан специальный жидкостный микроканал, в который помещается кровь и который подключается к AD5933. Микроканал позволяет образцу крови взаи-модействовать со специальным реагентом — модуля-тором свёртываемости, и обеспечивает контакт между образцом крови и измерительной схемой на AD5933 (см. рис. 3). Микроканальное устройство состоит из трёх слоёв. Нижний слой — это плёнка с нанесёнными печатным способом электродами, которые подключа-

Рис. 1. Функциональная схема устройства измерения импеданса

58

WWW.ELCP.RU

ются к электрической схеме на базе AD5933. Верхняя часть — это полимерная отливка, внутри которой — два резервуара, соединённых микроканалом. Химический реагент, регулирующий свёртывание образца крови, может помещаться либо внутрь микроканала, либо в центральный, «соединяющий» слой. Верхний и нижний слои микроканального устройства соединяются с помо-щью чувствительного к давлению адгезивного материала (PSA). Образец крови, помещённый в один из резервуа-ров, заполняет микроканал и вступает в контакт с печат-ными электродами, которые в свою очередь подключены к AD5933.

измеренный спектр импедансаКривые изменения импеданса для сворачивающей-

ся и несворачивающейся крови показаны на рисунке 4. Стрелкой показан момент времени, в который произошло свёртывание образца крови. На рисунке 5 показаны кри-вые изменения импеданса в случаях, когда свёртывание

Рис. 2. AD5933 со схемой формирования сигнала

Рис.3. Схема устройства системы измерения импеданса с полимерным микро-каналом, содержащим образец крови

Рис. 4. Сравнение кривых изменения импеданса для свёртывающегося и несвёр-тывающегося образцов крови

крови замедлено с помощью гепарина. Стрелками показа-ны моменты свёртывания для разных образцов крови.

С помощью системы, описанной выше, измерялось время свёртывания большого количества образцов, и полу-ченные результаты сверялись с измерениями, сделанными с помощью стандартных медицинских методик (см. рис. 6).

заключениеAD5933 — однокристальный сканер импеданса — был

с успехом применён для измерения импеданса образцов крови в процессе свёртывания. По сравнению с существую-щими системами, этот прибор обеспечивает конечному пользователя такие преимущества как удобство примене-ния, низкое энергопотребление и портативность. Сочетание предлагаемой микроэлектронной технологии с современ-ными решениями в других областях, например с микрока-нальными методами и обработкой образцов биологических материалов, обеспечивает обширные перспективы для раз-вития технологий в области медицинской техники.

Рис. 5. Сравнение кривых изменения импеданса для образцов крови с разным временем свёртывания

Рис. 6. Корреляция между временем свёртывания, измеренным с помощью AD5933, и данными, полученными с помощью стандартного метода измерения времени свёртывания

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РАК

ТИ

КА

59

электронные компоненты №6 2009

В статье рассмотрены методы расширения спектра и виды уплотнения доступа. Рассказывается об основных особенностях и преимуществах каждого подхода.

УвЕлИчЕнИЕ РЕсУРсОв сЕТИЕкатЕрина самкова, редактор, журнал «Электронные компоненты»

расширЕниЕ спЕктра (Spread Spectrum)в большинстве приложений требует-

ся, чтобы используемый спектр частот был как можно уже. несмотря на это, существует обратная методика — рас-ширение спектра, когда сигналы пере-даются в широкой полосе частот. Она была разработана для военных и разве-дывательных целей и применяется для защиты передаваемых данных и повы-шения помехоустойчивости сигнала. Есть два основных способа расширения спектра: скачкообразная перестройка частоты (FHSS) и приближение сигнала к шумоподобному (DSSS). Рассмотрим их практические реализации.

скачкообразная пЕрЕстройка частоты в некоторых применениях, напри-

мер военных, важно оградить информа-цию от несанкционированного прослу-шивания или намеренного заглушения. в таком случае помогает расширение спектра путем скачкообразной пере-стройки частоты. Оно заключается в том, что сигнал переключается много раз в секунду псевдослучайным обра-зом между отведенными заранее кана-лами. Передача на каждой частоте идет в течение заданного промежутка вре-мени, после чего сигнал перескакива-ет на другой канал. скорость скачков может меняться и зависит от дополни-тельных требований. Метод FHSS часто используется для ослабления интер-ференции. Если в одном канале интер-ференционные помехи велики, то их влияние будет носить кратковремен-ный характер, поскольку сигнал быстро переключается на другие каналы.

Между переключениями возникает т.н. мертвый период, когда выходной сигнал отсутствует. в это время происхо-дит установка синтезатора частоты. Этот период также необходим для защиты от межканальных интерференционных помех, возникающих при переключе-нии. в приемнике синхронно повторяет-ся тот же алгоритм переключения, что и в передатчике. следует помнить, что за счет передачи синхробитов эффектив-ная скорость передачи данных умень-шается.

Перестройка частоты обычно при-меняется для передачи цифровых сигналов. Для передачи аналоговой

информации, например голоса, ее необ-ходимо предварительно оцифровать. скорость передачи данных должна превышать полосу пропускания, чтобы был запас на добавление защитных мертвых интервалов во время пере-ключения сигнала.

прямоЕ послЕдоватЕльноЕ расширЕниЕ спЕктра При прямом последовательном

расширении спектра информацион-ный сигнал приводится к шумоподоб-ному, чтобы узкополосные помехи не ухудшали качество приема данных. Для этого каждый бит передаваемой информации заменяется расширяю-щей последовательностью из n битов. логическая единица представляется прямой последовательностью, а логи-ческий ноль — инверсной.

Очень часто в качестве расширяю-щего кода используют 11-битную после-довательность Баркера 10110111000. Ее преимущество заключается в том, что она позволяет приемнику быстро синхронизоваться с передатчиком. Действительно, если сравнить две последовательности Баркера, сдвину-тые на один бит, мы получим меньше половины совпадений значений битов. следовательно, даже при искажении нескольких битов приемник, скорее всего, сможет идентифицировать нача-ло последовательности, а значит, пра-вильно распознать получаемую инфор-мацию.

несмотря на сложность реализации в приемнике и передатчике, методика DSSS позволяет существенно улучшить качество обмена. Она используется в военных приложениях, где важна высо-кая степень секретности данных, а также в новых сотовых системах для увеличения емкости сети. в последнем случае технологию DSSS часто назы-вают множественным или многостан-ционным доступом с кодовым раз-делением каналов (CDMA), поскольку она позволяет нескольким абонентам одновременно принимать сигналы, используя индивидуальные коды.

мЕтоды увЕличЕния Емкости сЕтиИзначально технологии расшире-

ния спектра применялись для защиты информации от несанкционированного доступа или для того, чтобы передавае-

мый сигнал нельзя было обнаружить. Однако с развитием сотовой связи эти технологии находят новое примене-ние — используются для увеличения емкости сети (уплотнения доступа).

в сетях с большим числом абонен-тов необходимо организовать связь так, чтобы пользователи могли иметь доступ к ресурсам сети и в то же время не мешали друг другу. с этой задачей позволяют справиться методы множе-ственного доступа: пространственный, частотный (FDM), кодовый (CDM) и вре-менной (TDM).

Пространственное уплотнение осно-вано на территориальном разделении зон вещания. Каждая станция пере-дает сигнал на определенной частоте на закрепленной за ней территории. Поскольку дальность распростране-ния радиосигналов ограничена, то при достаточном удалении друг от друга две станции не создают помех друг другу. Характерный пример — станции сото-вой связи, использующие один и тот же диапазон частот в разных городах.

Обратный подход применяется при частотном мультиплексировании. в этом методе на одной территории несколько устройств передают сигна-лы на разных частотах. Данный прин-цип широко применяется в беспро-водных технологиях и радиовещании. Отведенная территории полоса частот делится на информационные каналы, отстоящие друг от друга на защитные интервалы (см. рис.1) для исключения взаимных помех.

немного сложнее организовано временное мультиплексирование. Каждой станции на передачу сигнала отводятся определенные циклически повторяющиеся промежутки времени.

ГлоссарийFHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) — скач-кообразная перестройка частоты.DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) — прямое последовательное расширение спектра. CDMA (Code Division Multiple Access) — множествен-ный доступ с кодовым разделением каналов. FDMA (Frequency Division Multiple Access) — уплотне-ние с частотным разделением каналов.TDMA (Time Division Multiple Access) — множествен-ный доступ с временным уплотнением. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) — мультиплексирование с ортогональным разделением частот.

60

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РАК

ТИ

КА

www.elcp.ru

с одной стороны это очень удобно, т.к. временные интервалы могут пере-распределяться между устройствами сети в зависимости от объема трафика. Однако с другой стороны, в системах с временным разделением каналов предъявляются чрезвычайно высокие требования к синхронизации между приемником и передатчиком, ведь при малейшем расхождении произойдет мгновенная потеря данных. временное уплотнение применяется в сотовых сетях стандарта GSM.

уплотнЕниЕ с кодовым раздЕлЕниЕм При кодовом разделении все стан-

ции осуществляют передачу сигналов на одной и той же частоте, но с раз-ной шифрацией. Это как в комнате, где находится много людей, говорящих на разных языках: несмотря на шум, вам всегда удастся распознать родную речь,

даже если окружающие будут говорить громче.

Принцип формирования кодового разделения основан на том, что каж-дый бит исходных данных заменяет-ся на CDM-символ или расширяющую (чиповую) последовательность, как его еще называют. в качестве такой после-довательности можно взять не любую, а либо псевдослучайную, либо орто-гональную. Ортогональной последо-вательностью считается та, в которой сумма битов равна нулю. Расширяющая последовательность передается цикли-чески, причем необходимо, чтобы ее период точно соответствовал длитель-ности информационного бита. Обычно логическая единица передается прямой последовательностью, а логический ноль — инверсной. Зашифрованные таким образом потоки суммируются, затем результирующий сигнал модули-руется и передается (см. рис. 2).

в приемнике производятся обратные операции. Полученный сигнал демо-дулируется и снова перемножается на расширяющую последовательность, соответствующую нужному каналу. Для наглядности рассмотрим принцип пере-дачи двух потоков данных на одном несущем сигнале (см. рис. 3).

Пусть имеются два информацион-ных потока (c) и (e). Для их передачи потребуются две расширяющие после-довательности. в качестве примера возьмем четырехбитные последова-тельности (a) и (b). Если их перемно-жить и сложить биты результата, то получим ноль. Значит, они являются ортогональными между собой. Итак, перемножим информационные после-довательности на соответствующие расширяющие: (a)×(c)=(d); (b)×(е)=(f). выходные сигналы (d) и (f) суммируем и полученный сигнал (g) используем в качестве модулирующего.

на рисунке 3 показано восста-новление сигнала (c). Для этого при-нятая последовательность (g) умно-жается на (h), совпадающую с (а). Результирующий сигнал (i) делится на блоки, соответствующие количе-ству битов в расширяющей после-довательности. Биты каждого блока суммируются, и после нормировки получается исходная последователь-ность (j), совпадающая с (c).

Заметим, что в случае использова-ния псевдослучайных кодов общий принцип передачи остается прежним, однако вместо одинаковых ортого-нальных кодов в передатчике и при-емнике используются одинаковые алгоритмы генерирования псевдос-лучайных последовательностей. Тем не менее, поскольку расширяющие последовательности не ортогональны, то при восстановлении будут возни-кать ошибки.

ортогональноЕ частотноЕ уплотнЕниЕ Еще один распространенный вид —

мультиплексирование с ортогональ-ным частотным разделением сигналов (OFDM). Принцип OFDM заключается в том, что весь доступный частотный диа-пазон разделяется на множество несу-щих; обычно их несколько тысяч, по которым осуществляется параллель-ная передача данных. Для обеспечения ортогональности несущие разнесены на интервалы равные 1/(период сим-вола). Боковые полосы каналов могут перекрываться, поскольку в ортого-нальных каналах интерференция не возникает.

Каждому передатчику выделяют-ся определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избе-жать возникновения интерференцион-ных помех. Таким образом, исходный поток последовательных данных пре-образуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально коли-честву каналов. в итоге скорость пере-дачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждо-го бита, за счет этого уменьшается веро-ятность появления ошибки и искаже-ний. Для исключения межсимвольных искажений между передачами битов вставляются защитные интервалы, гарантирующие, что выборка данных производится при уже установившем-ся сигнале, и никакие задержавшиеся колебания, влияющие на форму и фазу сигнала, не возникнут.

в передатчике ортогональное частотное уплотнение выполняется блоком обратного быстрого преоб-разования Фурье, который стоит в каждом модуляторе. соответственно, в демодуляторе приемника выполня-ется прямое быстрое преобразование Фурье. системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов. Для этого на выходе передатчика должен стоять оконечный усилитель.

Ортогональное частотное уплот-нение с применением корректирую-щих кодов называется кодированным (COFDM). При COFDM в передаваемый сигнал вносятся избыточные биты, поэтому вероятность появления ошиб-ки при восстановлении данных умень-шается. Мультиплексирование COFDM используется в стандарте Wi-Fi и циф-ровом радио, в недавно появившем-ся WiMAX и разрабатываемых сейчас мобильных системах 4G.

ЛитеРатуРа1. J. Meel «Spread spectrum. Introduction». 2. J. Meel «Spread spectrum. Applications». 3. Курс по беспроводным сетям.

Рис. 1. Разделение спектра частот ΔF на информа-ционные каналы шириной Δfk

Рис. 2. Передача сигналов при CDM

Рис. 3. Преобразование входных сигналов при CDM

61

WWW.ELCP.RU

Новые компоненты на российском рынкеАВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

200-В драйвер полумоста для автомобильных при-ложений от International Rectifier

Компания International Rectifier представляет AUIRS 2003S — 200-В драйвер для низко-/высоковольт-

ных автомобильных приложений, в т.ч. коммутатора аккумулятор-ной батареи, шагового двигателя и DC/DC-преобразователя.

Микросхема AUIRS 2003S представляет собой надежный вы со коскоростной драйвер MOSFET верхнего и нижнего плеча. Осо бен ностью драйвера является буферный выходной каскад с высоким импульсным током для минимизации перекрест-ной проводимости драйвера и, в то же время, использования пла ва ющего канала верхнего плеча для управления 200-В n-ка наль ным полевым транзистором. Новое устройство имеет низкий ток покоя, что позволяет использовать недорогие источники питания для схем верхнего плеча. Драйвер обе-спечивает выход верхнего и нижнего плеча в фазе с входными сигналами; входные сигналы могут иметь уровень 3,3; 5 и 15 В; выходные сигналы совмес тимы с CMOS- и LSTTL-логикой.

Имеется полный набор функций защиты, в т.ч. блокировка питания при пониженном напряжении, защита от времени простоя, защита от выбросов отрицательного напряжения и короткого замыкания.

Отвечающий требованиям стандарта AEC-Q100, драйвер AUIRS2003S специально разработан для применения в жест-ких условиях подкапотного пространства автомобиля.

Ключевые параметры драйвера AUIRS2003S приведены в таблице.

Voffset, В Vout, В Входная логика Io/Io- (typ), мА ton/toff (typ), нс Тип корпуса200 10…20 HIN, LIN 290/600 680/150 SOIC8

International Rectifierwww.irf.comДополнительная информация:см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новая специализирован-ная аналоговая микро-схема для приложений с сенсорным управлением от Microchip

Компания Microchip анонсировала специали-зированную микросхему

MCP2036, дополняющую уже имеющиеся решения компании в области индуктивного сенсорного управления (mTouchTM Inductive Touch-Sensing solutions). Аналоговый интерфейс MCP2036 поддерживает работу со всеми 8-, 16- и 32-разряд-ными PIC-микроконтроллерами, а также с сигнальными про-цессорами семейства dsPIC.

Использование микросхемы в паре с PIC-контроллером позволяет легко и без дополнительных разработок аналого-вой части реализовать сенсорный интерфейс.

MCP2036 содержит мультиплексор, преобразователь частоты, усилитель, драйвер и внутренний источник опорно-го напряжения, что позволяет значительно уменьшить число дополнительных внешних элементов и, как следствие, стои-мость разработки.

Физические основы индукционного сенсорного управле-ния позволяют реализовывать сенсорный интерфейс в усло-виях, где применяются различные материалы для сенсорных панелей, такие как пластик, сталь, алюминий. Сенсорные панели с индуктивным управлением обеспечивают чувстви-тельность при работе в перчатках и в условиях, где возможно попадание жидкостей на панель, а также в других экстре-мальных ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации промышленных изделий.

Технологии Microchip в области индуктивного сенсорного управления дополняют имеющиеся решения компании в сфере емкостного сенсорного управления, обеспечивают высокую надежность и снижают конечную стоимость разработки.

Microchip Technologywww.microchip.comДополнительная информация:см. Microchip Technology

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Помехоустойчивые ра дио- трансиверы для диапазо-нов 433/868/915 МГц от Analog Devices

Компания Analog Devices представила но- вые микросхемы тран си-веров, предназначенные

для передачи данных на короткие расстояния (выходная мощность –20…12 дБм): ADF7022 и ADF7023.

Микросхемы можно использовать для промышленного контроля и измерений, в беспроводных сетях и телеметри-ческих системах, в системах охраны и медицинских устрой-ствах.

Микросхема ADF7022 представляет собой FSK/GFSK-тран си вер для работы на частотах 868,25 МГц, 868,95 МГц и 869,85 МГц в нелицензируемом диапазоне ISM. ADF7022 полностью сертифицирован по Европейскому стандарту ETSI-300-200 и имеет расширенную полосу для передачи циф-ровых сигналов.

Маломощный трансивер ADF7023 предназначен для работы в диапазонах 433, 868 и 915 МГц. Достоинства микросхемы — низкий ток потребления и скорость передачи информации до 250 Кбит/с при модуляции 2FSK/GFSK/OOK. Это позволяет при-емнику работать в обстановке более сильных (в 4 раза!) интер-ферирующих помех, в более чем двойном рабочем диапазоне частот. Напряжение питания 1,8…3,6 В.

Новые трансиверы будут выпускаться в корпусах 32-LFCSP (5×5 мм) для работы в промышленном диапазоне рабочих температур (–40…85°С). Серийный выпуск ожидается в нача-ле осени 2009 г.

Analog Devices Inc.www.analog.comДополнительная информация:см. «Элтех», ЗАО

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новое семейство 25- и 30-В n-канальных MOSFET для син-хронных преобразователей от International Rectifier

Компания International Rectifier представляет новое семей-ство 25- и 30-В n-канальных trench HEXFET® мощных полевых транзисторов для синхронных понижающих преобразовате-лей и вычислительных цепей.

62

Электронные компоненты №6 2009

Новое семейство MOSFET использует кремниевую технологию с эталонно низким сопротивлением открытого канала (RDS(on)). Транзисторы имеют низ-кие тепловые потери; тем самым повышается КПД устройства при полной загрузке. Доступны дис-кретные транзисторы в

корпусе QFN (5×6 мм и 3×3 мм), D-Pak, I-Pak, SO-8, а также сдвоенные транзисторы в корпусе SO-8. Новые транзисторы соответствуют директиве RoHS.

Параметры дискретных n–канальных MOSFET приведены в таблице.

Наименование BVdss, В

RDS(on) (max)

при 10 Вgs, мОм

RDS(on) (max)

при 4,5 Вgs, мОм

Id при TC =

= 25°C, A

Id при TА =

= 25°C, A

Qg (typ), нКл

Тип кор-пуса

IRLR8256(TR)PBF 25 5,7 8,5 81 - 10 D-Pak/I-PAKIRLU8256(TR)PBF 25 5,7 8,5 81 - 10 D-Pak/I-PAKIRLR8259(TR)PBF 25 8,7 12,9 57 - 6,8 D-Pak/I-PAKIRLU8259(TR)PBF 25 8,7 12,9 57 - 6,8 D-Pak/I-PAKIRF8252(TR)PBF 25 2,7 3,7 - 25 35 SO-8IRLR8743(TR)PBF 30 3,1 3,9 160 - 39 D-Pak/I-PAKIRLU8743(TR)PBF 30 3,1 3,9 160 - 39 D-Pak/I-PAKIRLR8726(TR)PBF 30 5,8 8,0 86 - 15 D-Pak/I-PAKIRLU8726(TR)PBF 30 5,8 8,0 86 - 15 D-Pak/I-PAKIRLR8721(TR)PBF 30 8,4 11,8 65 - 8,5 D-Pak/I-PAKIRLU8721(TR)PBF 30 8,4 11,8 65 - 8,5 D-Pak/I-PAKIRLR8729(TR)PBF 30 8,9 11,9 58 - 10 D-Pak/I-PAKIRLU8729(TR)PBF 30 8,9 11,9 58 - 10 D-Pak/I-PAKIRFH3702(TR,TR2)PBF 30 7,1 11,8 - 16 9,6 PQFN 3×3IRFH3707(TR,TR2)PBF 30 12,4 17,9 - 12 5,4 PQFN 3×3IRFH7932(TR,TR2)PBF 30 3,3 3,9 - 24 34 PQFN 5×6IRFH7934(TR,TR2)PBF 30 3,5 5,1 - 24 20 PQFN 5×6IRFH7936(TR,TR2)PBF 30 4,8 6,8 - 20 17 PQFN 5×6IRFH7921(TR,TR2)PBF 30 8,5 12,5 - 15 9,3 PQFN 5×6IRFH7914(TR,TR2)PBF 30 8,7 13 - 15 8,3 PQFN 5×6IRF8788(TR)PBF 30 2,8 3,8 - 24 44 SO-8IRF7862(TR)PBF 30 3,7 4,5 - 21 30 SO-8IRF8734(TR)PBF 30 3,5 5,1 - 21 20 SO-8IRF8736(TR)PBF 30 4,8 6,8 - 18 17 SO-8IRF8721(TR)PBF 30 8,5 12,5 - 14 8,3 SO-8IRF8714(TR)PBF 30 8,7 13 - 14 8,1 SO-8IRF8707(TR)PBF 30 11,9 17,5 - 11 6,2 SO-8

International Rectifierwww.irf.comДополнительная информация:см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Компания Tektronix обновляет свипирующие анализаторы спектра

Компания Tektronix, Inc. объявила о внесении существенных улучшений

в анализаторы спектра cерии RSA6000. Анализаторы серии RSA6000 позволяют ускорить тестирование за счет повыше-ния скорости измерений и в то же время снижают затраты бла го даря уникальному сочетанию измерительных функций, что делает их особенно удобными для таких сфер примене-ния как управление частотными ресурсами, радиолокация, РЭБ и радиосвязь.

Система DPX способна регистрировать нескольких сотен тысяч спектров в секунду с полосой анализа свыше 110 МГц. Благодаря такому усовершенствованию можно выполнять DPX-свипирование в полном входном диапазоне RSA6000, т.е. до 14 ГГц. За то время, когда традиционный анализатор спектра захватывает один спектр, RSA6000 может захватить на несколько порядков спектров больше.

Новейшая технология запуска DPX позволяет захватывать сигналы, недоступные другим анализаторам, ускоряя анализ за счет запуска по сигналам внутри сигналов. Другие усовер-шен ство вания системы запуска включают новую функцию запуска от искаженных импульсов и возможность классифи-кации синхрособытий по времени. Способность классифи-цировать синхрособытия по времени и амплитуде является уникальной способностью анализаторов серии RSA6000 и позволяет ускорить диагностику в различных ситуациях, включая мониторинг спектра и измерение параметров РЛС.

Среди других усовершенствований следует упомянуть шестикратное повышение производительности самой мощ ной в отрасли функции отображения живого РЧ-спект-ра DPX второго поколения, которая теперь может за хва-ты вать более 292 000 спектров в секунду, благодаря чему разработчики могут обнаруживать кратковременные пере-ходные процессы (длительностью от 10,3 мкс).

Tektronix, Incwww.tektronix.comДополнительная информация:см. Tektronix, Inc

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Компания Agilent Technologies повысила мощность популярного семейства источников питания более чем в 8 раз

Компания Agilent Technologies дополнила линейку программируемых одно-канальных источников питания постоянного тока общего назначения новыми моделями серии N8700. Эти системные источники питания постоянного тока обладают теми же возможностями, что и очень популярные источники серии Agilent N5700, но имеют при этом в восемь раз большую удельную мощность. Источники питания серии N8700 обла-дают самой высокой в отрасли удельной мощностью, обе-спечивая до 5200 Вт в небольшом корпусе высотой всего 2 ед. (стоечный блок 2U), и оборудованы стандартными компью-терными интерфейсами, включая LAN (LXI-C), USB и GPIB, при-чем все это в стандартной конфигурации.

Источники серии Agilent N8700 обладают всеми необходи-мыми базовыми функциями, позволяющими упростить и уско-рить разработку контрольно-измерительных систем для науч-ных исследований и производства в таких ключевых отраслях как авиакосмическая и оборонная промышленность, авто-мобилестроение, производство электронных компонентов и связь. Серия N8700 расширяет семейство N5700, добавляя 21 новую модель с диапазоном мощности 3,3…5 кВт.

Все модели источников питания серии N8700 обеспе-чивают стабильную выходную мощность и оборудованы встроенными функциями измерения тока и напряжения в диапазоне 5,5…400 А и 8…600 В. Для повышения гибко-сти источники питания можно включать параллельно или последовательно, повышая, соответственно, выходной ток или напряжение. Также для всех моделей предусмотрены различные варианты входного переменного напряжения в диапазоне от 230 В (1-фазная сеть) до 400 В (3-фазная сеть).

Источники питания серии Agilent N8700 поддерживают дистанционное управление через интерфейс LAN из любого веб-браузера через встроенный веб-сервер и графический интерфейс пользователя.

Agilent Technologies Inc.www.agilent.ruДополнительная информация:см. Agilent Technologies Inc.

63

WWW.ELCP.RU

Новая серия миниатюрных AC/DC-преобразователей от Mornsun

Компания Mornsun расширила свой модельный ряд миниатюр-ными AC/DC-преобразователями серии LS03.

Новые преобразователи с вы ход ной мощностью до 3 Вт имеют миниатюрный корпус SIP12 (34×22,5×9,5 мм) для монтажа на печатную плату в отверстия, рабо-

чий температурный диапазон –40…85°С, прочность изоляции вход – выход 2 кВ (в течение 1 мин).

Наименование P, Вт Uвых/Iвых, В/мА КПД, %LS03-05B03S 1,65 3,3/500 70LS03-05B05S 2,5 5,0/500 70LS03-05B09S

3

9,0/330 75LS03-05B12S 12/250 78LS03-05B15S 15/200 78LS03-05B24S 24/125 78

Серия LS03 рассчитана на входной диапазон напряже-ний 85…264 В переменного тока (или 100…400 В постоян-ного тока). Преобразователи имеют стабилизированный выход и снабжены защитой от короткого замыкания и перегрева.

Данную серию отличает низкий уровень шумов на выхо-де (в полосе 20 МГц — не более 50 мВ для моделей с выхо-дом 3,3 и 5 В, не более 100 мВ для моделей с выходом 9, 12, 15 и 24 В).

Серия LS03 является оптимальным решением для про-мышленных приложений, в частности, беспроводных систем, АСУТП, средств УСПД в системах энергоучета. Гарантия про-изводителя — 3 года.

Mornsunwww.mornsun-power.comДополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

Компактные DC/DC-преоб-разователи мощностью 15 Вт с ультрашироким диапазоном входного напряжения от Mornsun

Компания Mornsun предлагает DC/DC-преоб-разователи серии URB_

LD-15W (URA_LD-15W).Преобразователи с выходной мощностью 15 Вт выпол-

нены в металлических корпусах, экранированных с шести сторон (размеры корпуса: 50,8×25,4×11,2 мм — без радиа-тора, и 50,8×31×21 мм — с радиатором), со стандартным промышленным расположением выводов для монтажа на печатную плату в отверстия. Диапазоны входных напряже-ний 9…36 В и 18…75 В. Рабочий температурный диапазон –40…85°С, КПД до 85%, прочность изоляции вход–выход — 1,5 кВ (в течение 1 мин).

Преобразователи имеют стабилизированный выход 3,3; 5; 12 и 15 В (для URB_LD-15W) и ±5, ±12, ±15 В (для URA_LD-15W), снабжены защитой от короткого замыкания и от перенапряжения. Имеется функция дистанционного включения-выключения. В серии URB_LD-15W реализована функция подстройки выходного напряжения.

Данные серии доступны в исполнении с радиатором и без радиатора. Применение радиатора позволяет рас-ширить рабочий температурный диапазон преобразова-телей.

Области применения: системы телекоммуникационного оборудования, системы управления технологическими про-цессами, транспорт, приложения, использующие питание от аккумуляторных батарей, и др.

Mornsunwww.mornsun-power.comДополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

Инверторы на 200 и 400 Вт с синусоидальным выходом от Mean Well

Компания Mean Well представила новые инверторы предназначен-

ные для преобразования входного постоянного напряжения 12, 24 или 48 В в переменное синусоидальное напряжение 110/230 В. Предлагаются модели для частоты 50 или 60 Гц. Инверторы имеют высокую перегрузочную способность и могут работать с нагрузкой 230 Вт (TS-200) или 460 Вт (TS-400) в течение 3 мин. или с нагрузкой 300 Вт (TS-200) и 600 Вт (TS-400) в течение 10 с. Пиковая мощность инверто-ров (1 с) составляет 400 и 800 Вт, соответственно.

Инверторы обеспечивают стабильность выходного напряжения не хуже ±3%, частоты — не более ±0,1 Гц и коэффициент гармоник выходного напряжения не более 3%.

Инверторы серий TS-200 и TS-400 можно устанавливать на транспортных средствах, яхтах, в загородных и передвиж-ных домах, передвижных лабораториях, для подключения электробытовых и измерительных приборов, офисного обо-рудования и др.

Особенности инверторов серий TS-200 и TS-400:– КПД до 88%;– коэффициент гармоник выходного синусоидального

напряжения: <3%;– электрическая прочность изоляции батарея–выход:

3000 В АC;– рабочий диапазон температур: –10…35°С (100% нагруз-

ка), –10…60°С (50% нагрузка), хранение –30…70°С;– габариты: TS-200 — 205×158×59 мм, TS-400 —

205×158×67 мм.DC/AC-преобразователи серий TS-200 и TS-400 имеют сле-

дующие стандартные функции:– светодиодный индикатор режима работы;– дистанционное включение/отключение;– защита: от пониженного напряжения аккумулятора с

сигналом тревоги; от неправильной полярности подключе-ния аккумулятора; от короткого замыкания и перегрузки на выходе; от перегрева.

DC/AC-преобразователи серий TS-200 и TS-400 соответ-ствуют стандартам:

– EN55022 класс A, 72/245/ СЕЕ, 95/54 СE, E-Mark (по уров-ню электромагнитных излучений);

– EN61000-4-2,3,8, ENV50204 (по устойчивости к воздей-ствию электромагнитных помех).

Mean Wellwww.meanwell.comДополнительная информация:см. «Элтех», ЗАО

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Новый понижающий ШИМ-контроллер от International Rectifier

Компания International Rectifier анонсировала IR3640M — однофазный синхронный высоко-частотный понижающий

64

Электронные компоненты №6 2009

(buck) ШИМ-контроллер с интегрированным драйвером MOSFET и ограничительным диодом.

Понижающий (buck) ШИМ-контроллер IR3640M является высоко интегрированным устройством с широким диапа-зоном входных/выходных напряжений и предназначен для управления парой n-канальных MOSFET с рабочей частотой в диапазоне 250 кГц…1,5 МГц. Микросхема IR3640M предна-значена для таких приложений как высокопроизводитель-ные синхронные понижающие DC/DC-преобразователи для серверов, систем хранения данных, сетевого оборудования, игровых консолей, а также для DC/DC-преобразователей общего назначения.

ШИМ-контроллер IR3640M обладает следующими функ-циональными особенностями:

– программируемое плавное включение; – режим Pre-Bias Start Up; – отслеживание (коррекция) уровней напряжения; – внешняя синхронизация; – защита по току и напряжению; – защита от короткого замыкания; – тепловая защита.Микросхема IR3640M соответствует нормам RoHS. Для

совместной работы с IR3640M производителем рекомендуют-ся MOSFET семейства DirectFET®.

Основные параметры ШИМ-контроллера IR3640M приве-дены в таблице.

Наиме но-вание

Диапазон входного напряже-

ния, В

Диапазон выходного напряже-

ния, В

Рабочая частота,

кГц Особенности Тип кор-

пуса

IR3640MPbF 1,5…24 (0,7…0,9) Vin 250…1500

1-% точность, OCP, OTP, PB, SS, PGOOD, внешняя синхронизация, отслежи-вание напряжения

3×4 мм MLPQ-20

Для разработчика доступен эталонный комплект (reference design kit) IRDC3640 (25 А, 600 кГц), содержащий ШИМ-контроллер IR3640M и MOSFET семейства DirectFET®: IRF6710S и IRF6795M.

International Rectifierwww.irf.comДополнительная информация:см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новые прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы с высокой стабильностью частоты от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (Санкт-Петербург) представляет качественно новые пре-

цизионные термокомпенсированные кварцевые генерато-ры.

Ключевой особенностью приборов данной группы являет-ся сочетание следующих характеристик.

– Стабильность частоты на уровне термостатированного генератора (~10–7).

– Малое значение потребляемой мощности: как после включения генератора, так и в установившемся режиме (около 100 мВт).

– Малое время стабилизации частоты после включения (около 2…3 с).

– Низкий уровень фазовых шумов.Планируется серийный выпуск двух моделей указанных

прецизионных термостатированных генераторов: ГК202-ТК и ГК203-ТК.

ГК202-ТК имеет номинальную частоту 12,8 МГц, выходной сигнал синусоидальной формы и напряжение питания 5 В. Прибор обеспечивает температурную стабильность частоты до 1,5.10–7 в широком интервале рабочих температур и долго-временную стабильность частоты до 1,5.10–7 за год. Генератор выполнен в стандартном корпусе с размерами 36×27×12,7 мм.

ГК203-ТК имеет номинальную частоту 10 МГц и напря-жение питания 12 В. Выходной сигнал также имеет сину-соидальную форму. Прибор характеризуется еще более высокой стабильностью частоты: до 5.10–8 при изменении рабочей температуры в широком диапазоне и долговремен-ную стабильность частоты до 1,5.10–7 за год.

ГК203-ТК имеет аналогичные ГК202-ТК габаритно-при со-еди нительные размеры, однако при этом имеет очень пер-спективное исполнение с высотой 10 мм (ГК203М-ТК).

Сочетание высокого уровня температурной и долго вре-мен ной стабильности частоты с низким уровнем потребле-ния и почти мгновенной готовностью к работе делают гене-раторы ГК202-ТК и ГК203-ТК очень эффективным решением для многих применений, в частности, в различных системах мобильной радиосвязи.

ОАО «Морион»www.morion.com.ru Дополнительная информация:см. «Морион», ОАО

Agilent Technologies Inc.115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1Тел.: +7 (495) 797-3928tmo_rus@agilent.comwww.agilent.ru

Microchip Technologysale@gamma.spb.ruwww.microchip.com

Tektronix, Inc.109004, Москва, Б. Дровяной пер., д.6, 4 этажТел.: (495) 748-49-00, (495) 748-49-02diana.kruchenok@tektronix.comwww.tek.com/ru

«Морион», ОАО199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13аТел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-15-59sale@morion.com.ruwww.morion.com.ru

Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

107023, Москва, Семеновский пер., 15, офис 406Тел./факс: (495) 964-95-60irmoscow@gmail.comwww.irf.com

«ЭКО», ООО107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр.1, оф.307Тел.: (499) 161-9183electron@e-co.ruwww.e-co.ru

«Элтех», ООО198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6АТел.: (812) 635-50-60Факс: (812) 635-50-70info@eltech.spb.ruwww.eltech.spb.ru