РЫНОК9 Без стереотипов

12 Александр Хабаров

Знакомьтесь — производственный альянс

«Контракт Электроника»

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ

16 Валерий Жаднов, Александр Гаршин, Иван Жаднов

Дифференцированная оценка влияния ВВФ при

проектных исследованиях надежности электрон-

ных компонентов

24 Владимир Бродин

Модульная микроконтроллерная система с разделени-

ем функций управления и отображения информации

27 Александр Сидоров

Особенности нанесения фоторезиста при произ-

водстве МЭМС-устройств

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

31 Марк Фортунато

Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденса-

торов в сигнальном тракте. Часть 2

38 Геннадий Денисов

Шумы в электрических схемах с операционными

усилителями

42 Пол Рако

Повышение линейности и эффективности

РЧ-усилителей

48 Рон Уилсон

Создание аналоговой системы с помощью програм-

мируемых кристаллов

52 Андрей Никитин

Линейные регуляторы компании STMicroelectronics

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

56 Кен Мараско

Интеллектуальные драйверы уменьшают энерго-

потребление и упрощают разводку печатных плат в

портативных системах

59 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко

DC/DC-преобразователи PEAK в SMD-корпусах для

портативных и мобильных приборов

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

64 Виктор Александров

Выбор оптимального драйвера светодиодной

системы. Часть 2

70 Антон Булдыгин

Истинные параметры мощных светодиодов Philips

Lumileds Luxeon Rebel жу

рнал

для р

азра

бот

чико

вЭ

ле

кт

ро

нн

ые

ко

мп

он

ен

тыРуководитель 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;Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подпис-ка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков

Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; 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, прз. 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.

Подписано в печать 09.04.2010 г.

Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз.

Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

содержание

№3/2010

www. elcp.ru

4

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

WWW. ELCP.RU

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

74 Илья Плоткин, Игорь Твердов, Сергей Слепов

Источники бесперебойного питания для стационар-

ных и подвижных объектов

АЦП и ЦАП

78 Наталья Кривандина

Микросхемы ЦАП фирмы Maxim Integrated Products

83 Андрей Никитин

Цифровые потенциометры компании On Semiconductor

ДИСКРЕТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

87 Евгений Силкин

Силовые оптотиристоры для преобразователей и

регуляторов с фазовым управлением

МК и ДСП

93 Джозеф Ю

Почему стоит переходить на 32-разрядную архи-

тектуру микроконтроллеров

99 Анатолий Тарасов

Как увеличить эффективность встраиваемых про-

цессоров

101 Сергей Ковалев

Процессоры Samsung + операционная система

Linux = простое и эффективное решение для техно-

логии Digital Signage

ПОСЛЕ РАБОТЫ

109 Андрей Щедрин, Юрий Колоколов

Двухчастотный металлоискатель BM8043 —

«КОЩЕЙ»

111 Тон Гисбертс

Заехать в гараж? Легко!

113 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ

РЫНКЕ

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

5

Электронные компоненты №3 2010

contents # 3 / 2 0 1 0

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #3 2010

MARKET9 Without Stereotypes

12 Alexander Khabarov

Meet the Production Union “Contract Electronica”

DESIGN and DEVELOPMENT

16 Valery Zhadnov, Alexander Garshin and Ivan Zhadnov

Diff erential Estimating Exterior Actuating Factors

at Design Research of Reliability of Electronic

Components

24 Vladimir Buldygin

Modular Microcontroller System with Sharing of

Control and Display Tasks

27 Alexander Sidorov

Features of Photoresist Coating in Production of MEMS

Devices

ANALOG

31 Mark Fortunato

Develop Analog High-Pass Filters without Capacitors in

the Signal Path. Part 2

38 Gennady Denisov

Noise Analysis in Operational Amplifi er Circuits

42 Paul Rako

Heads and Tails: Design RF Amplifi ers for Linearity and

Effi ciency

48 Ron Wilson

Programmable Chips: Piecing Together an Analog

Solution

52 Andrey Nikitin

Linear Controls from STMicroelectronics

MOBILE DEVICES

56 Ken Marasco

Smart Drivers Reduce Energy Use and PCB Clutter in

Portable Electronic Systems

59 Sergey Krivandin and Andrey Konopelchenko

PEAK DC/DC Converters in SMD Cases for Portable and

Mobile Devices

LIGHTING and OPTOELECTRONICS

64 Victor Alexandrov

Selecting Optimal Driver for LED System. Part 2

70 Anton Buldygin

True Parameters of High-Brightness Philips Lumileds

Luxeon Rebel LEDs

POWER SUPPLIES

74 Ilya Plotkin, Igor Tverdov and Sergey Slepov

Uninterruptible Power Supplies for Stationary and

Mobile Objects

ADC/DAC

78 Natalya Krivandina

DACs from Maxim Integrated Products

83 Andrey Nikitin

Digital Potentiometer from On Semiconductor

DISCRETE

87 Evgeny Silkin

Power Optothyristors for Converters and Regulators

with Phase Control

MCU and DSP

93 Joseph Yiu

What Next for Microcontrollers?

99 Anatoly Tarasov

How to Increase Effi ciency of Embedded Processors

101 Sergey Kovalev

Processors from Samsung + Linux = Simple

and Effi cient Solution for Digital Signage

LEISURE TIME

109 Andrey Schedrin and Yury Kolokolov

KOSCHEY, Two-frequency Metal Finder VM8043

111 Ton Giesberts

Easy Driving into Garage

113 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

6

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

WWW. ELCP.RU

Компании:

ПРОИЗВОДИТЕ ЛИ, ДИС ТРИБЬЮТОРЫ, ПОС ТАВЩИКИ

41 Agilent Technologies Inc.

97 ARM

7 EEMB

2-я обл. Digi-Key

2 Intersil

8 Farnell

21 Microchip Technology Corp.

61 Peak Electronics

35 Texas Instruments

43 Treston

91 Александер Электрик Дон, ООО

77Александер Электрик

источники электропитания, ООО

15 Вест-Эл

36 Гранит-ВТ, ЗАО Спб

107 Золотой Шар

33, 4-я обл. Компэл, ЗАО

13 Контракт Электроника

37 Макро Групп, ООО

51 Мастер-Тул, ООО (Свемел, Группа компаний)

105 МТ-Систем, ООО

98 Неон, ООО

47 НКАБ-ЭРИКОН, ООО

45, 89 Платан Компонентс, ЗАО

29 Предприятие Остек, ЗАО

39 Политекс, ООО

49, 95 Радиокомп, ООО

4 Резонит, ООО

71 Светотроника

19 Симметрон, ЗАО

67 Синтез Микроэлектроника

23 СМП, ООО

25 Терраэлектроника, ООО

3-я обл. ЧипЭкспо, ЗАО

65 Электроконнект, ООО

69 Элитан, ЗАО

1 Элтех, ООО

РЫ

НО

К

9

Электронные компоненты №3 2010

Обычно в этой рубрике мы рассказываем о компаниях, которые давно и

успешно работают на рынке электроники. На сей раз мы изменили своему

правилу. Речь пойдет о компании-новичке, только собирающейся выйти

на рынок с новым продуктом — суперконденсаторами. С компанией

«Барган Технолоджи» нас познакомил ее учредитель Василий Барган, он же

основатель «Барган Продакшн Групп» и «Барган Ньюс».

Беседа заметно отличалась от интервью, в которых мне приходилось

участвовать ранее. Вначале некоторые суждения Василия Барган показа-

лись мне даже немного наивными, но согласитесь — трудно заподозрить

в наивности автора 32-х изобретений с семилетним опытом коммерциа-

лизации идей и технологий. Чуть позже я понял, в чем дело: у моего собе-

седника полностью отсутствуют стереотипы суждений, часто встре-

чающиеся у людей, давно занимающихся электроникой. Компания «Барган

Технолоджи» молода и по-хорошему агрессивна, а ее планы впечатляют.

БЕЗ СТЕРЕОТИПОВ

— Расскажите, пожалуйста, о «Бар-

ган Технолоджи»: история компании;

структура; численность.

— «Барган Технолоджи» — научно-

исследовательская компания, специа-

лизирующаяся на внедрении нанотех-

нологий в производство пассивных

элементов радиоэлектроники (нано-

конденсаторов). Компания предостав-

ляет уникальные решения: конденсато-

ры повышенной емкости компактных

размеров.

Цель нашей компании — создание и

развитие новых высокотехнологичных

российских производств, увеличение

доли высокотехнологичной продукции

в структуре экспорта, снижение импор-

та дорогостоящих комплектующих и

оборудования в нашу страну, прямое и

косвенное приращение ВВП от реализа-

ции продукции, увеличение налоговых

поступлений в федеральный бюджет.

Задачи выглядят глобальными, а

для многих компаний — бредовыми,

но мои партнеры и коллеги не сомне-

ваются в возможности их выполнения.

Убежден — сотрудничество с государ-

ством позволит развиться отрасли в

целом и моей компании, в частности. И,

безусловно, без опыта и желания рабо-

тающей над проектом команды достиг-

нуть результата очень сложно.

В нашей компании трудятся и моло-

дые специалисты, и профессионалы с

солидным опытом. У нас есть внеш-

татные сотрудники, профессиональный

опыт которых исчисляется десятками

лет, а их компетенция не вызывает

сомнений даже у скептиков.

На сегодняшний момент штат

«Барган Технолоджи» состоит из 15-ти

человек и включает в себя следую-

щие отделы: технический; финансово-

правовой; административный; марке-

тинговый.

— «Барган Технолоджи» — научно-

исследовательская компания, но,

Удостоенные наградами изобретения В.А. Барган:• XII Международный салон промышленной собственности «Архимед-2009»; • Золотая медаль за разработку «Экзотермический нагреватель»;• сертификат №00124 Международного инновационного клуба «Архимед»; • Международный салон «Комплексная безопасность-2009»; • лучшая инновация для нужд МЧС и МВД России;• диплом III степени в номинации «Лучшие инновации в области комплексной безопасности»;• Золотая медаль «Гарантия качества и безопасности»;• Международный салон изобретений «Женева-2009»: Серебряная медаль за изобретение «Комплект самона-

гревающийся для разогрева еды в любых условиях»;• Европейский салон изобретателей «Лепин-2009», Страсбург: Серебряная медаль за изобретение «Устройство

для нагрева»;• В 2009 г. Всемирная организация World Imperial Society – Императорское общество удостоило Василия Барган

Золотым орденом семьи Романовых «Святой Николай II» 3-й степени.

судя по организационной структуре,

научно-исследовательской работой

занимаются менее половины сотруд-

ников. Чем это объясняется и каковы

накладные расходы?

— Компания «Барган Технолоджи»

занимается не только научно-

исследовательской деятельностью, но

и подготовкой проектной документа-

ции для превращения идеи в готовый

проект, понятный инвестору. Мы явля-

емся уникальной компанией, пред-

ставляющей собой связующий элемент

между изобретателем и инвестором.

Другими словами, мы оказываем инжи-

ниринговые услуги по подготовке про-

ектов разной сложности и на разных

этапах развития, но приоритетным

проектом является наш собственный.

Каждый сотрудник компании имеет

четко определенные для него обя-

занности и является неотъемлемой

частью команды. Примерное распре-

деление затрат в целом за все время

деятельности компании: НИОКР —

35%; аренда — 15%; управленческие (в

т.ч. административно-хозяйственные и

кон салтинговые услуги) — 50%.

— Суперконденсаторы — первый

опыт компании на рынке электрони-

ки? Как Вы планируете организовать

производство?

— Да, это первый опыт компании.

Существует бизнес-план по организа-

ции производства и развитию компа-

нии на ближайшие пять лет. В процессе

подготовки проекта была проделана

огромная работа: НИР, составлено НТО

проекта, был исследован рынок кон-

денсаторов, проведены маркетинговые

исследования, разработана финансовая

модель развития компании, подготов-

лена производственная часть, заключе-

ны предварительные договоренности

с производителями оборудования и

поставщиками сырья и материалов.

— Почему Вы выбрали суперкон-

денсаторы? Этот рынок достаточно

насыщен. Где Вы видите экономиче-

скую нишу для своих изделий?

— Суперконденсаторы присутству-

ют во всех электронных устройствах,

и единственная причина, сдерживаю-

щая их широкое внедрение — цена

и размеры. Рынок достаточно насы-

щен, однако практически отсутствуют

барьеры для выхода на него с инно-

вационным, я даже сказал бы, рево-

люционным продуктом. Рынок кон-

денсаторов обладает спецификой,

характерной для многих B2B рынков,

а именно: до 80% конденсаторов на

рынке производится на заказ, под

конкретные требования клиентов. В

10

РЫ

НО

К

WWW.ELCP.RU

целом я не стал бы делить данный

рынок по экономическим нишам, т.к.

конденсаторы подбираются заказчи-

ками не столько по цене, сколько по

техническим характеристикам, и на

нем нет «премиальных» продуктов

или брендов. Наша технология позво-

лит нам выйти на все сегменты рынка

не только суперконденсаторов, но и

конденсаторов в целом, будь то кон-

денсаторы для мобильных телефонов

или лазерных установок, гибридных

автомобилей или электронных счетчи-

ков и др.

Немного сведений о рынке. По дан-

ным 2009 г., рынок керамических кон-

денсаторов высокой емкости оценива-

ется экспертами в 6,3 млрд долл. По

прогнозам, в 2015 г. этот показатель

достигнет 11,4 млрд долл.

В качестве основных тенденций на

российском рынке выделяют следую-

щие:

– стабильный рост — ежегодно он

составляет 20—30%;

– рынок уверенно развивается,

меняется его структура;

– неравномерность роста. Опе-

режающий рост наблюдается в тех

отраслях, развитие которых стимулиру-

ется государством. Например, в энер-

гетике рост в разы превысил средние

показатели.

В основном, российские игроки

рынка конденсаторов сосредоточили

свои усилия и ресурсы на работе с теми

клиентами и в тех отраслях, которые

являются лидирующими в России —

энергетика, авиация, космос.

— Вы планируете производить

суперконденсаторы широкого при-

менения или для каких-то конкрет-

ных приложений?

— Учитывая специфику рынка (80%

продукции производится на заказ),

конечно, для конкретных приложе-

ний. Но отбрасывать 20% рынка мы не

намерены, и конденсаторы широко-

го применения также входят в наши

планы.

— Производители керамических

и электролитических конденсаторов

из стран ЮВА за счет низкой цены

теснят американские, европейские и

японские компании. На рынке супер-

конденсаторов та же тенденция?

— Я бы так не сказал. Рынок супер-

конденсаторов довольно молодой,

они только находят свои ниши и при-

менение, и заказчики этих компонен-

тов не столько обращают внимание на

цену изделия, сколько на технические

характеристики. Возможно, в буду-

щем тенденция, о которой вы гово-

рите, распространится и на рынок

суперконденсаторов, но я надеюсь,

что к тому времени Россия будет тес-

нить страны ЮВА низкими ценами и

недостижимыми для азиатов техниче-

скими характеристиками. Очень важ-

ным фактором в ценовой политике

суперконденсаторов является мате-

риал и метод промышленного произ-

водства. Вот тут, как нам кажется, мы

преуспели и надеемся, что у нас будут

возможности по снижению себестои-

мости за счет упрощения техноло-

гического процесса. Рассчитываю на

своих сотрудников, творчество кото-

рых не угасает и с каждым месяцем

способствует генерации новых техно-

логических идей.

— Для того чтобы производство

суперконденсаторов было при-

быльным, необходимо выпускать их

массовой серией и, следовательно,

выходить на мировой рынок. Какие

конкурентные преимущества Вы

видите у своих изделий?

— Они дешевле представленных на

рынке, меньше по размерам, обладают

лучшими техническими характеристи-

ками. Наши технологии производства

позволяют не только снизить сроки

производства, но и ускорить процесс

создания уникальных изделий под кон-

кретные требования заказчиков: стой-

кость к химическим средам, работа в

расширенном рабочем диапазоне тем-

ператур, особенное расположение кон-

тактов и пр.

— Суперконденсаторы, разра-

ботку которых Вы намечаете, имеют

какую-то новизну или планируется

производить их по уже опробован-

ным технологиям?

— У нашей компании креативный

профиль. Мы руководствуемся инно-

вационными подходами к реализации

проектов во многих областях техники.

Нам неинтересна бесконечная доработ-

ка технических решений полувековой

давности. Исследование возможностей

внедрения самых последних и совер-

шенных технологий, использование

новых материалов — вот направление

нашей деятельности.

Что касается разрабатываемого

нами керамического конденсатора

сверхвысокой емкости, то абсолютным

новшеством для таких компонентов

является использование в качестве

одной из обкладок материала с высо-

коразвитой пористой структурой,

которая не создается искусственно

методами импринтинга, эпитаксии или

литографии. В результате себестои-

мость конечного изделия существенно

снижается. Данный материал обладает

также рядом уникальных свойств —

высокая теплопроводность (порядка

200 Вт/(м∙К)), химическая, термическая и

радиационная стабильность, что суще-

ственно расширяет сферу использова-

ния изделия в технике. Существенной

проблемой многослойных керами-

ческих конденсаторов, выпускае-

мых мировыми лидерами, например

Murata, являются акустические шумы,

обусловленные различием коэффици-

ента термического расширения диэ-

лектрика и проводящих обкладок. Чем

больше емкость такого конденсатора,

тем сильнее проявляется этот пара-

зитный эффект. В основе увеличения

емкости нашего конденсатора лежит

не многослойная структура, а только

двухслойная на поверхности пористого

материала, поэтому вероятность аку-

стического шума такой системы мини-

мальна. Кроме того, тепловые эффекты,

возникающие при работе конденсатора

в высокочастотном режиме, уменьша-

ются благодаря теплоотводу в матери-

ал обкладки.

Основной технической задачей для

нас являлось конформное нанесение

диэлектрического и проводящего слоя

на материал пористой подложки —

идеальным решением явились мето-

ды физического осаждения из газовой

фазы (PVD) с системой распыления

импульсами высокой мощности (HIPIMS)

и метод атомно-слоевого осаждения

(ALD). Этот метод основан на осаждении

веществ на заранее подготовленную

поверхность, толщину покрытия кото-

рой можно регулировать с точностью

до 10 Å (1 нм), а соотношение размеров

пористой микроструктуры подложки

(аспектное соотношение) может быть

любым, что делает данный метод созда-

ния двухмерных структур (пленочных

покрытий) уникальным.

Оба метода являются новыми.

Возможности их применения в различ-

ных областях техники исследуются до

сих пор, но уже сейчас они открыва-

ют огромные перспективы в области

микроэлектроники, биотехнологии,

оптики — всего того, к чему в нынеш-

ние времена принято добавлять при-

ставку «нано».

В нашей стране оба эти метода

широкого распространения не имеют,

оборудование зачастую является само-

дельным и экспериментальным, что

в определенной степени усложняет

работу. Однако перспектива внедрения

подобных технологий и создание про-

мышленного производства на ее осно-

ве, безусловно, стоят этих усилий.

— Какой смысл Вы вкладываете

в понятие «российская электрони-

ка»? Кто в сегодняшней электронике

«российский производитель»? Дайте,

пожалуйста, свое понимание этих

терминов.

— Я дал бы такое очень патриотич-

ное определение: «российская элек-

троника» — компоненты или конечные

продукты, созданные на основе техно-

РЫ

НО

К

11

Электронные компоненты №3 2010

логий, процессов или изобретений рус-

ских ученых, коммерциализированные

русскими бизнесменами или россий-

ским государством, а также производи-

мые на территории РФ отечественными

специалистами. В целом, я не стал бы

отделять понятие «российский произ-

водитель» от «российской электрони-

ки», потому как если не вкладывать в

понятие «российский производитель/

создатель» перечисленные критерии,

то разницы в том, какой производи-

тель, российский, китайский или какой-

то другой, просто нет, и нет смысла

создавать отдельный термин, обозна-

чающий территориальное местонахож-

дение производства. Вообще говоря,

основу этого понятия должна состав-

лять интеллектуальная собственность.

Жаль, что не ценим, не используем, не

защищаем в полной мере то, без чего

понятие «российский производитель»

может носить только формальный или

территориальный характер.

— Как Вы считаете, кризис на руку

российским компаниям, работающим

на рынке электроники?

— Это довольно сложный вопрос.

В плане получения сверхприбылей от

внезапно возникшего спроса, конечно,

нет. А в плане перспектив, я уверен,

что да. Можно сказать, кризис носит

отрезвляющий характер — позволяет

государству и бизнесменам по-новому,

трезво взглянуть на ситуацию в отрас-

ли. Переоценить затраченные усилия и

время, проанализировать полученный

результат. Электронная промышлен-

ность на данный момент — основная

движущая сила научного прогресса во

всем мире; доля электроники в стои-

мости бытовых, промышленных, обо-

ронных систем составляет 50—80%,

а одно рабочее место в электронной

отрасли позволяет создать до четырех

в других отраслях. Наиболее значи-

мые на сегодняшний день инновации

происходят в области электроники. Я

не думаю, что экономический кризис

в силах остановить развитие научной

мысли или творчество, которое лежит в

основе научно-технического прогресса.

Соответственно, если компания не стоит

на месте, а развивается, изобретает что-

то новое, кризис ей не страшен.

Кризис заставляет работать ком-

пании эффективнее. В период рецес-

сии компании особо остро нуждаются

в инновациях, решениях, способных

вывести их на новый уровень разви-

тия. Кризис на руку только компаниям,

имеющим в своем арсенале иннова-

ционные решения. Кризис приведет к

значительному повышению эффектив-

ности производства и появлению боль-

шого числа новых российских разрабо-

ток. Будет стимулироваться создание

малых инновационных компаний. Все

эти факторы будут работать на повы-

шение конкурентоспособности и уве-

личение доли российских компаний на

внутреннем рынке.

Производителю электронных ком-

понентов, который хочет извлечь мак-

симальную выгоду из рынка в бли-

жайшие годы, помимо прочего, очень

важно быть способным к изменениям,

уметь быстро вводить новые произ-

водственные линии и максимально

соответствовать запросам современ-

ного рынка.

Материал подготовил Леонид Чанов

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ERICSSON ПОДЕЛИТСЯ СВОИМИ НОУ-ХАУ НА «ЭКСПОЭЛЕКТРОНИКЕ» | Компания Ericsson научит разработчиков новаторским

подходам в проектировании современных систем электропитания и расскажет об особенностях концепции Digital Power.

В рамках выставки «ЭкспоЭлектроника» в Москве, 21-го апреля, компания Ericsson совместно с компанией «Макро

Групп» организуют для разработчиков практический семинар, посвященный цифровым источникам питания.

Сегодня уже очевидно, что цифровые источники питания могут обеспечивать огромные преимущества пользователям

как в масштабах электронной отрасли, так и за ее пределами. Но если в отдельных областях применения, таких как источ-

ники бесперебойного питания, компьютеры или мобильные устройства, цифровые источники питания не являются чем-

то новым, то в других сферах (например, монтируемые на плате компоненты) внедрение данных технологий еще только

начинается. Так, например, цифровые источники питания могли бы пригодиться во многих современных информационно-

коммуникационных системах, например, в базовых станциях мобильной радиосвязи, центрах обработки данных, способ-

ствуя значительному уменьшению энергопотребления в сетях.

Компания Ericsson, чье оборудование используется в 175 странах мира и более чем в 1000 сетях, инвестирующая

львиную долю своих доходов в исследования и разработки, по праву может считаться одним из флагманов современных

технологий для телекоммуникационных систем. Поэтому с уверенностью можно заявить, что практический семинар для

разработчиков обещает быть крайне интересным и познавательным.

Название и место проведения мероприятия в рамках деловой программы выставки:

ЦИФРОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Концепция Digital Power от компании Ericsson

Дата проведения: 21-го апреля 2010 г.

Время: 10.00—12.00 ч

Место: Москва, в рамках выставки «ЭкспоЭлектроника», зал для семинаров №2 (на плане павильона №D42)

Участие в практическом семинаре бесплатное, по предварительной регистрации на сайте «Макро Групп».

Справка

Компания Ericsson — ведущий мировой производитель телекоммуникационного оборудования для операторов мобиль-ных и фиксированных сетей связи. В 175 странах мира более 1000 сетей и 40% всех мобильных звонков осуществляются через оборудование Ericsson. Это одна из немногих компаний, которая может предложить полностью готовое решение для всех популярных стандартов связи. Ericsson инвестирует большие средства в R&D. Портфель патентов компании на сегодняшний день составляет более 23000 патентов.

Компания «Макро Групп» — один из ведущих российских дистрибьюторов электронных компонентов. Основана в 1994 г. в С.-Петербурге. Представительства расположены в Москве, Ростове-на-Дону, Чебоксарах, Екатеринбурге и Новосибирске. Основными направлениями деятельности «Макро Групп» являются поставки электронных компонентов, в т.ч. военного назначения, на территории России и СНГ, контрактное производство, инжиниринговые проекты. Собственная лаборато-рия, научно-технический центр, высококвалифицированные специалисты и прямые партнерские соглашения с производи-телями обеспечивают исключительно высокий уровень технической и информационной поддержки на всех этапах работ.

www.russianelectronics.ru

12

WWW.ELCP.RU

В процессе производства и разработки изделий элек-тронной техники необходимо пройти несколько этапов, начиная от разработки технического задания и заканчивая организацией серийного производства. В мире электро-ники относительно немного мощных компаний, способных пройти весь этот путь в одиночку. Гораздо чаще встречаются компании, специализирующиеся на оказании различных производственных услуг.

К настоящему моменту на мировом рынке электроники сложилось довольно устойчивое разделение труда и соот-ветствующая классификация компаний-производителей конечных изделий (см. табл. 1).

Мировой опыт показывает, что подобная специализация уменьшает расходы и сокращает время выхода изделия на рынок. В настоящей статье мы на примере компании ПА «Контракт Электроника» проиллюстрируем выгоду сотруд-ничества со специализированными компаниями. Компания оказывает следующие услуги:

– комплектное снабжение заказчиков электронными компонентами;

– дизайн, редизайн электронных изделий под заказ;– оказание производственных услуг в сфере сборки и

монтажа электронных изделий;– оказание производственных услуг в сфере производ-

ства корпусных изделий;– логистика.Рассмотрим каждый из этих сервисов. При комплек-

товании изделия ПА «Контракт Электроника» поставляет активные, пассивные и механические компоненты, оптоэлек-тронные приборы, компоненты и модули для беспроводных сетей, электронные компоненты для счетчиков энергии, платежных терминалов и торговых автоматов. Отдельно стоит выделить услуги по поставке широкого спектра ком-понентов для светотехники. Данный сервис для заказчиков позволяет экономить компаниям на структуре собственных отделов закупки, необходимых складских помещениях, закупках комплектующих, дает возможность организации планового производства, наращивая развитие своих ключе-вых компетенций.

При разработке изделия компания может как полностью взять на себя всю разработку от идеи до выпуска конструк-торской документации для серийного производства, так и подключиться к работе на любом этапе. Подчеркнем воз-можности по разработке беспроводных решений по следую-щим технологиям:

– GPS, GSM, GPRS;

По мнению аналитиков агентства iSuppli, в 2010 г. вновь начался рост глобального рынка контрактного производства электроники. Согласно прогнозам экспертов [1], объем прибылей для этого рынка вырастет на 7,8% и достигнет 280,8 млрд долл. (в 2009 г. аналогичный показатель составлял 260,5 млрд долл.). Рост производства ожидается и на нашем рынке, поэтому мы решили рассказать об одной из российских компаний, занимающейся производством электроники.

АЛЕКСАНДР ХАБАРОВ, техн. консультант, медиагруппа «Электроника»

Знакомьтесь — производственный

альянс «Контракт Электроника»

Таблица 1. Классификация компаний-производителей конечных изделий

Англоязычная классификация компании

Англоязычная аббревиатура

Специализация компании

Original Equipment Manufacturer OEMПроизводители оборудования под собственной торговой маркой. OEM-компании являются заказчиками контрактного произ-водства как производственной услуги и специализируются на разработке и продажах

Contract Electronics Manufacturer СЕМКонтрактные производители электроники. Компании, оказывающие отдельные производственные услуги, связанные с производством электронного оборудования — производством печатных плат, монтажом компонентов, изготовлением корпусов, модульной (отверточной) сборкой

Electronics Manufacturing Services EMS Компании, оказывающие услуги по серийному производству электронного оборудования

Original Design Manufacturer ODM Компании, оказывающие услуги по производству разработанных ими изделий под маркой заказчика

Research & Design R&D Компании, которые на заказ выполняют разработку новой продукции и не оказывают производственных услуг

Contract Design Manufacturer CDMEMS-компании, в структуре которых есть R&D-подразделения. CDM-компании предлагают комплексные услуги, включающие все этапы разработки новой продукции и серийного производства

– ZigBee;– 433 МГц.Компанией ПА «Контракт Электроника» наработан

большой опыт в области разработки полупроводниковых светотехнических изделий. Серийную продукцию компании можно встретить в области ЖКХ, промышленного освещения производственных помещений, сельского хозяйства и быто-вого применения.

Отметим возможности по производству печатных плат. Кроме серийного производства «Контракт Электроника» изготавливает опытные образцы и срочно изготавливает небольшие серии. В зависимости от требований заказчика и объема производства, срок поставки печатных плат может варьироваться от одной (срочное изготовление однослой-ных и двухсторонних печатных плат отечественного про-изводства) до десяти недель — оптимальное по стоимости решение для больших серий.

Компания предоставляет заказчикам производственные услуги по монтажу печатных плат, в т.ч. гибких и алюминие-вых плат, а также осуществляет сборку изделий в корпус, изготавливает кабели и шлейфы. По требованию заказчика может быть произведен выборочный или сплошной кон-троль готовых изделий. Для проведения контроля, если необходимо, может быть изготовлено тестирующее оборудо-вание. Заказчику предлагается большое число готовых кор-пусов зарубежных и российских компаний-производителей.

Могут быть проведены климатические, механические и ресурсные испытания изделия или его отдельных частей на соответствия требованиям документации или ГОСТ. Отметим, что ПА «Контракт Электроника» может изготовить и упаковку для готового изделия либо по чертежам заказчи-ка, либо разработать собственные чертежи. Касательно логи-стики лишь отметим, что компания оказывает транспортные услуги по всему миру.

На сегодняшний день услуги компании ПА «Контракт Электроника» востребованы на любой стадии разработки и производства изделия: от начальной идеи изделия до упаковки и доставки потребителю готовой продукции, что подтверждается многочисленными заказами и постоянно растущим бизнесом.

Более подробную информацию о деятельности ПА «Контракт Электроника» можно найти по адресуhttp://contrel.ru

ЛИТЕРАТУРА1. www.astera.ru.

14

WWW.ELCP.RU

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ШАГ В БУДУЩЕЕ: СЕРВЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ INTEL XEON СЕРИЙ 5600 И 7500 | 2-го апреля 2010 г. корпорация Intel

официально представила в России и других странах СНГ новейшие процессоры для серверов, центров обработки

данных, суперкомпьютерных систем и высокопроизводительных станций Intel Xeon серий 5600 и 7500.

Мероприятие для прессы, партнеров и заказчиков открыл Дмитрий Конаш, региональный директор Intel в

России и других странах СНГ. Он представил собравшимся вице-президента группы архитектур Intel и генерально-

го директора группы центров обработки данных Кирка Скаугена (Kirk Skaugen).

Кирк отметил бурный рост аппаратной базы систем распределенных («облачных») вычислений. При 2,5 млрд

пользователей число виртуальных серверов превысило 1 млрд. С распространением архитектуры Nehalem в сег-

менте серверов, центров обработки данных (ЦОД) и высокопроизводительных вычислений происходит быстрый

рост популярности новых процессоров. Эту тенденцию докладчик назвал «эффектом Nehalem». Использование

новых процессоров Intel Xeon позволяет очень быстро окупить инвестиции в ИТ-инфраструктуру, обеспечивает

экономию электроэнергии до 90% по сравнению с предыдущими платформами. В настоящее время 80% рынка

серверов (в ед. шт.) принадлежит Intel. О серьезности намерений компании в т.ч. в области развития высокопроиз-

водительных вычислений говорит то, что в 2010 г. Intel вложит в общей сумме 7 млрд долл. в четыре 32-нм завода

по производству полупроводников.

На встрече была проведена сравнительная демонстрация возможностей процессоров 5560 и 5660, в ходе

которой выяснилось, что у новейших устройств производительность на 30% превышает показатели предыдущей

серии устройств. Кроме того, сравнивались также процессоры 7450 и 7550. Оказалось, что в случае применения

первого из них пропускная способность памяти ниже в три раза, а время отклика в семь раз больше, чем у 7550.

У серверов на основе процессоров 7500 имеется аппаратная возможность устранения многобитных ошибок на

лету.

Зам. гл. инженера компании «Лукойл-информ», число пользователей которой превышает 14 тыс., Денис Нештун

отметил эффективность новых Intel Xeon в системах, предназначенных для крупных предприятий. Например,

производительность ERP-системы на базе Xeon 7560 превышает этот показатель предыдущей модели системы.

Производительность RISC-платформы сопоставима с X86/X64, но их цены различаются в пользу архитектуры Intel.

Александр Шестаков, ректор ЮУрГУ, в своем выступлении рассказал о том, что суперкомпьютерный центр

на базе университета имеет в настоящее время в своем составе две супер-ЭВМ общей производительностью 40

Тфлопс: «СКИФ-Урал» на процессорах Intel Xeon e5472 и «СКИФ-Аврора» на процессорах Intel Xeon 5570. Основной

вектор развития Суперкомпьютерного центра университета — использование высокопроизводительных вычисле-

ний для решения индустриальных задач.

Василий Шелков, ген. директор компании «Рок Флоу Динамикс» отметил преимущества использования новых

процессоров в вычислительных системах моделирования: «Запуск новых 6-ядерных Intel Xeon 5600 и 8-ядерных

Intel Xeon 7500 открывает принципиально новый этап для эффективного моделирования гидродинамических про-

цессов фильтрации для месторождений нефти и газа. Использование процессоров 7500 позволило ускорить рас-

чет в 21 раз, что в 3–4 раза превышает показатели, достигнутые на предыдущем поколении четырехпроцессорных

серверов».

На мероприятии работали стенды таких партнеров Intel как компания Aquarius, представившая два новых про-

дукта на основе процессорных технологий Intel; DEPO Computers (системы DEPO Storm 1300/2300/3300, которые

поступят в продажу в мае 2010 г.); ETegro Technologies (серверы ETegro Hyperion G3); компания HP (серверы HP

ProLiant); IBM (портфель серверов eX5); INPRO Computers (решения для «облачных» вычислений); «РСК СКИФ»

(суперкомпьютерные комплексы с самой высокой плотностью вычислительной мощности в индустрии на стандарт-

ных процессорах до 40 Тфлопс в одной стойке); R-Style (высокопроизводительная рабочая станция R-Style Carbon

Ai 860; t-Платформы (решения до 100 Тфлопс в стойке); USN Computers (сервер на основе Intel Xeon E5630).

Процессор Intel Xeon 5600 производится по технологии 32 нм. В нем используется второе поколение транзи-

сторов с металлическим затвором и подзатворным диэлектриком Hi-K, увеличивающими скорость переключения

логики и понижающими энергопотребление. Новые процессоры (по сравнению с Intel Xeon 5500) позволяют заме-

нить 15 одноядерных серверов одной системой со сроком окупаемости 5 мес. Сервер с двумя сокетами, оснащен-

ный Intel Xeon L5640 (60 Вт), способен предоставить такой же уровень производительности, что и система с 95-Вт

процессорами 55570 предыдущего поколения, однако энергопотребление при этом на 30% ниже.

Процессор Intel Xeon 7500 обладает 4, 6 или 8 вычислительными ядрами и могут одновременно обрабатывать

до 8, 12 или 16 потоков данных, соответственно. При этом четырехсокетная платформа обладает 32 ядрами и опе-

рирует 64 потоками, а 8-процессорная платформа — 64 ядрами и 128 потоками. Максимальная тактовая частота

процессора этой серии составляет 2,66 ГГц.

Благодаря снижению расходов на энергию, охлаждение и программное обеспечение срок окупаемости инве-

стиций составляет не более года.

www.russianelectronics.ru

16

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

WWW.ELCP.RU

ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ ОЦЕНКА

ВЛИЯНИЯ ВВФ ПРИ ПРОЕКТНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ НАДЁЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВВАЛЕРИЙ ЖАДНОВ, к.т.н., доц., лауреат премии Правительства РФ, доцент МИЭМ

АЛЕКСАНДР ГАРШИН, аспирант МИЭМ

ИВАН ЖАДНОВ, директор департамента информационных технологий, ОАО «Авиакомпания

Правительства Москвы «Атлант-Союз»

При создании современной радио-

электронной аппаратуры (РЭА) одной

из основных задач является обеспече-

ние (и, по возможности, повышение) её

показателей качества, среди которых

особую роль играют показатели надёж-

ности, определяющие, в конечном

итоге, конкурентоспособность вновь

разрабатываемой или модифицируе-

мой аппаратуры.

Обеспечение надёжности РЭА

отнюдь не тривиальная задача, поэто-

му номенклатура мероприятий, гаран-

тирующих создание аппаратуры с

заданным уровнем надёжности, регла-

ментирована в [1]. В совокупности эти

мероприятии составляют технологии

надёжностно-ориентированного про-

ектирования, методы которого приве-

дены в [2].

Современные тенденции разви-

тия методов и средств надёжносто-

ориентированного проектирования

связаны, в первую очередь, с повыше-

нием точности и достоверности расчёт-

ной оценки надёжности, автоматиза-

цией и интеграцией в инфраструктуру

ИПИ (CALS)-технологий.

Среди технологий надёжностно-

ориентированного проектирования

одно из важных мест занимают методы,

направленные на обеспечение надёж-

ности при воздействии внешних воз-

действующих факторов (ВВФ), т.к. имен-

но их влияние в значительной степени

определяет эксплуатационную надёж-

ность аппаратуры.

Так, например, в [3] приведена сле-

дующая диаграмма распределения

отказов аппаратуры стационарных

помещений, сооружений (группа 1.1 по

классификации [4]) по видам и причи-

нам (см. рис. 1).

На первый взгляд, может показаться,

что эксплуатационные отказы играют

незначительную роль (всего 11,5%), а

отказы из-за воздействия ВВФ и того

меньше — 5% от общего числа. Однако

это не совсем верно, т.к. эти данные

характерны для самых «мягких» усло-

вий эксплуатации (уровней ВВФ, близ-

ким к «нормальным условиям»).

Если принять во внимание, что

остальные группы аппаратуры по клас-

сификации [4] характеризуются более

«жесткими» условиями эксплуатации, а

ВВФ являются ускоряющими фактора-

ми и для всех остальных видов и при-

чин отказов аппаратуры, то становить-

ся очевидным, что процент отказов

бортовой аппаратуры, обусловленных

влиянием ВВФ, существенно выше.

Исходя из общепринятого положе-

ния о том, что надёжность аппаратуры

закладывается при проектировании,

реализуется при производстве и под-

держивается при эксплуатации, оче-

видно, что особую роль играет про-

ектная оценка надёжности аппаратуры.

Т.к. на этапе проектирования экспери-

ментальная статистика отказов, как

правило, отсутствует, то на этапе про-

ектирования для оценки надёжности

применяют расчётные методы.

Расчёты показателей надёжности

РЭА в настоящее время проводятся в

соответствии с методиками, приведён-

ными в [5]. Согласно методике «Расчёт

показателей безотказности электрон-

ного модуля первого уровня (ЭМ1)» [5],

интенсивность отказов электрорадио-

изделий (ЭРИ) для соответствующих

условий эксплуатации определяется

по методике справочника «Надежность

ЭРИ» [6], или используются эксперимен-

тальные данные разработчика.

Поскольку на ранних этапах проек-

тирования экспериментальные данные,

как правило, отсутствуют, то единствен-

ным средством оценки эксплуатацион-

ной интенсивности отказов является

методика, приведённая в [6].

В соответствии с положениями [7],

этот справочник является официаль-

ным изданием Министерства обороны

и отраслей-разработчиков и изготови-

телей ЭРИ. Другими словами, любые

расчёты интенсивности отказов (λ∋)

электронных компонентов (ЭК) должны

проводиться по методике и с использо-

ванием данных справочника.

Впрочем, приведённая в [6]

«Методика» довольно-таки проста и

сводится к расчёту λ∋ по соответствую-

щим математическим моделям вида:

(1)

где: λб — базовая интенсивность отка-

зов ЭК; Ki — i-й коэффициент математи-

ческой модели; I — число коэффициен-

тов математической модели.

Число коэффициентов математи ческой

модели и их значения зависят от класса

(группы или подгруппы по классифика-

ции [6]), к которому принадлежит ЭК.

Для учёта влияния внешних воздей-

ствующих факторов на λ∋ в модель (1)

введен ряд коэффициентов, одним из

которых является коэффициент режима

Kр. Kр учитывает величину электриче-

ской нагрузки и (или) температуры окру-

жающей среды (корпуса) и показывает,

во сколько раз интенсивность отказов

ЭК выше (ниже) при всех прочих равных

условиях, чем при температуре 25°C и

номинальной электрической нагрузке.

Заметим, несмотря на то что в [6]

Kр отнесён к «Общим коэффициентам

моделей», в подавляющее большинство

моделей эксплуатационной интенсив-

ности отказов ЭК он не входит.

Тем не менее, например, для класса

«Резисторы», группа «Резисторы посто-

янные не проволочные», подгруппа

«Металлодиэлектрические кроме пре-

цизионных», для коэффициента режима

Кр в [6] приведена следующая матема-

тическая модель:

(2)

где: t — температура окружающей

среды (корпуса ЭК); P — мощность в

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

17

Электронные компоненты №3 2010

режиме применения; Pн — номиналь-

ная мощность (по ТУ); A, B, Nt, Ns, H, G —

постоянные коэффициенты модели.

Как известно, в основу матема-

тической модели (2) положен закон

Аррениуса:

(3)

где: K — скорость химической реакции;

A — частота столкновений реагирую-

щих молекул; EA — энергия активации,

Дж; R — универсальная газовая кон-

станта, Дж/(°К·моль); T — температу-

ра, °К.

Это уравнение применяется для

описания температурной составляю-

щей деградационного процесса, кото-

рое основано на т.н. «активационном

комплексе». Понятие активационного

комплекса впервые введено шведским

ученым С.А. Аррениусом в статисти-

ческой теории скоростей химических

реакций в растворах.

Согласно этой теории, процессу

химического взаимодействия пред-

шествуют более быстрые процессы

активации и установления статистиче-

ского равновесия. При этих условиях

оказывается справедливым уравнение

Аррениуса, описывающее зависимость

константы скорости химической реак-

ции Kр от абсолютной температуры:

(4)

где: Kр(T) — константа скорости хими-

ческой реакции, отн. ед.; , A — частота

столкновений реагирующих молекул;

EA — энергия активации, Дж; k — посто-

янная Больцмана, Дж/°К; T — темпера-

тура, °К.

Величина exp[–EA/(k·T)] характеризу-

ет вероятность того, что частицы имеют

энергию, достаточную для вступления в

реакцию, или долю активных столкно-

вений при температуре Т; коэффициент

А является частотным фактором, озна-

чающим общее количество столкнове-

ний; постоянная EA определяется для

каждого процесса его особенностями.

При моделировании процессов

отказов в твердых телах, возникающих

в результате деградационных про-

цессов, положения теории скоростей

химических реакций часто переносят-

ся и на эти процессы. Широкий круг

физико-химических процессов, поми-

мо чисто химических реакций, связан

Рис. 1. Диаграмма распределения отказов аппаратуры стационарных помещений по видам и причинам

18

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

WWW.ELCP.RU

с изменением концентрации вещества

в результате переноса частиц и их вза-

имодействия (например, диффузия в

объеме и на поверхности кристалла и

корпуса ЭК, перемещение элементар-

ных точечных и линейных дефектов и

др.) и удовлетворяет основным законам

этой теории.

Аналогия между деградационными

процессами в твердых телах и хими-

ческими реакциями подсказывает

простой способ моделирования тем-

пературной зависимости времени до

отказа t(TJ) в виде экспоненциальной

функции:

(5)

где: t0 — время до отказа, ч; Kр — кон-

станта скорости химической реакции,

отн. ед.; EA — энергия активации, эВ;

k — постоянная Больцмана, эВ/°К; TJ —

температура окружающей среды (кор-

пуса), °К.

Эта аналогия не формальна и нахо-

дит практическое подтверждение при

анализе реальных деградационных

процессов в твердых телах. Однако

на практике вместо Kр(TJ) используют

отношение Kр(TJ)/Kр(Т0), которое пока-

зывает, во сколько раз время до отказа

при температуре Т меньше, чем при Т0.

При этом за Т0 принимают температу-

ру окружающей среды (корпуса), соот-

ветствующую нормальным условиям и

равную 25°C. Тогда:

(6)

где: t0 — время до отказа, ч; Kр — кон-

станта скорости химической реакции,

отн. ед.; EA — энергия активации, эВ; k —

постоянная Больцмана, эВ/°К; T — рабо-

чая температура окружающей среды

(корпуса), °К; Т0 — номинальная темпе-

ратура окружающей среды (корпуса), °К.

Кроме того, выражение (6) пока-

зывает физические источники стати-

стического распределения времени

до отказа. В этом случае вид функции

распределения времени наработки до

отказа F(t) (модели отказа) определя-

ется видом функции (6). Кроме того,

из (6) следует, что основой для форми-

рования вида функции распределения

случайной величины t(TJ) может являть-

ся только энергия активации EA (т.к.

k — константа, а t0 и TJ — переменные,

т.е. детерминированные (не случайные)

величины).

Поэтому, в отличие от (5), в (6) энер-

гия активации является не детерми-

нированной, а случайной величиной.

Такая ситуация может возникнуть,

например, в процессах, обусловленных

диффузией, когда величина энергии

активации изменяется от элемента к

элементу, в зависимости от вариаций

структурных дефектов.

Эти положения послужили толчком

для развития т.н. «физики отказов»,

значительный вклад в развитие кото-

рой внёс Б.С. Сотсков, а её практиче-

ские результаты нашли своё отраже-

ние в ранних редакциях справочника

«Надёжность ЭРИ».

В работах Б.С. Сотскова (напри-

мер, [8]) приведены математические

модели эксплуатационной интенсивно-

сти отказов ЭК, учитывающие не только

температуру окружающей среды (кор-

пуса) но и давления P и влажности В и

др. Рассмотрим эти модели на примере

резистора.

Отказы в работе резистора опре-

деляются физико-химическими изме-

нениями в материале, из которого

изготовлен резистивный слой или его

изолирующая оболочка. Если известна

величина интенсивности отказов λ0 при

нормальных условиях θ = θ0 и P = P0, то

можно найти интенсивность отказов

при других значениях θ = θx и P = Px.

Нагрев резистора определяется

температурой окружающей среды θ0x

и перегревом за счёт выделения тепла

при прохождении тока:

Δθ = RθPx,

где: Rθ — тепловое сопротивление

°С/Вт; Px — выделяемая в резисторе

мощность, Вт.

Значение рабочей температуры

резистора определяется как:

Tx = 273 + θ0x + RθP.

Тогда зависимость отношения λ2/λ1

от температуры θ0x и величины мощно-

сти P, рассеиваемой в сопротивлении,

может быть представлена в виде:

(7)

Графики зависимости λ2/λ1 от тем-

пературы θ0x для различных Px/P0 при-

ведены на рисунке 2.

Изменение давления среды, окру-

жающей резистор, меняет условия

теплопередачи. В связи с этим необхо-

димо (для сохранения той же величины

интенсивности отказов λ) уменьшить

номинальное значение мощности, рас-

сеиваемой резистором.

На рисунке 3 представлена зависи-

мость:

,

где: H — высота над уровнем моря.

Тогда итоговая зависимость отно-

шения λ2/λ1 от температуры и давления

окружающей среды может быть пред-

ставлена в виде:

(8)

где:

Влажность также существенно влия-

ет на надёжность резистора, находя-

щегося под напряжением. Это прояв-

ляется в уменьшении толщины слоя

резистивного материала за счет элек-

тролиза и других факторов (окисление

и т.д.). Результирующее уменьшение

слоя резистивного материала в едини-

цу времени равно:

Рис. 2. Зависимость λ/λ0 от температуры окружающей среды

20

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

WWW.ELCP.RU

,

где: αс — коэффициент пропорцио-

нальности; kp1 — скорость умень-

шения толщины слоя резистивного

материала вследствие электролиза;

kp2 — скорость уменьшения толщины

слоя резистивного материала вслед-

ствие других физико-химических про-

цессов.

Интенсивность отказов, в свою оче-

редь, равна:

(9)

где: h — толщина резистивного слоя;

b — ширина проводящего слоя; ρВ —

удельное сопротивление; bB — толщи-

на пленки воды.

Однако рассмотренные выше моде-

ли, как и приведённые в [8], не нашли

широкого применения в инженерной

практике, т.к. требуют трудоемких экспе-

риментальных исследований для опре-

деления значений их коэффициентов.

Тем не менее некоторые модели [6]

также позволяют учитывать влияние

ряда ВВФ на λ∋. Например, в модели (2)

одним из параметров является номи-

нальная мощность резистора Pн. Как

было показано выше, Pн не является

константой, а зависит от температуры,

давления и влажности окружающей

среды. Такие зависимости приводятся

в ТУ на ЭК.

На рисунке 4 в качестве примера

приведён график зависимости отноше-

ния номинальной мощности Pt к номи-

нальной по ТУ (Pном) от температуры и

давления для резистора типа Р1-37.

Впрочем, с одной стороны, таких

моделей в [6] относительно немного, а

с другой стороны, они позволяют учи-

тывать влияние лишь ограниченного

числа ВВФ (в основном климатических).

В то же время в [4], наряду с климати-

ческими факторами, приведены также

механические факторы воздействия

специальных сред и др. (см. табл. 1).

Для учёта влияния этих факторов

в математические модели (1) введен

коэффициент эксплуатации Kэ. Kэ учи-

тывает степень жесткости условий экс-

плуатации и показывает, во сколько раз

интенсивность отказов ЭРИ в РЭА кон-

кретного класса (группы эксплуатации

по классификации [4]) выше при всех

прочих равных условиях, чем в назем-

ной стационарной РЭА (группа 1.1).

Нетрудно заметить, что Kэ, по сути,

представляет собой интегральную

оценку степени влияния ВВФ на экс-

плуатационную надёжность ЭК т.к. зна-

чение Kэ зависит не от номенклатуры и

характеристик ВВФ, а только от группы

эксплуатации по классификации [4].

Такой подход к учёту влияния ВВФ не

вызывал бы особых возражений, если

бы не одно обстоятельство: в [4] при-

ведены уровни ВВФ в месте установки

аппаратуры, в то время как уровни тех

же ВВФ в месте установки ЭК могут

отличаться в десятки и сотни раз [9].

Приведённые в [6] методики отчасти

позволяют разрешить эту проблему сле-

дующим образом: значение Kэ следует

выбирать не для группы эксплуатации

аппаратуры, заданной в техническом

задании, а предварительно, на основе

номенклатуры ВВФ, действующих на ЭК,

и их характеристик в месте его установ-

ки, и по данным [4] идентифицировать

новую группу эксплуатации. И только

после этого выбирать значение Kэ, но

уже для этой группы.

Такая возможность реализована в

системе АСОНИКА-К-СЧ программного

комплекса АСОНИКА-К [10] (см. рис. 5).

Однако не всегда удаётся подо-

брать группу эксплуатации, т.к. уровни

ВВФ в месте установки ЭК могут не

совпадать с диапазонами изменения

ВВФ той или иной группы. Кроме того,

и в ТЗ на аппаратуру довольно часто

встречается требования вида: «Группы

эксплуатации аппаратуры ГОСТ РВ

20.39.304-98 — Х.Х, за исключением…»,

после чего идет перечень тех ВВФ и их

характеристик, которые не совпадают

с приведёнными в [4].

В этом случае для более полной

реализации технологий надёжностно-

ориентированного проектирования

целесообразно перейти от интеграль-

ной оценки влияния ВВФ к дифференци-

рованной, т.е. идентификацию значений

Kэ проводить не по совокупности ВВФ, а

по каждому фактору в отдельности.

Тогда итоговое значение Kэ может

быть получено на основе следующего

соотношения:

(10)

где: ni — процент отказов по i-му виду

ВВФ, %; i — номер вида ВВФ (механиче-

ские воздействия — i = 1; климатиче-

ские — i = 2); mi,j — процент отказов по

j-му типу ВВФ i-того вида, %; j — номер

Рис. 4. Зависимость Pt/ Pном номинальной мощно-сти резистора Р1-37 от температуры и давления

Рис 3. Зависимость Px/Pн от высоты над уровнем моря

Таблица 1. Номенклатура и параметры основных ВВФ

№ п/п

Вид воздействия Параметры воздействия

1 Синусоидальная вибрацияАмплитуда ускорения, g

Диапазон частот, Гц

2 Случайная широкополосная вибрацияСпектральная плотность виброускорения, м/с2 g

Диапазон частот, Гц

3 Акустический шум Диапазон частот, Гц

Уровень звукового давления, дБ

4 Механический удар одиночного действия Пиковое ускорение, g

Длительность ударного ускорения, mс

5 Механический удар многократного действияПиковое ускорение, g

Длительность ударного ускорения, mс

6 Сейсмический удар взрываУскорение, g

Длительность ударного ускорения, mс

7 Линейное ускорение Значение ускорения, g

8 Атмосферное пониженное давлениеПри эксплуатации, мм. рт. ст.

При авиатранспортировке, мм. рт. ст.

22

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

WWW.ELCP.RU

типа ВВФ (j = 1,Ji); Ji — количество типов

ВВФ i-того вида;

,

при условии, что величина zi,jраб. при-

надлежит области Zi,jk, zi,j

раб. — рабочее

(расчетное) значение j-го ВВФ i-го вида,

воздействующего на данный ЭК; Zi,jk —

область изменения j-го ВВФ i-го вида,

действующего в месте установки РЭА

(заданная для k-й группы в [4]).

Значения ni и mi,j можно полу-

чить по результатам испытаний и

подконтрольной эксплуатации на

предприятиях-разработчиках РЭА.

Так, на рисунке 6 в качестве примера

показано распределение эксплуата-

ционных отказов РЭА по видам ВВФ,

приведённое в [11].

Очевидно, что применение модели

(10) в инженерной практике приведёт

к существенному повышению трудоем-

кости расчётов надёжности ЭК, не гово-

ря уже об аппаратуре в целом. Поэтому

естественным выходом в данной ситуа-

ции является создание программных

средств, реализующих методы [5, 6],

дополненные моделью (10).

Основой для создания такого про-

граммного обеспечения послужила

система АСОНИКА-К-СЧ.

Для реализации метода расчёта Kэ

справочная часть её базы данных (БД)

была дополнена специализированной

БД, в которой содержится номенклату-

ра и характеристики ВВФ из [4], а также

проценты отказов по видам ВВФ.

Для снижения объёма исходной

информации и при этом уменьшения

числа возможных ошибок при вводе

данных был разработан преобразо-

ватель выходных файлов подсистемы

АСОНИКА-ТМ.

Конвертор позволяет загружать дан-

ные (тепловые и механические режимы

работы ЭК) из выходных файлов подси-

стемы АСОНИКА-ТМ в проекты системы

АСОНИКА-К-СЧ для реализации одного

из важнейших принципов ИПИ(CALS)-

технологий — электронного обмена

данными.

Кроме того, дифференцированная

оценка влияния ВВФ позволяет уже в

ходе проведения расчёта выявить фак-

торы, наиболее сильно влияющие на

значение Kэ, а, следовательно, предло-

жить рекомендации, направленные на

повышение надёжности, что является

одной из основных операций техно-

логий надёжностно-ориентированного

проектирования.

Однако для большей обоснованно-

сти таких рекомендаций одних только

характеристик надёжности ЭК, необ-

ходимых для расчётов λ∋, оказалось

недостаточно. Поэтому в справочную

часть базы данных (СЧБД) был добав-

лен ряд таблиц, содержащих изображе-

ния ЭК, значения его геометрических

характеристик и др. Изменение СЧБД

потребовало создания новой версии

модуля администрирования, который

позволяет не только редактировать

(добавлять, изменять, удалять) данные

в ней, но и просматривать её содержи-

мое, т.е., по сути, СЧБД превратилась в

информационно-справочную систему.

Задавая критерии поиска ЭК (класс

или типономинал), пользователь может

получить их изображение и параметры.

Возможен и расширенный поиск ЭК как

по параметрам, так и по типу корпуса.

Для непосредственного расчёта Kэ

по модели (10) был создан модуль расчё-

та коэффициента эксплуатации. Модуль

предназначен для работы с проектами,

созданными в системе АСОНИКА-К-СЧ,

и позволяет ввести рабочие значения

ВВФ (zi,jраб) и процент отказов по j-му

типу ВВФ i-го вида (mi,j) на каждый ЭК.

Возможен как «ручной» ввод рабочих

значений ВВФ (zi,jраб), так и автоматиче-

ский путем преобразования выходных

файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ.

После ввода данных проводится рас-

чёт. Основными операциями алгоритма

расчёта являются:

– для каждого ВВФ ищется группа

аппаратуры со значениями воздействий,

большими или равными рабочим (zi,jраб);

– для найденных групп аппаратуры

определяются значения коэффициен-

тов эксплуатации Kэ;

– если для одного и того же ВВФ

найдено несколько Kэ, из них выбирает-

ся наименьший;

– рассчитывается значение Kэ ЭК по

модели (10);

– на основании новых значений Kэ

пересчитываются значения интенсив-

ности отказов ЭК для режимов эксплуа-

тации и хранения;

– на основании новых значений

интенсивностей отказов ЭК пересчи-

тываются значения показателей надёж-

ности аппаратуры.

Интерфейс пользователя модуля

расчёта коэффициента эксплуатации

приведён на рисунке 7.

Кроме того, модуль позволяет про-

вести графический анализ влияния

каждого ВВФ на показатели надёжно-

сти ЭК.

И, наконец, данные, используемые

при дифференцированной оценке вли-

яния ВВФ, и данные, содержащиеся в

Информационно-справочной системе,

позволяют автоматизировать формиро-

вание карт режимов работы (КРР) [12].

В методике [5] КРР отнесены к

исходным данным, необходимым для

расчёта надёжности ЭМ1, т.е. перед

проведением расчёта комплект КРР

Рис. 6. Распределение отказов по видам ВВФ

Рис. 5. Система АСОНИКА-К-СЧ: интерфейс пользователя

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И П

РО

ЕК

ТИ

РО

ВА

НИ

Е

23

Электронные компоненты №3 2010

должен быть полностью оформлен.

Однако это, на наш взгляд, абсолютно

неверно, т.к. противоречит основным

принципам технологий надёжносто-

ориентированного проектирования и

ИПИ (CALS)-технологий.

Во-первых, исходными данными

является не комплект КРР (документа-

ция, содержащая константы), а данные,

характеризующие режимы работы ЭК

(переменные проектирования).

Во-вторых, наличие оформленного

комплекта КРР на практике приводит

лишь к тому, что значительная часть

мероприятий, направленных на обе-

спечение (или повышение) надёжности,

и так или иначе связанных с измене-

нием режимов работы ЭК, не может

быть реализована из-за необходимости

повторного оформления документации

(комплекта КРР).

Поэтому формирование КРР (выпуск

документации) должно проводиться не

до, а после проведения расчётов и под-

тверждения установленных требова-

ний по надёжности на аппаратуру.

Модуль формирования карт режи-

мов работы позволяет сформировать

комплект КРР в соответствии с требова-

ниями [12]. Если ЭК был импортирован

из ПЧБД (или АЧБД) системы АСОНИКА-

К-СЧ, то кроме значений параметров по

ТУ, в карты автоматически вносятся и

значения рабочих режимов, введённые

при расчёте показателей надежности в

системе АСОНИКА-К-СЧ. Если значения

рабочих режимов ЭК больше значений

по ТУ, то они выделяются красным цве-

том. Сформированные карты рабочих

режимов сохраняются в формате .doc

редактора MS Word.

В заключение следует отметить, что

использование модели (10) позволяет

проводить расчёты аппаратуры, содер-

жащей ЭК не только отечественного, но

и иностранного производства, несмо-

тря на то, что ни классификация аппа-

ратуры, ни численные значения ВВФ

в [6] и зарубежных справочниках (см.,

например, [13]) не совпадают, т.к. в этом

случае значение Kэ(πE) определяется не

по вектору ВВФ, действующему на аппа-

ратуру, а по вектору ВВФ, действующе-

му непосредственно на ЭК.

Использование дифференцирован-

ной оценки влияния ВВФ в расчётах

эксплуатационной интенсивности отка-

зов ЭК в итоге даёт значительно мень-

шую погрешность, чем в случае, когда

используется общепринятое допуще-

ние о том, что в аппаратуре данной

группы для всех ЭК одного типономи-

нала Kэ ≈ const (значения рабочих зна-

чений ВВФ в месте установки ЭК при-

нимаются равными значениям ВВФ в

месте установки аппаратуры).

Кроме того, расширение возмож-

ностей в части детального анализа

влияния каждого ВВФ на надёжность

ЭК, которые позволяют научно обосно-

вать необходимость проведения тех

или иных мероприятий, направленных

на обеспечение (повышение) надёж-

ности, несомненно, является одним из

перспективных направлений дальней-

шего совершенствования технологий

надёжностно-ориентированного про-

ектирования аппаратуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ РВ 20.39.302-98. КСОТТ. Аппа-

ратура, приборы, устройства и оборудо-

вание военного назначения. Требования к

программам обеспечения надёжности.

2. РДВ 319.01.10-98. КСОТТ. Аппаратура,

приборы, устройства и оборудование воен-

ного назначения. Методы надёжностно-

ориентированного проектирования и изго-

товления РЭА.

3. В.В. Гольдин Информационная под-

держка жизненного цикла электронных

средств/В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, А.В.

Сарафанов и др. — М.: Радио и связь, 2002. —

386 с.

4. ГОСТ РВ 20.39.304-98. КСОТТ. Ап па-

ра тура, приборы, устройства и обору-

дование военного назначения. Требования

стойкости к внешним воздействующим

факторам.

5. ОСТ 4Г 0.012.

242-84. Аппаратура

радиоэлек тронная.

Методика расчёта

показателей надёж-

ности.

6. Н а д е ж н о с т ь

ЭРИ: Справочник./

22 ЦНИИИ МО РФ. —

М.: МО РФ, 2006. —

641 с.

7. РДВ 319.01.20-98.

Положение о справоч-

нике «Надёжность

электрорадиоизде-

лий».

Рис. 7. Модуль расчёта коэффициента эксплуатации: интерфейс пользователя

8. Б.С. Сотсков. Основы теории и рас-

чёта надёжности элементов и устройств

автоматики и вычислительной техники. /

Б.С. Сотсков. — М.: Высшая школа, 1970. —

270 с.

9. А.С. Шалумов. Автомати зированная

система АСОНИКА для проектирования

высоконадёжных радиоэлектронных

средств на принципах CALS-технологий:

Том 1. / А.С. Шалумов, Ю.Н. Кофанов, В.В.

Жаднов и др.//Под ред. Ю.Н. Кофанова,

Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. — М.:

Энергоатомиздат, 2007. — 538 с.

10. А. Строганов. Обзор программных

комплексов по расчёту надёжности слож-

ных технических систем. / А. Строганов,

В. Жаднов, С. Полесский. // «Компоненты и

технологии», № 5 (70), 2007. — с. 74—81.

11. Писарев, В. Система испыта-

ний — основа обеспечения надёж-

нос ти./В. Писарев, М. Критенко,

В. Пост нов.//«Электроника: НТБ», № 5,

2002. — с. 32—35.

12. РДВ 319.01.09-98. КСОТТ. Аппа ра ту ра,

приборы, устройства и оборудование воен-

ного назначения. Руководство по оценке

правильности применения ЭРИ в РЭА.

13. MIL-HDBK-217F. Reliability prediction

of electronic equipment.

24

WWW.ELCP.RU

Разработка систем на основе 32-разрядных микро-

контроллеров (МК), имеющих встроенный контроллер

цветного графического дисплея, в ряде случаев позволяет

получить весьма эффективные решения. Однако исполь-

зование единственного в системе МК и для целей управ-

ления и для обслуживания дисплея часто ограничивает

скорость выполнения обоих процессов. Для создания раз-

витого интерфейса пользователя требуется разработать

библиотеку графики.

Обеспечить быструю обработку событий в МК-системе

с развитым и дружественным интерфейсом операто-

ра можно посредством структуры на основе двух или

нескольких МК, каждый из которых специализируется на

выполнении одной или нескольких функций. Связи между

МК могут быть организованы через последовательные

скоростные интерфейсы. При таком подходе отображение

на цветном графическом дисплее может формировать спе-

циализированный 32-разрядный МК, а управление систе-

мой выполнять другой микроконтроллер, в т.ч. 16- или

8-разрядный (см. рис. 1).

Компания «Терраэлектроника» разработала модули

TE-ULCD35 и TE-STM32F107, которые позволяют реали-

зовать 32-разрядную микроконтроллерную систему с

разделением функций управления и отображения инфор-

мации.

На рисунке 2 показан внешний вид микроконтроллер-

ной системы на основе модулей TE-ULCD35 и TE-STM32F107,

а на рисунке 3 — набор интерфейсов этого тандема.

Модуль TE-ULCD35 разработан компанией «Терра элек-

тро ника» на основе цветного графического дисплея с диа-

гональю 3,5 дюйма и 32-разрядного МК LPC2478, старшей

модели семейства ARM7 компании NXP.

В память программ МК на этапе изготовления загру-

жается библиотека графических функций. Из прикладной

программы функции могут быть вызваны при помощи SPI-

команд. Это значительно упрощает формирование изобра-

жения на TFT-дисплее, а также обслуживание сенсорного

экрана. Имеется возможность обновления загруженной

библиотеки. Для хранения графических объектов пользо-

вателя предназначена карта microSD.

Модуль TE-ULCD35 включает в свой состав:

– дисплей с диагональю 3,5 дюйма, разрешением

320×240 точек и сенсорным экраном;

В статье представлена микроконтроллерная система на основе модулей TE-ULCD35 и TE-STM32F107 компании

«Терраэлектроника». Дисплейный модуль TE-ULCD35 имеет встроенную библиотеку графических функций.

Модуль управления TE-STM32F107 на основе 32-разрядного микроконтроллера с ядром Cortex-M3 включает порты

Ethernet, USB OTG, CAN и RS232. Тандем модулей позволяет достичь высокой скорости обработки событий и, одно-

временно, реализовать современный и дружественный графический интерфейс. Модули «Терраэлектроники»

представляют собой завершенные решения, которые могут быть использованы как при макетировании, так и

для установки в серийные изделия.

ВЛАДИМИР БРОДИН, «Терраэлектроника»

Модульная микроконтроллерная

система с разделением функций

управления и отображения

информации

Рис. 2. Микроконтроллерная система на основе TE-ULCD35 и TE-STM32F107

Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерной системы с разделением функ-ций отображения и управления

Рис. 3. Интерфейсы системы на основе тандема TE-ULCD35 и TE-STM32F107

26

WWW.ELCP.RU

– микроконтроллер LPC2478: 16/32-разрядное

ARM7TDMI-S ядро, 72 МГц, флэш-память программ объе-

мом 512 Кбайт, SRAM емкостью 98 Кбайт, контроллер LCD;

– внешнюю NOR флэш-память объемом 4 Мбайт и

SDRAM объемом 8 Мбайт;

– слот карты microSD;

– разъем порта SPI;

– разъем питания 5 В;

– посадочное место отладочного разъема JTAG;

– посадочное место клеммного разъема питания 5 В.

Для разработчика дисплейный модуль представляется в

виде программно-логической модели, которая включает спи-

сок программно доступных регистров и набор SPI-ко-манд.

Отлаживать программное обеспечение дисплейного

модуля можно с использованием скриптов, записанных

на SD-карту графического микроконтроллера. Примеры

создания графических изображений на дисплее, переклю-

чения их при нажатии на изображения клавиш через

сен сор ный экран приведены в приложениях к документу

«Ру ко водство программиста».

В информационно-управляющей системе с разделе-

нием функций управления и отображения графической

информации SPI-команды на дисплейный модуль подает

управляющий микроконтроллер (см. рис. 1).

Модуль TE-STM32F107 разработан в компании

«Терраэлектроника» на основе 32-разрядного МК

STM32F107 компании STMicroelectronics. Этот микрокон-

троллер имеет ядро Cortex-M3, порт Ethernet, порт USB

OTG и два порта CAN. Конструктивные и схемные решения

модуля TE-STM32F107 позволяют использовать его для

управления модулем TE-ULCD35 при создании системы с

разделением функций.

Отличительные особенности модуля TE-STM32F107:

– микроконтроллер STM32F107VCT6: 72 МГц Cortex-M3,

256 Кбайт флэш-памяти программ, 64 Кбайт ОЗУ, два

12-разрядных АЦП (16 внешних каналов), два 12-разрядных

ЦАП, Ethernet MAC 10/100, USB OTG, 2xCAN, 5хUSART, 3хSPI,

I2C, корпус LQFP100;

– SPI флэш-память AT45DB161D (16 Мбит);

– разъем и драйвер порта Ethernet;

– разъем порта USB OTG;

– 2 разъема и драйверы портов CAN;

– 2 разъема портов RS232;

– разъем JTAG;

– аудиоусилитель и динамик;

– 31 линия портов микроконтроллера выведена на

разъем;

– разъем питания 7,5…9,0 В;

– размеры платы модуля 85×70 мм.

Для подключения к дисплейному модулю TE-ULCD35

на плате TE-STM32F107 имеются посадочные места двух

разъемов. Через один из них подается питание, а второй

служит для организации SPI-интерфейса.

Для фиксации дисплейного модуля в корпусе или

на лицевой панели пульта управления предусмотрены

четыре отверстия на подложке дисплея. При объедине-

нии модулей TE-STM32F107 устанавливается на стойках

дисплейного модуля. При этом питание передается с

управляющего модуля через разъем на дисплейный

модуль.

Тандем модулей «Терраэлектроники» TE-ULCD35 и

TE-STM32F107 представляет собой завершенное решение,

готовое для интеграции в научные, промышленные, торго-

вые и бытовые изделия, которые для управления требуют

формирования цветных графических изображений и инте-

рактивной связи с оператором.

Более полную информацию можно получить по адресу

www.terraelectronica.ru

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ

| ВСЕ СИЛЫ — НА СТАНДАРТИЗАЦИЮ СВЕТОДИОДНЫХ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ | Глобальная стандартизация светодиодных

систем освещения привлекает всеобщее внимание. Группа крупных игроков на рынке обычных систем освещения из Европы,

США и Японии сформировала отраслевой альянс — консорциум Zhaga — для того, чтобы способствовать разработке и про-

движению стандартов на светодиодные системы освещения в мировом масштабе.

Членами консорциума Zhaga являются следующие комапнии: Philips Lighting B.V. (Голландия), OSRAM GmbH (Германия),

Panasonic (Япония), Toshiba (Япония), General Electric (США), Samsung (Южная Корея) и LG (Южная Корея).

Согласно планам этих компаний, консорциум Zhaga намерен стандартизировать светодиодные подсистемы (включаю-

щие светодиодные модули, микросхемы драйверов светодиодов, линзы и другие оптические компоненты), используемые

в светодиодных светильниках и содействовать разработке международных стандартов для представления их в различные

организации, подобные Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC).

Ожидается, что все больше светодиодных подсистем будут запускаться в производство после стандартизации свето-

технических продуктов на базе светодиодов, облегчая компаниям процесс выбора и закупки компонентов систем осве-

щения. Исключение необходимости специальной разработки светодиодных подсистем снижает затраты на производство

системы освещения, что, в свою очередь, снижает входной барьер для производителей, которые намерены вложить

средства в производство этих систем.

Одной из ключевых целей консорциума Zhaga является продвижение стандартизированных светодиодных продуктов.

Особое внимание уделяется светодиодным лампам высокой мощности со световым выходом более 1000 лм для промыш-

ленного и внешнего освещения.

Консорциум Zhaga планирует стандартизировать интерфейсы светодиодных подсистем, которые включают меха-

нические интерфейсы, в т.ч. разъемы, термоинтерфейсы для отвода тепла, электрические интерфейсы для источников

питания, экранирования, заземления и управления, а также фотометрические интерфейсы для контроля световых пучков,

цвета свечения и интенсивности оптического излучения. Тем не менее консорциум Zhaga не устанавливает стандарты на

эксплуатационные показатели, такие как срок службы и качество освещения, поскольку требования на характеристики

систем освещения меняются в зависимости от страны и региона, а ключевыми показателями, по которым различают про-

дукты производителей светотехнических устройств, являются срок службы и качество освещения.

www.russianelectronics.ru

27

Электронные компоненты №3 2010

Технология производства микроэлектромеханиче-

ских систем (МЭМС) — одна из наиболее передовых тех-

нологий, позволяющая не только значительно улучшать

характеристики электронной аппаратуры, но и создавать

устройства для решения задач в совершенно новых обла-

стях. МЭМС-устройства представляют собой электронные

схемы, механические узлы и чувствительные элементы,

выполненные в виде одного компонента с использованием

технологических приемов для производства микросхем.

Технология МЭМС позволяет дополнять традиционную

электронную схему датчиками и исполнительными меха-

низмами.

Основной конструктивной особенностью МЭМС-

устройств являются развитые трехмерные поверхности.

Эта особенность накладывает свой отпечаток на техноло-

гический процесс производства МЭМС, особенно на этапе

литографии. Так, при типовом процесса нанесения фото-

резиста — центрифугирования, возникают сложности, свя-

занные с образованием «лучей» и непокрытых фоторези-

стом участков подложки, вызванные высокой топологией

подложки. Избежать этих проблем возможно только при

медленном вращении подложки, что делает невозможным

сам процесс центрифугирования.

Для решения задач, связанных с нанесением фоторези-

ста на подложки с развитыми трехмерными структурами,

фирма EV Group предлагает использовать другой метод

нанесения фоторезиста — нанесение фоторезиста рас-

пылением.

В основе процесса нанесения фоторезиста распыле-

нием лежит применение специального ультразвукового

сопла, создающего направленную струю фоторезиста из

микроскопических капель, размер которых составляет

около 20 мкм. Перемещение этого сопла над поверхно-

стью подложки в сочетании с ее медленным вращением

создает на всей поверхности равномерный слой фоторе-

зиста.

На различные поверхности — кремний, оксид кремния,

арсенид галлия, стеклянные подложки, металлы — рас-

пылением можно наносить как фоторезист, так и другие

жидкости.

Для создания в сопле направленной струи вязкость

фоторезиста должна быть менее 20 сСт, что обеспе-

чивается добавлением в фоторезист растворителя,

который химически не взаимодействует с материалом

фоторезиста.

Одной из основных особенностей самого процесса

нанесения фоторезиста распылением является сложный

профиль скорости перемещения распыляющего сопла

над поверхностью подложки (см. рис. 1). Эта особенность

вызвана тем, что на разном удалении от центра подложки

необходимо покрыть различную ее площадь (чем дальше

от края, тем больше площадь), поэтому время распыления

над центром подложки должно быть меньше, чем при

распылении на краю. Этого можно добиться увеличением

скорости перемещения сопла при его движении над цен-

тром подложки. Типовым профилем скорости перемеще-

ния сопла над поверхностью подложки является профиль,

показанный на рисунке 2.

АЛЕКСАНДР СИДОРОВ, micro@ostec-smt.ru

Особенности нанесения фоторезиста

при производстве МЭМС-устройств

Толщина и равномерность нанесенного слоя фоторези-

ста зависят от ряда параметров:

– вязкость фоторезиста;

– скорость распыления фоторезиста;

– профиль скорости перемещения сопла;

– скорость вращения подложки.

Правильно используя перечисленные выше пара-

метры, можно добиться равномерного нанесения слоя

фоторезиста на поверхность подложки. В таблице 1 при-

ведены результаты измерения толщины слоя фоторези-

ста, нанесенного на шесть кремниевых подложек диаме-

тром 150 мм с одними и теми же параметрами процесса.

При этом применяли следующий раствор фоторезиста:

AZ 6612 (1 часть) + MEK (1,5 части) + PGMEA (0,5 части), а

сам процесс нанесения проводили на установке EVG 101,

разработанной специально для нанесения фоторезиста

в условиях мелкосерийного и опытного производств

(см. рис. 3).

Рис. 1. Схема процесса нанесения фоторезиста распылением

Рис. 2. Типовой профиль скорости перемещения распыляющего сопла

28

WWW.ELCP.RU

В отличие от технологического процесса производства

интегральных микросхем с низкими структурами (высота

топологии существенно меньше толщины слоя фоторези-

ста), при производстве МЭМС-устройств необходимо нано-

сить фоторезист на подложки с высокими структурами.

При этом необходимо покрыть:

– равномерным слоем фоторезиста всю поверхность

подложки;

– только контуры топологии подложки, без заполне-

ния полостей фоторезистом.

При решении этих двух задач возникают определен-

ные проблемы. Например, анизотропно вытравленная

полость — это типовой пример топологии МЭМС. При

травлении кремния в плоскости <111> угол травления

составляет 54,7° (см. рис. 4), и образуется V-образная

полость. Таких полостей на поверхности подложки

может быть большое количество, поэтому при нанесе-

нии фоторезиста центрифугированием неизбежно будут

образовываться «лужицы», а на углах топологии возник-

нут проблемы (см. рис. 5а), вызванные поверхностным

натяжением фоторезиста. Его толщина в одних местах

подложки будет больше, а в других — меньше (неравно-

мерность нанесения).

При нанесении фоторезиста распылением эти про-

блемы не возникают (см. рис. 5б), т.к. скорость вращения

подложки во время процесса очень низкая, а равномер-

ность слоя фоторезиста не зависит от наличия сквозных

отверстий на подложке. Кроме того, нет необходимости в

использовании вакуумных держателей подложек, приме-

няемых на установках нанесения фоторезиста центрифуги-

рованием.

При решении первой задачи неравномерность слоя

фоторезиста при процессе центрифугирования может

составлять до 50%, а при решении второй — центрифуги-

рование неприменимо вовсе.

С помощью процесса распыления можно получать слой

фоторезиста с неравномерностью менее 10% и покрывать

фоторезистом боковые поверхности топологий, что позво-

ляет проводить обработку различных поверхностей (см.

рис. 6). Примером структуры, для изготовления которой

необходимо решать обе задачи, является твердотельная

индуктивность (см. рис. 7).

Необходимо отметить, что при нанесении фоторези-

ста центрифугированием на подложке остается менее

10% фоторезиста, а при его нанесении распылением —

более 70%. Следовательно, используя процесс распыле-

ния, можно добиться существенной (в семь и более раз)

экономии материала, что особенно важно при нанесении

на подложки дорогостоящих материалов.

Одним из таких дорогостоящих материалов являет-

ся бензоциклобутан (BCB), производимый компанией

Dow Corporation под названием циклотан (Cyclotane). Этот

материал стал стандартным при производстве многокри-

стальных модулей, где BCB применяется в качестве веще-

ства для создания межуровневого изолятора. В компании

EV Group проведена оценка стоимости одной операции

нанесения слоя BCB толщиной 4 мкм на подложку диа-

Рис. 4. Типовой профиль структуры после анизотропного травления

Рис. 5. Изображение фоторезиста на подложке с высокой топологией (вблизи угла топо-логии) в зависимости от метода нанесения: а – центрифугирование; б – распыление

а) б)

Таблица 1. Результаты измерения неравномерности слоя фоторезиста

Точка измерения

Толщина слоя фоторезиста, мкм

Среднее значение в партии

Номер подложки в партии

1 2 3 4 5 6

1 2,50 2,56 2,56 2,39 2,63 2,42

2 2,49 2,56 2,57 2,46 2,60 2,62

3 2,43 2,57 2,58 2,51 2,57 2,61

4 2,49 2,54 2,59 2,58 2,53 2,61

5 2,48 2,50 2,49 2,59 2,53 2,61

6 2,41 2,50 2,43 2,51 2,59 2,46

7 2,47 2,47 2,42 2,47 2,61 2,43

8 2,47 2,47 2,52 2,54 2,50 2,43

9 2,46 2,48 2,52 2,52 2,56 2,60

Среднее, мкм 2,47 2,52 2,52 2,51 2,57 2,53 2,52

Разброс, мкм 0,09 0,10 0,16 0,19 0,12 0,20 0,14

Неравномерность, % 1,81 2,06 3,16 3,81 2,39 3,95 2,86

Рис. 3. Установка нанесения фоторезиста распылением EVG 101

Таблица 2. Оценка стоимости нанесения слоя BCB толщиной 4 мкм

Этап процесса Используемое вещество Цена за мл, долл.Мл на подложку Цена за подложку, долл.

Центрифугирование Распыление Центрифугирование Распыление

Активатор AP3000 0,05375 3,0 3,0 0,16125 0,16125

BCBBCB4024-40 1,60000 1,4 – 2,24000 —

BCB4026-46 1,60000 — 0,4 — 0,64000

Растворитель для распыления

— 0,02939 — 3,2 — 0,09405

Краевой валик Т1100 0,05046 15,0 — 0,75690 —

Стоимость процесса на одной подложке 2,9969 0,7340

30

WWW.ELCP.RU

метром 200 мм (см. табл. 2). Из таблицы видно, что при

использовании процесса распыления вместо центрифуги-

рования достигается существенная экономия.

Еще одним способом снижения расхода материала

является использование системы подачи резиста из

шприца-дозатора. В такой конфигурации существенно

уменьшается «паразитный объем», представляющий собой

объем системы подачи фоторезиста. Так, при использо-

вании шприца-дозатора этот объем составляет около

1 миллилитра, а низкий расход материала при распылении

позволяет избежать частых смен шприца с наносимым

материалом.

Процесс распыления позволяет решать не только

задачи по нанесению, типичные для производства инте-

гральных микросхем, но и ряд задач, не решаемых при

использовании центрифугирования. Все это, в сочетании с

экономией материала, делает процесс нанесения фоторе-

Рис. 6. Примеры обработки различных поверхностей топологии: а — травление большой поверхности подложки; б — травление полостей на нижней плоскости полости; в — травление полостей на боковых поверхностях топологии

Рис. 7. Твердотельная индуктивность

а) б) в)

зиста распылением более универсальным и удобным как в

условиях мелкосерийного и опытного производств инте-

гральных микросхем и МЭМС-устройств, так и в условиях

их массового производства.

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

| РЫНОК ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫРАСТЕТ ДО 277 МЛРД ДОЛЛ. К 2020 Г. | Согласно новому исследованию компании Lux Research, рынок энергосберегающих технологий «зеленого» строительства вырастет с сегодняшних 144 млрд долл. до 277 млрд долл. в 2020 г., демонстрируя ежегодный рост на уровне 6,1%.

Компания Lux Research проанализировала возможную прибыль и потенциал роста технологий на данном рынке. Компания определила «технологии зеленого строительства» как любые услуги, оборудование или материалы, которые улучшают энергоэффективность или снижают потребление материалов в зданиях сверх того, что было достигнуто при первоначальном строительстве.

Исследование энергосберегающих экологичных технологий строительства дало следующие результаты.– Рынок энергосберегающего оборудования вырастет до 146 млрд долл. к 2015 г. Данный сегмент рынка составлял

67 млрд долл. в 2009 г., но существенный рост производства светодиодов, интеллектуальных систем освещения и усовер-шенствованных приборов теплотехники обеспечит совокупные темпы годового роста на уровне 7,3% до 2015 г.

– Сегмент услуг продемонстрирует наиболее устойчивый рост. Широкое распространение перспективных техно-логий, подобных регулированию спроса, позволит увеличить прибыль этого сегмента до 55 млрд долл. к 2020 г., отражая совокупные темпы годового роста на уровне 12%.

– Материалы — это наиболее медленно растущий сегмент данного рынка. В этом сегменте перспективные техноло-гии включают электрохромные, термохромные и термоотражающие окна, которые контролируют количество солнечного света, пропускаемого окном.

www.russianelectronics.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ТРАНСПОРТНЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ ОБРАТЯТ ВНИМАНИЕ НА ЕДИНОЕ СИСТЕМНОЕ ВРЕМЯ | 5-го апреля 2010 г. в Москве, в рамках конференции «Информационные технологии на пассажирском транспорте», прошел уникальный круглый стол по теме «Решение проблемы единого времени для электронных систем на транспорте».

В настоящее время на предприятиях городского транспорта не всегда уделяется должное внимание вопросу единого системного времени. Результатом этого может быть несогласованность управляющих воздействий, что приводит к отсут-ствию достоверного документирования событий, внештатным и аварийным ситуациям.

Организация синхронизации единого точного времени в телекоммуникационных сетях, системах управления разного назначения, сетевой безопасности и компьютерных системах на транспорте должно способствовать совершенствованию методов эксплуатации цифрового оборудования и метрологического обеспечения.

На мероприятии были рассмотрены требования к системе точного времени метрополитена как к комплексу техни-ческих средств, обеспечивающих периодическую передачу цифровой информации о значении текущего времени от эталонного источника ко всем сетевым элементам с целью синхронизации их внутренних часов. Потребителем сигналов единого точного времени являются: вычислительные комплексы и компьютерные серверы (системы управления и монито-ринга сетевым оборудованием); оборудование транспортных сетей SDH, ATM, IP и сетей коммутации; серверы баз данных; оборудование передачи данных и пакетной коммутации (маршрутизаторы, коммутаторы) и т.д.

Круглый стол провели специалисты Международной ассоциации «Метро» при участии НИИВК, РИРВ и других организаций.

www.e-transport.ru

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

31

Электронные компоненты №3 2010

В Части 1 этой статьи (см. ЭК2) рассматривался вопрос о том, как с

помощью известного метода следящей обратной связи удалить смеще-

ние постоянной составляющей в усилителе постоянного тока. В Части 2

рассматривается практический пример реализации метода следящей

обратной связи, производится доработка базовой архитектуры и обоб-

щается ее использование в ВЧ-фильтрах более высокого порядка.

СЛЕДЯЩАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В ЦЕПИ

МИКРОФОНА

На рисунке 1 представлена схема

цепи с электретным (конденсаторным)

микрофоном, для наглядности смоде-

лированным как идеальный источник

тока. Электретный микрофон с помо-

щью резистора «подтягивается» до

определенного уровня постоянного

напряжения. В результате собственное

напряжение смещения определяется

нагружающим резистором и током,

протекающим через микрофон. Как

правило, с таким микрофоном уста-

навливается конденсатор для связи по

переменному току.

При необходимости подать сигнал

от микрофона на АЦП следует уста-

новить напряжение смещения микро-

фона. Большинство стандартных АЦП в

настоящее время являются униполяр-

ными устройствами, и потому любой

биполярный сигнал нуждается в опре-

деленном сдвиге постоянной состав-

ляющей.

Данная схема обеспечивает требуе-

мое смещение 1,25 В для АЦП со шкалой

0…2,5 В. Высокий входной импеданс

неинвертирующего операционного

усилителя (ОУ) предотвращает микро-

фон от перегрузки по току.

При моделировании переходно-

го процесса в этой цепи из рисунка 2

(слева) видно, что Vin имеет смещение

величиной 4 В, тогда как Vout — 1,25 В.

График справа демонстрирует АЧХ

ВЧ-фильтра второго порядка.

Из этого графика видно, что цепь

обеспечивает коэффициент переда-

чи 6 дБ. Предположим, что требуется

другое значение — 10 дБ. Этот уси-

лительный каскад можно изменить по

своему усмотрению, затем пересчитать

значения компонентов для цепи обрат-

ной связи, чтобы положение полюсов

осталось неизменным. На рисунке 3

показана модифицированная цепь для

РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ

ВЧ-ФИЛЬТРОВ БЕЗ КОНДЕНСАТОРОВ

В СИГНАЛЬНОМ ТРАКТЕ. Часть 2МАРК ФОРТУНАТО (MARK FORTUNATO), менеджер по применению аналоговых приложений, Texas Instruments

заданного коэффициента передачи. На

рисунке 4 иллюстрируется переходный

процесс и АЧХ.

Для учета изменения величины

коэффициента передачи (соотношение

R5/R4) необходимо добиться того, чтобы

положение полюсов осталось неизмен-

ным. Это достигается за счет деления

каждого значения R6 и R3 на изменив-

шееся соотношение .

ВЫБОР И ПОДСТРОЙКА

КОНДЕНСАТОРА

У многих типов конденсаторов

коэффициенты зависимости емкости от

напряжения не удовлетворяют требо-

ваниям приложения. Эти конденсато-

ры вызывают значительное искажение

сигналов на частоте спада ВЧ-фильтра

или вблизи нее. Керамические NPO-

конденсаторы, а также слюдяные и

многие типы металлопленочных кон-

денсаторов, как правило, позволяют

решить эту проблему. Однако эти ком-

поненты экономически не выгодны

при больших значениях емкости. Если

требуемое значение емкости превыша-

ет желаемое, можно увеличить сопро-

тивление. Другое решение этой задачи

состоит в снижении петлевого усиления

Рис. 1. Установка смещения электретного микрофона

Рис. 2. Переходный процесс и АЧХ цепи электретного микрофона

32

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

в тракте обратной связи. В этом случае

компромисс не настолько велик, т.к.

два последовательных ОУ обеспечива-

ют достаточное усиление.

Схема на рисунке 5 имеет ту же АЧХ,

что и в случае с неинвертирующим

ОУ с 20-дБ коэффициентом усиления.

В схему добавлены Ra и Rb, благодаря

чему коэффициент затухания в тракте

обратной связи достигает 10, что позво-

ляет снизить значения обоих конден-

саторов в раз. Разумеется, необхо-

димо увеличить R2 в это же количество

раз, чтобы компенсировать ноль на той

же частоте. В результате Q цепи поддер-

живается на требуемом уровне.

Добавленные сопротивления можно

было бы легко поставить в первый

каскад обратной связи между выходом

и R6. Однако это негативно повлияло

бы на смещение выходного сигнала.

От R6 в ОУ2 или C2 ток (за исключе-

нием тока смещения) не протекает.

Следовательно, пренебрегая малыми

токами смещения, можно сказать, что

постоянное напряжение с обеих сторон

R6 одинаковое. Если перед R6 поста-

вить аттенюатор, то благодаря петле

обратной связи напряжение смеще-

ния выходного сигнала станет равным

входному напряжению ОУ, деленному

на коэффициент ослабления. В нашем

примере коэффициент ослабления

равен 10.

Если для данного приложения под-

ходят резисторы большей величины,

следует увеличить значения R6, R3, Ra

и Rb в некоторое число раз, уменьшив

во столько же обе емкости. Например,

R2 требуется увеличить во столько же

раз, во сколько уменьшилось С1, чтобы

удержать ноль на правильном значе-

нии частоты. На рисунке 6 показана

модифицированная цепь с коэффици-

ентом .

Таким образом, нам удалось умень-

шить емкости конденсаторов, не изме-

нив АЧХ схемы.

Если блок усилителя инверти-

рующий, применяется другой метод.

Обычно инвертирующие блоки ОУ

используются в аудио- и других цепях

для минимизации искажения. В неин-

вертирующей цепи синфазный сиг-

нал на входах ОУ содержит усиливае-

мый сигнал переменного тока, тогда

как в инвертирующей схеме входные

сигналы ОУ содержат синфазный сиг-

нал постоянного тока и малый сигнал

ошибки. Модуляция синфазного сигна-

ла ОУ в неинвертирующем усилителе

может стать причиной дополнительных

искажений.

Рассмотрим схему из части 1 этой

статьи (см. рис. 7).

Вообще говоря, в состав исходно-

го блока усиления входят ОУ1 и R5. R1

не изменяется при добавлении цепи

обратной связи, в отличие от случая

Рис. 3. Электретная цепь с увеличенным коэффициентом передачи

Рис. 4. Переходный процесс и АЧХ с увеличенным коэффициентом передачи

Рис. 6. Дальнейшее снижение емкости конденсаторов за счет увеличения значений резисторов

Рис. 5. Видоизмененная схема снижения величины конденсаторов

34

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

Рис. 7. Базовая неинвертирующая цепь (рис. 4 Части 1 статьи)

Рис. 11. Устранение сигнала синфазного напряже-ния в ОУ2

Рис. 8. Альтернативный каскад обратной связи для инвертирующего усилителя: слишком много нулей

Рис. 9. Окончательный вариант обратной связи для инвертирующего усилителя

Рис. 10. Схема с обратной связью на неинвертирую-щем выводе ОУ

создания ВЧ-фильтра. Однако наличие

R4 уменьшает петлевое усиление блока

ОУ1. Если номинальный коэффициент

усиления R5/R1 остается неизменным,

спад кривой усиления происходит на

меньшей частоте.

При R4 = R1 ширина полосы составля-

ет 67% от ширины полосы той же схемы

без R4. В результате произведение коэф-

фициента усиления на ширину полосы

пропускания (GBWP) схемы с R4 умень-

шается. Этого снижения можно избе-

жать, подав сигнал обратной связи на

неинвертирующий вывод ОУ1 и исклю-

чив R4, как показано на рисунке 8.

Следует заметить, что обратная

связь на неинвертирующем выводе ОУ1

положительная, и потому усилитель

неустойчив. По этой причине мы изме-

нили ОУ2 на неинвертирующий тип для

сохранения отрицательной обратной

связи.

Однако заметим, что коэффициент

усиления ОУ2 изменился с

(1)

на (1а).

Мы добавили еще один ноль в тракт

обратной связи, в результате чего ноль,

созданный с добавлением R2, больше

не потребуется. От этого резистора

можно избавиться, получив топологию

на рисунке 9.

Передаточная функция для этого

варианта схемы определяется из урав-

нений 2, 3 и 4.

(2)

(3)

(4)

С этими уравнениями чуть труднее

работать. У нас больше нет резистора

R2, который использовался для того,

чтобы добротность Q не зависела от F0.

Частоту полюсов ВЧ-фильтра F0

можно достаточно легко задать с помо-

щью приведенных выше уравнений.

Она отличается от F0 исходной топо-

логии тем, что вместо сомножителя R4/

R5 появился R1/(R1 + R5). Этот сомножи-

тель не регулируется, если не изменять

коэффициент усиления каскада (ОУ1),

тогда как в исходной схеме резистор

R4 напрямую не влиял на коэффици-

ент усиления блока. В уравнение для

добротности Q (4) также входит «неу-

правляемый» сомножитель R1/(R1 + R5), и

Q зависит от нескольких компонентов,

а не от одного.

К числу оставшихся параметров,

которые можно модифицировать для

настройки F0 и Q, относятся R3, R6, C1

и C2. Их произведение определяет F0,

в то время как отношения значений

резисторов и конденсаторов задают Q.

На рисунке 10 представлена модифи-

цированная схема с той же АЧХ, что и в

предыдущих случаях.

Следует обратить внимание на то,

что на неинвертирующий вход ОУ2

подается сигнал с максимальным раз-

махом, что может оказаться непри-

емлемым в некоторых случаях из-за

ограничений на входное синфазное

напряжение ОУ. В этом случае следу-

ет вернуться к прежней конфигурации

ОУ2 и изменить конфигурацию ОУ3 на

неинвертирующий тип (см. рис. 11).

СОЗДАНИЕ ВЧ-ФИЛЬТРОВ ВЫСОКИХ

ПОРЯДКОВ

Создав ВЧ-фильтры первого и вто-

рого порядков без добавления каких-

либо компонентов в сигнальный тракт

блока усилителя, можно приступить к

разработке целого ряда таких цепей

для получения ВЧ-фильтров более

высоких порядков.

Для реализации ВЧ-фильтра третье-

го порядка воспользуемся комбина-

цией двух предыдущих примеров. На

рисунке 12 представлена диаграмма

ВЧ-фильтра третьего порядка, распре-

деленного между двумя усилительны-

ми блоками. На рисунке 13 — пере-

даточная функция каждого каскада в

отдельности и всей цепи в совокуп-

ности.

Для реализации ВЧ-фильтра более

высокого порядка каскады второго

36

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

Рис. 13. АЧХ распределенного ВЧ-фильтра

Рис. 12. Распределенная схема ВЧ-фильтра третьего порядка

порядка включаются последовательно

друг за другом. Этот новый вариант

хорошо известного ТТ-фильтра обеспе-

чивает еще одну топологию второго

порядка с малой чувствительностью к

изменению параметров компонентов,

а также простыми средствами расши-

рения признанного метода следящей

обратной связи первого порядка до

фильтров второго и более высоких

порядков со связью по переменному

току.

В силу того, что вход и выход всего

фильтра в целом также является вхо-

дом и выходом простого усилитель-

ного блока, представляющего собой

один из трех каскадов этого фильтра,

данную топологию можно исполь-

зовать для реализации ВЧ-функции

(блокировки постоянного тока) почти

в любом усилительном блоке, что не

повлияет на коэффициент усиления

или на параметры на высоких часто-

тах, а также не потребует добавле-

ния какой-либо цепи в сигнальный

тракт.

ЛИТЕРАТУРА

1. R. M. Stitt. «AC Coupling Instrumentation

And Difference Amplifiers». TI Document

SBOA003. 1990//focus.ti.com/general/docs/

techdocsabstract.tsp?abstractName=sboa003.

2. M. Fortunato. «Circuit Sensitivity with

Emphasis on Analog Filters». Texas Instruments

Developer Conference 2007. March 2007//focus.

ti.com/lit/ml/sprp524/sprp524.pdf.

3. L.P. Huelsman and P.E. Allen. Introduction

to the Theory and Design of Active Filters.

McGraw-Hill. New York. 1980.

4. Aram Budak. Passive and Active Network

Analysis and Synthesis. Houghton Mifflin

company. Boston, 1974.

5. M.S. Ghausi and K.R.Laker. Modern fi lter

Design: Active RC and Switched Capacitor.

Prentice-Hall. Englewood Cliff s. N.J. 1981.

6. J. Tow. «A step-by-step active-fi lter

de sign». IEEE Spectrum. Vol. 6. pp. 64–68.

December 1969.

7. L.C. Thomas. «The Biquad: Part I

«Some Practical Design Considerations». IEEE

Transactions on Circuit Theory. Vol. CT-18. pp.

350–357. May 1971.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | Исследователи Массачусетского института технологии разработали актуаторы, кото-рые создают в 6 раз больший крутящий момент, чем электродвигатели того же размера, но имеющие в 20 раз больший вес. Актуаторы вырезаются из плоского металлического листа, который затем крепится к движущимся частям механизма.

Исследователи полагают, что актуаторы можно использовать в движущихся частях различных устройств, например в качестве наконечников, малоинвазивных хирургических инструментов или деталей фотокамер, встроенных в ноутбук.

www.russianelectronics.ru

38

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

В статье даны основные сведения о шумах в электрических схемах.

Приведены расчетные соотношения для разных схем включения операци-

онных усилителей, позволяющие вычислить величину шумов.

ШУМЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ

С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИГЕННАДИЙ ДЕНИСОВ, вед. специалист, ООО «ЛАД»

ВВЕДЕНИЕ

В любой электрической схеме всегда

присутствуют шумы. Они порождены

неидеальностью компонентов схемы

и физическими эффектами, которые

обычно не принимаются в расчет при

описании электрических процессов.

Шумы можно представить в виде источ-

ников тока и напряжения, выходным

сигналом которых является случайная

величина с известным среднеквадра-

тичным значением и спектральной

плотностью.

Спектральная плотность выражает-

ся в А/ или В/ , а среднеквадра-

тичное значение является результатом

умножения спектральной плотности на

квадратный корень полосы пропуска-

ния — .

Среднеквадратичная величи-

на собственного шума схемы при

неблагоприятных обстоятельствах

может достигать нескольких десят-

ков микровольт. К нему следует

добавить шум источника сигнала,

например датчика. Отсюда следует,

что при измерении микровольтовых

сигналов, а в отдельных случаях и

сигналов величиной несколько мил-

ливольт, необходимо проводить про-

верочный расчет с целью определе-

ния величины шума.

ВИДЫ ШУМОВ

Шумы в электрических схемах, в

зависимости от причины их возникно-

вения, можно разделить на следующие

виды:

– дробовой шум;

– тепловой шум;

– фликкер-шум, или шум 1/f;

– импульсный шум;

– шум лавинного пробоя.

Происхождение дробового шума,

который также называют шумом

Шоттки, объясняется случайными

флуктуациями движения электро-

нов в полупроводнике. Другими сло-

вами, дробовой шум обусловлен тем,

что электрический ток не является

неразрывным потоком, а перено-

сится дискретными носителями за-

ряда.

Спектральная плотность дробово-

го шума ish определяется следующим

образом:

, (1)

где q = 1,6.10–19 — заряд электрона; I —

ток протекающий в цепи.

Среднеквадратичное значение дро-

бового шума Ish:

. (2)

Тепловой шум, или шум Джонсона,

порожден тепловыми колебаниями

электронов в проводнике и прекраща-

ется лишь при охлаждении проводника

до абсолютного нуля. При частоте ниже

100 МГц спектральная плотность тепло-

вого шума eth определяется как:

, (3)

где: k = 1,38.10–23 — постоянная Больц-

ма на; T — температура в градусах Кель-

ви на; R — величина сопротивления

проводника или резистора, генерирую-

щего шум.

Среднеквадратичное значение теп-

ло вого шума составит:

. (4)

Происхождение фликкер-шума до

настоящего времени неизвестно. Он

присутствует и в активных, и в пассив-

ных компонентах. Возможно, он вызван

не со вершенством кристаллической

струк туры, т.к. усовершенствование

технологического процесса приводит

к уменьшению шума. Сред не квад ра-

тич ные значения шума 1/f выражается

соотношением:

, (5)

, (6)

где E1/f — среднеквадратичное значе-

ние напряжения фликкер-шума; I1/f —

среднеквадратичное значение тока

фликкер-шума; KV и KI — коэффициенты

пропорциональности, численно рав-

ные шуму при напряжении или токе,

соответственно, при частоте 1 Гц; fmax

и fmin — соответственно, максималь-

ная и минимальная границы полосы

частот, на которой вычисляется значе-

ние шума.

Импульсный шум порожден несо-

вершенством полупроводников.

Скважность импульсов может варьиро-

ваться в широких пределах, но ампли-

туда остается постоянной. Уменьшение

импульсного шума достигается за счет

улучшения технологического процес-

са.

Шум лавинного пробоя проявляет-

ся, когда к p-n-переходу прикладыва-

ется обратное напряжение, поэтому

он наиболее велик при использовании

стабилитронов. Наилучшим решением

этой проблемы является проектиро-

вание схемы, исключающей стабили-

троны.

Подытоживая сказанное, можно сде-

лать следующие выводы:

– тепловой и дробовой шумы при-

сущи всем компонентам схемы, их

нельзя уменьшить, улучшая техноло-

гию изготовления компонентов;

– фликкер-шум и импульсный шум

порождены несовершенством компо-

нентов схемы и могут быть уменьше-

ны за счет улучшения технологических

процессов производства;

– появление шума лавинного про-

боя можно избежать за счет улучшения

схемотехники, отказавшись от стабили-

тронов.

– для уменьшения шумов схемы

необходимо уменьшить полосу пропу-

скания.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР РАСЧЕТА

ШУМОВ СХЕМЫ

При расчете будем полагать, что

корреляция различных видов шумов

отсутствует. В этом случае шумы скла-

дываются по правилу суммирования

случайных величин.

, (6)

где E∑ — суммарный шум схемы; Е12 + Е2

2 +

… + ЕN2 — шумы компонентов схемы.

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

39

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 2. Эквивалентная схема инвертирующего ОУ с источниками шума

Рис. 4. Определение шума на выходе ОУ от источника inp

Рис. 3. Определение шума на выходе ОУ от источника en

Рис. 1. Модель ОУ с источниками шума

Шумовая модель операционного

усилителя (ОУ) приведена на рисунке 1.

В технической документации изгото-

вителя указан уровень шума ОУ, при-

веденный ко входу. На рисунке 1 этот

параметр обозначен источником ЭДС

en. Входные токи ОУ порождают дро-

бовой шум (1, 2); на рисунке 1 эти шумы

обозначены inn для инвертирующего

входа и inp — для неинвертирующего

входа.

На рисунке 2 приведена типовая

инвертирующая схема включения

ОУ. Последовательно с резисторами

включены эквивалентные источники

ЭДС шума: (резистор R1);

(резистор R2);

(резистор R3). Для подсчета суммар-

ного шума прибегнем к методу супер-

позиции — рассчитаем шум отдельно

от всех источников, а суммарный шум

определим по формуле (6).

Поочередно определим шумы на

выходе ОУ от источников e1, e2, e3:

,

E2 = e2,

.

Далее воспользуемся (6) и, подста-

вив вместо e1, e2, e3 их значения, полу-

чим выражение для плотности шума,

создаваемого резисторами на выходе

ОУ:

.

После преобразования получим:

, (7)

где — коэффициент усиле-

ния шума.

Отметим, что спектральная плот-

ность шума, создаваемого резистором

1 МОм, равна 127 нВ/ . Используя

это обстоятельство, легко пересчитать

шум резисторов с иным номиналом.

Например, спектральная плотность

теплового шума резистора 10 кОм соста-

вит 12,7 нВ/ . Среднеквадратичное

значение шума получим, помножив (7)

на квадратный корень полосы пропу-

скания F.

. (8)

Далее рассмотрим шум ОУ. Как и в

предыдущем случае, воспользуемся

методом суперпозиции. Шум на выхо-

де ОУ, создаваемый источником шума

en (см. рис. 3), определится следую-

щим образом: En = enAN. Шум, генери-

руемый дробовой составляющей тока

неинвертирующего входа (см. рис. 4),

составит Enp = inpAN. И, наконец, дро-

бовой шум инвертирующего тока (см.

рис. 5) создаст составляющую Enn =

innR2.

В соответствии с (6), спектральная

плотность суммарного шума, генериру-

емого внутренними источниками шума

ОУ, составит

.Рис. 5. Определение шума на выходе ОУ от источника inn

40

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

Рис. 6. Шумы дифференциального ОУ

Среднеквадратичное значение шу-

ма получим, помножив спектральную

плот ность на квадратный корень из

полосы пропускания:

. (9)

И, наконец, полное суммарное сред-

неквадратичное значение шума на

вы ходе ОУ составит

. (10)

В заключение рассмотрим схему

с дифференциальным ОУ (см. рис. 6).

Вычисление в ней шума аналогично

приведенным выше выкладкам, поэто-

му, не вдаваясь в подробности, укажем

окончательные выражения. Учитывая,

что в данной схеме включения ОУ прак-

тически всегда выполняются равенства

R1 = R3 и R2 = R4, составляющая шума от

резисторов схемы составит

.

Шум, порождаемый внутренними

источниками ОУ при тех же допущени-

ях (R1 = R3 и R2 = R4), выразится следую-

щим образом.

.

Подставляя значения ЕСКЗОУ и ЕСКЗR в

(10), получим окончательное выраже-

ние для среднеквадратичного значе-

ния суммарного шума на выходе ОУ.

Несмотря, на кажущуюся слож-

ность, приведенные выражения 7—10

удобны для расчета — достаточно

подставить в них параметры ОУ, ука-

занные в документации изготовите-

ля и параметры схемы — номиналы

резисторов.

Таблица 1. Полоса пропускания шума

Порядок фильтра

Полоса пропускания шума

1 1,57fc

2 1,11fc

3 1,05fc

4 1,25fc

Уменьшить шумы в схеме можно,

ограничив полосу пропускания с помо-

щью фильтров. При этом следует учи-

тывать соотношение между частотой

среза фильтра fc и полосой пропуска-

ния шума fn (см. табл. 1) [1].

Часто усилитель строится из

нескольких последовательно вклю-

ченных каскадов ОУ. В этом случае

необходимо корректно распределить

усиление между ОУ. Рассмотрим слу-

чай m последовательно соединенных

ОУ, коэффициент усиления которых,

соответственно, составляет А1, А2…

Аm. Коэффициент усиления сигнала

в этом случае составит А1 × А2 ×… ×

Аm.

Для иллюстрации выбора коэффици-

ентов усиления предположим для упро-

щения, во-первых, что входной сигнал

SI не содержит шумов. Во-вторых, будем

рассматривать шумы не на выходе ОУ,

как мы рассчитывали выше, а приве-

денные ко входу шумы. В этом случае

суммарный шум усилительного каскада

из m усилителей выразится соотноше-

нием

(11),

где N1, N2…Nm — шумы первого, второго

и т.д. каскадов, приведенные ко входу.

Выходной сигнал усилителя SO опре-

делится соотношением

SO = (А1 × А2 ×… × Аm)SI. (12)

Запишем соотношение сигнал/шум,

предварительно разделив оба выраже-

ния на коэффициент усиления первого

каскада А1

(13)

.

Из этого соотношения видно, что

для увеличения соотношения сигнал/

шум коэффициент усиления А1 первого

каскада должен не менее чем в 3—4

раза превышать коэффициенты усиле-

ния других каскадов. При этом выраже-

ние (13) примет вид

. (14)

Это максимальное соотношение сиг-

нал/шум, которое можно получить для

конкретной схемы. Из (14) следует еще

один вывод: соотношение сигнал/шум

многокаскадного усилителя определя-

ется главным образом шумом входного

каскада.

ЛИТЕРАТУРА

1. Noise Analysis in Operational Amplifi er

Circuits. Application Report SLVA043B//www.

ti.com.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| РЫНОК КОМПЬЮТЕРОВ В РОССИИ СОКРАТИЛСЯ НА ТРЕТЬ | Российский рынок компьютеров в кризисном 2009 г. сократился на треть, пишет «РБК-daily» со ссылкой на отчет ком-пании IT Research. Меньше всего от кризиса пострадал сегмент нетбуков.

Всего за год было продано 7,28 млн компьютеров, из кото-рых на ноутбуки пришлось 3,32 млн, а на настольные ПК — 3,96 млн. Основными игроками на рынке десктопов были Acer, Depo, HP, K-Systems и Kraftway. В сегменте ноутбуков также лидирует Acer. Следом идут Asus, HP, Samsung и Toshiba.

В 2010 г. прогнозируется 10-% рост рынка, причем сегмент портативных компьютеров будет до 2013 г. ежегодно расти в среднем на 17%.

В 2008 г., по данным той же IT Research, в России было продано 9,4 млн компьютеров, из которых 3,5 млн пришлось на ноутбуки. В эту оценку нетбуки не входили.

www.russianelectronics.ru

42

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

В статье изложены различные методы линеаризации РЧ-усилителей, приведены электрические схемы и диа-

граммы. Рассмотрено влияние на линейность усилителей температурных режимов и напряжения питания, даны

практические рекомендации.

ПОВЫШЕНИЕ ЛИНЕЙНОСТИ

И ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЧ-УСИЛИТЕЛЕЙПОЛ РАКО (PAUL RAKO), техн. редактор, EDN

Как правило, лучшей линейности уси-

лителей добиваются за счет увеличения

мощности выходного каскада. Однако

при этом эффективность усиления пада-

ет, следовательно, рассеивается боль-

ше тепла, что, в конечном счете, увели-

чивает энергопотребление системы и

уменьшает время работы портативного

устройства. Сокращение тепловыделе-

ния позволяет снизить стоимость и экс-

плуатационные затраты схемы.

Один из методов улучшения линей-

ности — использование РЧ-усилителей

с понижающей передачей, в которых

выходной сигнал всегда меньше напря-

жения питания. Как и в предыдущем

случае, при этом подходе эффектив-

ность усиления падает.

Для увеличения эффективности

работы однотранзисторного выходного

каскада нужно приблизить выходной

сигнал к напряжению питания путем

соответствующего выбора напряжения

питания и импеданса нагрузки. При этом

уменьшается мощность, рассеиваемая

выходными транзисторами, поскольку

разность между сигналом и напряжени-

ем питания мала, и портится линейность

характеристики как на радио-, так и на

звуковых частотах. Кроме того, появля-

ется эффект ограничения сигнала, когда

напряжение питания становится недо-

статочным для правильной передачи

входного сигнала (см. рис. 1).

ВАЖНА ЛИ ЛИНЕЙНОСТЬ?

Линейность не является главной

характеристикой для большинства

РЧ-систем. Так, усилители класса С не

всегда идеально передают форму вход-

ного синусоидального сигнала, поэто-

му они применяются в таких схемах,

где это и не требуется. Например, для

качественной работы радиоприемника

FM-диапазона достаточно, чтобы сохра-

нялись точки пересечения нуля, а не

правильная форма пиков (см. рис. 2),

поскольку вся информация содержится

именно в этих точках.

За последние 10 лет наблюдается

переход к более сложным схемам моду-

ляции, которые позволяют передавать

больше информации по более узкой

полосе частот. В качестве количествен-

ной характеристики степени уплотне-

ния канала используется эффектив-

ность, которая выражается в Мбит/с на

МГц.

Во многих стандартах связи инфор-

мация содержится не только в точках

пересечения нуля. Например, в схеме

QAM (квадратурная амплитудная

модуляция) информация содержится

в амплитуде и фазе несущего сигнала.

Рассмотрим классическое созвездие

64-QAM (см. рис. 3). Огибающая сиг-

нала представляется с помощью 64

векторов. Каждый вектор может нести

информацию о нескольких битах, если

эффективность использования поло-

сы пропускания достаточно высока.

В таких схемах требуется очень хоро-

шая линейность характеристик, иначе

векторы накладываются друг на друга,

при этом содержащиеся в них данные

теряются безвозвратно. Некоторые

виды нелинейных искажений, которые

возникают в схеме, например, лога-

рифмические искажения при насыще-

Рис. 1. Ограничение выходного сигнала

Рис. 2. Нелинейность усилителя не влияет на частотно-модулированный сигнал

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

43

Электронные компоненты №3 2010

нии транзистора, можно учесть в про-

цессе демодуляции, но это довольно

сложно и практически не использу-

ется.

Таким образом, единственный спо-

соб обеспечить точность векторов —

это повысить точность самого усилите-

ля мощности (УМ).

Выходные каскады усилителей

класса А также вносят нелинейности,

поэтому положительные и отрицатель-

ные полуволны выходного сигнала ста-

новятся несимметричными. На низких

частотах эта проблема разрешается

путем введения обратной связи (ОС).

Транзисторные усилители постепенно

переросли в операционные с коэф-

фициентом усиления более 120 дБ.

Линейность ОУ повышается также за

счет использования большого количе-

ства отрицательных ОС. При введении

ОС в выходные каскады усилителей

класса АВ линейность может возрас-

тать до 0,00003% (LME49710 National

Semiconductor). Заметим, однако, что

это значение достигается на сравни-

тельно низких частотах. У всех усили-

телей наблюдается завал коэффици-

ента усиления с повышением частоты.

Усилители с токовыми ОС характери-

зуются меньшими потерями на ВЧ, но

и у них коэффициент усиления падает,

начиная с определенной частоты.

Отметим, что введение ОС помо-

гает не только улучшить линейность

характеристик, но и повысить коэффи-

циент передачи в прямом направлении.

Поскольку коэффициент передачи в

прямом направлении с ростом частоты

уменьшается, то на ВЧ требуется менее

глубокая ОС. Это приводит к тому, что

в РЧ-усилителях, особенно УМ, нель-

зя использовать традиционную ОС на

рабочих частотах порядка 1 ГГц и выше.

Если схема усилителя разомкнута, то

могут возникать проблемы, связанные

Рис. 3. Созвездие 64-QAM. Шифрование 6 битов в один символ

с подавлением напряжения питания

(power-supply rejection) и насыщением

выходного сигнала (output saturation).

Поскольку РЧ-усилители работают на

граничных частотах транзисторов, то на

их основе нельзя сделать ОУ с высоким

коэффициентом усиления.

Таким образом мы видим, что при

проектировании РЧ-усилителей сохра-

няются все те проблемы, с которыми

сталкивались несколько десятилетий

44

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

назад инженеры-схемотехники, разра-

батывая усилителей на лампах.

Повышение линейности характери-

стик — не единственная и не самая

сложная задача, с которыми приходить-

ся иметь дело при разработке усилите-

ля. Например, электрические или тер-

мические условия работы могут вызвать

эффекты запоминания, что в свою оче-

редь повлечет за собой временные

искажения или потерю данных. Явление

электрического запоминания похоже на

эффекты, которые часто можно было

наблюдать в старых ламповых гитарных

усилителях с дешевыми источниками

питания. Громкий аккорд перегружал

выходной каскад и сбрасывал напряже-

ние питания.

Проседание напряжения питания

изменяет смещение выходных тран-

зисторов, вследствие чего возникает

информационно-зависимые нелиней-

ные искажения. Величина таких искаже-

ний зависит от предыдущего состояния

сигнала.

Это же явление встречается в УМ,

работающих в радиочастотном диа-

пазоне. Последовательность данных

может содержать такие символы, кото-

рые перегружают усилитель и, соответ-

ственно, выводят из строя работу ИП и

схем смещения. Возникают временные

искажения, которые передаются в моду-

лированный сигнал.

Второй источник эффектов запоми-

нания — тепловые условия работы. В

горячем и холодном состоянии транзи-

сторы имеют разные переходные харак-

теристики, что приводит к искажениям

сигнала, если температура транзистора

меняется.

На рисунке 4 показаны искажения

в силовых РЧ-каскадах. Эти искажения

обусловлены видом переходной харак-

теристики транзистора — это не пря-

мая зависимость, а логарифмическая.

Частично нелинейности могут возни-

кать из-за насыщения транзистора при

работе с сигналами, близкими к напря-

жению питания.

СПОСОБЫ

ПОВЫШЕНИЯ ЛИНЕЙНОСТИ

При разработке усилителя нельзя

просто уменьшить размах выходного

сигнала, т.к. при этом снизится эффек-

тивность усиления. Приходится исполь-

зовать положительные и отрицатель-

ные ОС или вносить предыскажения,

чтобы сохранить эффективность и

одновременно уменьшить энергопо-

требление схемы. Применение ООС

подходит для усилителей с высокой

линейностью характеристик, узкой

полосой частот и средней эффективно-

стью. Положительные ОС применяются

в схемах с высокой линейностью, более

широкой полосой частот и низкой

эффективностью. Наконец, предыска-

жения применяются, когда требуются

очень высокая эффективность, средняя

линейность и небольшая полоса пропу-

скания. Поскольку РЧ-усилители мощ-

ности работают на высоких частотах,

использование традиционных ОС в них

непрактично. В этом смысле под терми-

ном «обратная связь» часто подразуме-

вается такая ОС, в которой выходной

РЧ-сигнал делится на синфазную I и ква-

дратурную Q составляющие и поступает

на входные каскады. В такой системе

можно получить еще более высокую

линейность, однако необходимо сле-

дить, чтобы не возникало перегрузок

в выходном каскаде. Эффективность

усиления остается низкой. Кроме того,

из-за риска появления генерации этот

метод неприменим для широкополос-

ных усилителей.

Чтобы получить и хорошие линей-

ные характеристики, и широкую поло-

су, используют предыскажения. В этом

случае для компенсации нелинейных

искажений используются сигналы I и Q.

В цифровых системах линейность обе-

спечивается с помощью сложных алго-

ритмов предсказания термических и

электрических эффектов запоминания,

однако цифровые методы имеют огра-

ниченные возможности коррекции.

Как правило, степень линейности того

или иного компонента системы извест-

на заранее. Например, активный повы-

шающий преобразователь с изоляцией

заведомо имеет более широкий дина-

мический диапазон, чем аналогичный

пассивный преобразователь, за кото-

рым стоит усилитель. Предыскажения

позволяют упросить схему. Кроме того,

иногда используется сочетание обоих

методов, когда в схеме используются и

обратные связи, и цифровые предыска-

жения (см. рис 5).

Часто вместо цифровых методов

коррекции лучше применять схемотех-

нические. Чем выше линейность компо-

нента, тем меньше требуется цифровой

коррекции.

Рассмотрим усилитель Догерти, изо-

бретенный в 1936 г. (см. рис. 6). Он

имеет два РЧ-входа, а размах выход-

ного сигнала близок к напряжению

питания. Дополнительный усилитель

нужен для того, чтобы регулировать

видимый извне выходной импеданс

основного усилителя. Если выходной

сигнал дополнительного усилителя

повторяет сигнал основного, то выход-

ной импеданс с точки зрения пере-

дающего усилителя бесконечен (см.

рис. 7). Поскольку оба конца линии

имеют один и тот же потенциал, между

ними не идет ток и мощность не потре-

бляется. Если дополнительный усили-

тель отключить, то выходной импеданс

с точки зрения основного усилителя

станет равным характеристическому

импедансу линии передачи. Далее,

если второй усилитель будет работать

в противофазе, тогда видимый извне

выходной импеданс по отношению к

передающему усилителю равен поло-

вине характеристического, поэтому

мощность повышается. Сигнал основ-

ного усилителя всегда имеет размах,

близкий к напряжению питания. Если

в схеме необходима передача мало-

мощных сигналов, то второй усилитель

используется для увеличения выход-

ного импеданса, который видит основ-

ной усилитель. В результате для дан-

Рис. 4. Виды искажений в усилителях, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов (а); эффектом ограничения (б); эффектами электрического; (в) и термического; (г) запоминания

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

45

Электронные компоненты №3 2010

ного перепада напряжения, близкого

к линии питания, ток и, следовательно,

мощность уменьшаются.

Рис. 5. Смешанная схема коррекции

Рис. 6. Усилитель Догерти

Описанный усилитель Догерти

очень удобен для применения в базо-

вых станциях. В абонентском обо-

рудовании из-за ограничений по

габаритам и стоимости схемы для

подключения и отключения усили-

46

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

Рис. 8. Переключатели Avago. (а) – режим высокой мощности (больше 16 дБм); (б) – маломощный режим (меньше 16 дБм)

Рис. 7. Принцип изменения выходной мощности, использующийся в усилителе Догерти

тельных блоков рекомендуется при-

менять РЧ-переключатели, такие как

усилительный модуль CoolPAM Avago.

Он имеет хорошую эффективность на

широком диапазоне выходной мощ-

ности (см. рис. 8) . Также можно при-

менять преобразователи постоян-

ного напряжения. С ними выходной

РЧ-каскад всегда работает на границе

области насыщения, поэтому эффек-

тивность максимальна. Однако они

занимают много места и сами по себе

имеют предел по эффективности.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Поиски компромисса между

эффективностью и линейностью в

РЧ-усилителях затрагивает, кроме всего

прочего, использование инструментов

САПР. Поскольку РЧ-системы сами по

себе нелинейны, то в них приходит-

ся решать все те же математические

проблемы, что и в других нелинейных

устройствах. Использование Spice и

других инструментов моделирования

может оказаться затратным по времени

и не привести к ожидаемым результа-

там, поскольку в большинстве РЧ-схем

требуется работа в установившемся

режиме. Вторая проблема заключает-

ся в том, что часто внутренняя схема

усилителя закрыта и приходится поль-

зоваться S-параметрами для анализа. К

сожалению, такой уровень абстракции

не объясняет нелинейные искажения и

не позволяет промоделировать смеще-

ние усилителя. Для решения этой про-

блемы Agilent, которая популяризиро-

вала проектирования с использованием

S-параметров, недавно представила

X-параметры, или моделирование иска-

жений полигармоник. Эти параметры

комбинируют выходной сигнал линей-

ной системы с выходным сигналом, обу-

словленным нелинейными составляю-

щими. Компания выпустила несколько

брошюр с описанием данного метода и

включила этот инструмент в свой пакет

средств разработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование РЧ-усилителей

с каждым годом становится труднее

из-за ужесточения требований к схе-

мам модуляции. Высокая линейность

и эффективность только еще больше

подчеркивают важность тщательно-

го анализа при проектировании. Сам

процесс проектирования становит-

ся междисциплинарным, затрагивая

радиочастотную, цифровую и аналого-

вую электронику. В помощь разработ-

чикам были созданы САПР, различные

инструменты и испытательные уста-

новки, облегчающие проектирование.

Возможно с развитием этой области

процесс разработки усилительных

устройств станет проще, быстрее и

дешевле.

ЛИТЕРАТУРА

Vani Viswanathan. Effi ciency En hance-1.

ment of Base Station Power Amplifi ers Using

Doherty Technique//scholar.lib.vt.edu/theses/

available/etd-05062004-152027/unrestricted/

Viswanathan_Thesis.pdf.

Jan Verspech и David Root. Polyhar mo-2.

nic Distortion Modeling//www.janverspecht.

com/pdf/phd_ieeemicrowavemagazine.pdf.

Paul Rako. Heads and tails: Design RF 3.

amplifi ers for linearity and effi ciency//www.edn.

com/article/CA6544734.html

СОБЫТИЯ РЫНКА

| КОМПАНИЯ «АБРИС» НА ВЫСТАВКЕ «ЭКСПОЭЛЕКТРОНИКА» | Компания «Абрис» приглашает Вас посетить наш семи-

нар по теме «Практика серийного изготовления СВЧ-блоков на импортных материалах (Rogers, Taconic др.) с медным

основанием» в рамках деловой программы выставки «ЭкспоЭлектроника».

Семинар состоится в первый день работы выставки 20-го апреля в 10-45 в конференц-зале №1 павильона 1, зал

3.

На семинаре будут затронуты вопросы, касающиеся освоенной технологии СЕРИЙНОГО изготовления СВЧ-

блоков гражданского и военного назначения диапазона десятки ГГц.

В программе семинара будут рассмотрены следующие вопросы:

– особенности проектирования СВЧ-блоков;

– переход на импортные материалы при их изготовлении;

– достоинства и особенности импортных СВЧ-материалов печатных плат (Rogers, Taconic и др.);

– типовая структура печатной СВЧ-платы на металлическом основании;

– особенности монтажа СВЧ-плат на металлическом основании;

– преимущества перехода на новые технологии.

Огромный интерес, проявленный к нашей технологии серийного изготовления СВЧ-блоков, и новые вопросы

по СВЧ-технологиям на прошлом семинаре побудили нас расширить программу настоящего семинара в период

выставки.

Все участники получат наборы материалов по особенностям проектирования и изготовления СВЧ-блоков, а

также таблицы характеристик по подбору импортных СВЧ-материалов (Rogers, TMM, Taconic др.).

www.rcmgroup.ru

48

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

Конфигурируемые аналоговые ИС многие годы присутствуют на рынке,

но спрос на них меньше, чем на ПЛИС. Однако нынешняя экономическая

ситуация внезапно сделала концепцию программируемых стандартных

аналоговых устройств достаточно привлекательной. Но каким мето-

дом воспользоваться для проектирования этих кристаллов? Годится ли

традиционная интуитивно-понятная технология моделирования ана-

логовых ИС, основу которой составляет верификация макета? Статья

пытается дать ответ на этот сложный вопрос. Статья представляет

собой сокращенный перевод [1].

СОЗДАНИЕ АНАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ

С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММИРУЕМЫХ

КРИСТАЛЛОВРОН УИЛСОН (RON WILSON), отв. редактор, журнал EDN

РАЗНООБРАЗИЕ АРХИТЕКТУР

Одной из причин неоднозначности

ответа является широкий диапазон

архитектур программируемых ана-

логовых систем. В одном конце этого

диапазона находятся функционально-

ориентированные кристаллы, степень

конфигурируемости которых определя-

ется пользователем; при этом их основ-

ная функция остается неизменной. На

другом конце находятся аналоговые

кристаллы, сходные с ПЛИС и представ-

ляющие собой большие массивы малых

неспециализированных функциональ-

ных блоков. Эти два противоположных

конца диапазона различаются струк-

турно и функционально, поэтому тре-

бования к каждому из них разные.

Рассмотрим два примера. С одной

стороны, обратимся к семейству про-

граммируемых контроллеров мощ-

ности компании Lattice Semiconductor

(см. рис. 1). Данные многофункциональ-

ные микросхемы управляют не только

последовательностью операций, но и

согласованием нескольких источников

питания на печатной плате (ПП). Это

простые программируемые логиче-

ские устройства (ПЛУ), в состав кото-

рых также входят прецизионные АЦП,

мониторы с программируемым поро-

гом и ЦАП для обнаружения выход-

ного напряжения питания и точной

подстройки напряжений для контура

обратной связи источников питания.

С другой стороны, рассмотрим FPAA

(fi eld-programmable analog arrays —

программируемая матрица аналоговых

элементов) компании Anadigm. По сути,

эти устройства представляют собой

нескоммутированные матрицы логи-

ческих элементов для сборки цепей

обработки аналогового сигнала с пере-

ключаемыми конденсаторами. Целью

программирования в FPAA является не

только установка параметров схемы,

но и создание ее топологии. Понятие

«программируемость» в данном случае

имеет два значения. Разумеется, мето-

ды, используемые при работе с FPAA,

также различаются.

РАЗЛИЧИЕ МЕТАФОР

Разработчики кристаллов стремят-

ся скрыть структуру программируемых

микросхем от пользователей, заменив

ее метафорой для визуализации архи-

тектуры. Они полагают, что эта визуа-

лизация окажется не только более

знакомой пользователям, но и умест-

ной для решения той или иной задачи.

Метафоры изменяются в зависимости

от структуры кристалла и представ-

ления поставщика микросхем о стоя-

щих перед потребителями задачах.

Например, на заре развития цифровых

ПЛИС поставщики представляли вну-

тренние части структуры ПЛИС в виде Рис. 1. Контроллер 1220AT8 компании Lattice для контроля источников питания на плате

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

49

Электронные компоненты №3 2010

наборов затворов NAND, управляющих входными сигнала-

ми больших затворов NOR, в соответствии с принятым в то

время стандартным способом выражения логических функ-

ций в виде минтермов.

Компания Lattice, например, описывает свои микросхе-

мы контроллеров мощности в терминах устанавливаемых

на кристалле компонентов: цифровой и аналоговый выхо-

ды, ограничительные компараторы, АЦП, программируемая

логическая матрица и ряд АЦП. Напротив, компания Anadigm

не рассматривает свои кристаллы как совокупность конден-

саторов, настраиваемых усилителей, многозвенных схем

или программируемых аналоговых коммутаторов, прибегая

к описанию аналоговых функциональных блоков — опера-

ционных усилителей, фильтров и т.д. В то же время, если

устройство становится компонентом большого проекта, ком-

пания предлагает пользователю рассматривать кристалл

как многофункциональный черный ящик или черный ящик с

заданной функцией безотносительно его содержания.

Вообще говоря, чем специфичнее функция программи-

руемого аналогового кристалла, тем точнее представляемая

метафора. Однако если программируемая архитектура доста-

точно гибкая, поставщик выбирает один из двух подходов:

настолько же независимую от приложения метафору, что

и лежащая в ее основе архитектура, — например, таблицы

соединений Verilog-A или Spice, либо метафору, которая скры-

вает программируемую архитектуру, представляя ее в виде

параметризованного кристалла с фиксированным назначе-

нием. Значение метафоры заключается в том, что она — а не

лежащая в ее основе кремниевая архитектура — определяет

метод проектирования, который выбирает пользователь. Это

обстоятельство иллюстрируют конкретные примеры.

НЕСКОЛЬКО ПРИМЕРОВ

Шьям Чандра (Shyam Chandra), менед жер сбыта, компания

Lattice Semi con ductor, считает, что для управления сигнала-

ми сброса, синхронизации сторожевого таймера и подоб-

ных функций инженеры до сих пор используют дискретные

кристаллы. Lattice выбрала метафору программирования,

схожую с методом использования разработчиками неболь-

шого количества миниатюрных кристаллов с фиксирован-

ным назначением.

Для составления технического задания на разработку

потребители продукции Lattice просматривают специфика-

ции на процессоры, память, ПЛИС и другие устройства на

платах, чтобы определить требуемую последовательность

увеличения мощности для каждого кристалла. Объединение

этих последовательностей позволяет создать полную диа-

грамму состояния логики контроллера. Эта задача выполня-

ется вручную. Около 75% времени, затраченного на первый

проход, пропадает впустую. Lattice предлагает простой язык

программирования и средство моделирования сигнала, с

помощью которых кодируется последовательность и отсле-

живается ход выполнения этой операции без опасения что-

то нарушить.

Завершив кодирование последовательности, средство

конфигурирует управление кристаллом таким образом,

чтобы можно было управлять сигналами сброса и затво-

рами МОП-транзисторов, которые задают последова-

тельность питания на плате. Аналогично, обеспечивается

вспомогательное средство подстройки и контроля границ

кристалла. Используя библиотеку известных компонентов

DC/DC-преобразователей, программное обеспечение соби-

рает информацию пользователя о границах кристалла,

требования по напряжению и устанавливает встроенные

компараторы и ЦАП, а также значения резисторов как для

отслеживания выходных сигналов преобразователя, так и

для регулировки входных сигналов.

Понятие стандартной метафоры устройства далеко

выходит за рамки представления об управлении питанием.

Компания Actel предлагает конфигурируемые блоки AFE

(analog front end — аналоговые внешние интерфейсные

аппаратные средства) семейства ПЛИС под маркой Fusion.

Эта компания поддерживает конфигурацию своих програм-

мируемых аналоговых блоков, но также скептично оценивает

потребность пользователя моделировать на уровне платы.

Эта компания предоставляет на уровне ИС средство

генерации аналогового сигнала, который после прохож-

дения через модуль АЦП преобразуется в цифровой сиг-

нал, использующийся в симуляции логики ПЛИС с помощью

системы ModelSim компании Mentor Graphics. Однако топо-

логия блоков AFE достаточно жесткая. По мнению Нагела,

пользователи зачастую преждевременно стремятся опреде-

лить потребности системы в разрешении, частоте выборки

и т.д. — поначалу следует сконфигурировать AFE-блоки, а

затем их использовать. Можно запросить аналоговые узлы в

блоках AFE и анализировать цифровые сигналы в той части

кристалла, где находится ПЛИС, с помощью встроенного

логического анализатора САПР Synplicity. Таким образом,

разработчики, как правило, не анализируют блоки AFE с

помощью средств моделирования, ограничиваясь симуляци-

ей цифровой логики.

Еще один взгляд на решение этого вопроса предлагает

компания Cypress Semiconductor, чьи программируемые СнК

(programmable systems on chips, pSOC) имеют относительно

хорошо конфигурируемый массив аналоговых компонен-

тов, тесно связанный с массивом цифровых стандартных

блоков и ядром микроконтроллера (см. рис. 2). Стандартное

назначение архитектуры Cypress отражает метафору языка

высокого уровня и маршрут проектирования «синтез-

моделирование».

Однако эта компания выбрала другое направление.

Джейсон Бомбах (Jason Baumbach), инженер по применению

Cypress Semiconductor, считает, что метафорой является ката-

лог компонентов, а не программируемая матрица аналоговых

элементов. Разработчику не поможет список тысяч конфигу-

рационных регистров, поэтому Cypress предлагает ката-

лог пользовательских модулей — конфигурируемых частей

аналогового массива на кристалле. Для пользователя они

представляют собой стандартные аналоговые компоненты.

Разработчик составляет схему аналоговой части своего про-

екта с помощью данных модулей и переходит от этой схемы

к монтажной плате с помощью макета программируемой

СнК компании Cypress. По мнению Бомбаха, лишь немногие

инженеры пользуются Spice или Matlab. По большей части,

все те операции, которые они выполняют в аналоговой цепи,

достаточно просты.

ДРУГИЕ ВЗГЛЯДЫ

Большинство других компаний не предоставляет поль-

зователям средство симуляции на уровне платы, позво-

ляющее понять, как их кристаллы работают с другими

50

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCP.RU

цепями на плате или как аналоговые

и цифровые части кристалла функ-

ционируют друг с другом. Этой цели

служит та информация, с которой раз-

работчик может ознакомиться в техни-

ческом описании. Однако Cypress эво-

люционирует в другом направлении.

Аналоговые блоки программируемых

СнК становятся все более значимыми,

и заказчики все чаще пользуются воз-

можностью встроенного микрокон-

троллера реконфигурировать анало-

говый массив «на лету». Это полезная

возможность, но при таком подходе

пренебрегается метафора, основанная

на обращении к каталогу компонентов.

Устройства становятся все более мощ-

ными, поэтому требуется в большей

мере использовать абстракции.

Напротив, компания Austria micro-

sys tems AG экспериментирует с более

широким подходом к симуляции для

относительно простых кристаллов.

Брюс Ульрих (Bruce Ulrich), директор

сбыта компании, считает, что суще-

ствуют два типа инженеров: пуристов,

которые пренебрегают симуляцией, и

тех разработчиков, которые не считают

себя знатоками и пользуются инстру-

ментом, позволяющим эксперименти-

ровать.

Austriamicrosystems поместила

на своей домашней странице вер-

сию библиотеки линейной симуляции

WebSim компании Transim Technology.

На этой странице находятся модели

силовых ИС, инструмент сбора таблиц

соединений, аппаратная модель и

инструмент генерации списка ком-

плектующих. Пользователи имеют

возможность создать макет силовой

подсистемы, изучить ее параметры и

эксплуатационные характеристики, а

также получить список компонентов.

Ульрих подчеркивает, что достигаемая

при этом точность меньше, чем реали-

зуемая с помощью Spice, т.к. это всего

лишь линейная аппроксимация. Однако

полученная модель достаточно хорошо

показывает, как поведет себя цепь в

реальных условиях, и предостерегает

разработчика от ошибок коммутации,

проблем с шумом или с неустойчи-

востью. Недавно компания установи-

ла это средство на свой сайт; плани-

руется, что со временем библиотека

моделей расширится, и пользователи

получат возможность анализировать

работу других компонентов продукто-

вой номенклатуры компании.

Иначе обстоят дела у компании

Triad Semiconductor. Как и Cypress,

эта компания производит кристаллы,

в состав которых входит программи-

руемая матрица аналоговых элемен-

тов и микроконтроллер (см. рис. 3).

В этом случае, однако, метод про-

граммирования реализован в виде

программируемых изготовителем

межслойных соединений, а не про-

граммируемых при эксплуатации

Рис. 2. В состав СнК компании Cypress входит микроконтроллер с программируемой матрицей цифро-аналоговых блоков

Рис. 3. Метод межслойных соединений, програм-мируемых компанией Triad

флэш-ячеек. Большинство пользова-

телей, по мнению Рейда Уэндера (Reid

Wender), вице-президента по сбыту

Triad, начинает не с симуляции, а с

макетирования проектов с помощью

стандартных дискретных аналоговых

компонентов для трактов аналогового

сигнала и ПЛИС для цифровой логики

и ядра ARM Cortex M0. Они обращают-

ся в компанию за специализированны-

ми ИС (ASIC).

Заказчик передает макетную плату

инженерам Triad для преобразования

трактов аналогового сигнала в заказ-

ной ИС. Затем инженеры с помощью

средства симуляции на уровне кристал-

ла конфигурируют матрицу аналоговых

элементов, чтобы согласовать пере-

даточные функции этой платы. Triad

сообщает результаты симуляции заказ-

чику, устанавливает маску межсоеди-

нений и конфигурирует многослойные

кремниевые пластины около месяца.

Установив кристалл Triad в макетную

плату, заказчик приступает к верифи-

кации. Наиболее трудным этапом такой

технологии является анализ сопряже-

ния трактов обработки аналогового

сигнала с программным обеспечением

ядра Cortex. Triad пользуется средства-

ми компании Keil для симуляции цифро-

аналоговых периферийных устройств,

однако Уэндер считает, что необходимо

создать полноценный симулятор ана-

логовых и смешанных сигналов — тот

инструмент, который объединил бы в

себе Verilog, Spice и программное моде-

лирование при низкой цене.

ПЕРСПЕКТИВЫ

О перспективах развития програм-

мируемых матриц аналоговых эле-

ментов рассказывает Пол Хэслер (Paul

Hasler), профессор электротехники и

информатики из Технологического

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

51

Электронные компоненты №3 2010

института Джорджии, который уже

10 лет работает над проектом FPAA.

Этот проект связан с созданием боль-

ших матриц примерно из 1000 анало-

говых компонентов и тысяч устройств

на уровне переключателей, составлен-

ных в 100 вычислительных аналоговых

блоков. Хэслер утверждает, что такие

кристаллы, возможно, в 10 раз превы-

сят емкость существующих FPAA для

коммерческого применения при ско-

рости обработки аналогового сигнала

1 трлн команд умножения с накопле-

нием на один кристалл, потребляющий

несколько сотен мВт.

Хэслер и его коллектив разработа-

ли полный маршрут проектирования,

использующий модель обработки ана-

логового сигнала. По утверждению

Хэслера, у одного из созданных боль-

ших кристаллов насчитывается поряд-

ка 100 тыс. программируемых пара-

метров. На таком уровне сложности

невозможно работать вручную, поэто-

му программирование выполняется с

помощью метафоры обработки сигнала

на уровне блоков.

И даже в этом случае исключитель-

ная сложность FPAA требует исполь-

зовать ASIC-подобный маршрут про-

ектирования. Попытки устранить

неисправность в 1000-компонентной

аналоговой схеме с помощью макет-

ной платы оказались бы безуспешны-

ми. По этим причинам в маршруте про-

ектирования FPAA задействованы два

уровня симуляции. Моделирование

начинается с Simulink и библиотеки

стандартных блоков, для которых кол-

лектив Хэслера создал таблицы соеди-

нений Spice. Пользователь осуществля-

ет моделирование системы в Simulink,

затем путем подстановки составляет

таблицу соединений. Она отправля-

ется на компилятор кристалла, кото-

рый создает эквивалентный файл про-

граммирования ПЛИС. Хэслер считает,

что пользователь должен научиться

работать с инструментами Spice, чтобы

в наибольшей мере реализовать воз-

можности кристалла. При использо-

вании Simulink эта работа по боль-

шей части выполняется в библиотеке.

Коллектив инженеров в настоящее

время создает инструменты, которые

извлекают таблицу соединений Spice

с точным воспроизведением паразит-

ных элементов из файла программи-

рования на уровне переключателей и

выполняет, по сути, сравнение между

созданной топологией и источником.

Так в недалеком будущем станут

выполняться маршруты проектирова-

ния даже в случае с намного более

простыми компонентами, считает

Джон Пирс (John Pierce), директор

отдела сбыта средств моделирования

сигналов, Cadence. Традиционный

подход больше не работает даже при

проектировании устройств с фиксиро-

ванным назначением. Инженерам при-

дется учитывать последствия интегра-

ции программируемых компонентов в

систему, а не думать, как их програм-

мировать.

Интуитивно понятно, что модели-

рование на уровне платы разумнее

выполнять с помощью Matlab или

схожего средства. Однако нелегко

получить представление о коммутаци-

онной матрице с помощью передаточ-

ной функции — трудности возникают

уже на уровне моделирования схемы.

Verilog-A или SystemVerilog (а также

им подобные языки) не позволяют

изменить параметры регистра конфи-

гурации во время прогона. Симуляция

может разделиться на несколько

частей при попытке смоделировать

эти регистры и аналоговые ключи как

часть таблицы соединений устрой-

ства, особенно в случае применения

методов переключаемых конденсато-

ров. По мнению Пирса, методы симу-

ляции программируемой аналоговой

части системы известны, но вопрос

в том, чтобы научиться использовать

их в среде Verilog-AMS (analog/mixed-

signal — аналоговый или смешанный

сигналы).

ЛИТЕРАТУРА

1. www.edn.com/index.asp?layout=article

Print&articleID=CA6670945.

52

WWW.ELCP.RU

Линейные регуляторы (стабилизаторы) напряжения

находят широкое применение в современных системах

электропитания электронных устройств. Известно, что

импульсные регуляторы обладают, как правило, более

высоким значением КПД, однако создают на выходе поме-

хи с частотой коммутации, и по этой причине не всегда

пригодны для питания схем, чувствительных к пульсациям.

Кроме того, достоинствами линейных регуляторов явля-

ются более простая схема включения (и, как следствие,

минимальное количество компонентов обвязки) и низкая

стоимость. В связи с этим у различных производителей

электронных компонентов линейные регуляторы занима-

ют важную нишу в номенклатуре микросхем управления

питанием.

СТАНДАРТНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Изначально в линейных стабилизаторах в качестве

регулирующего элемента использовался биполярный

составной npn-транзистор, управляемый биполярным

транзистором pnp-типа. Регуляторы этого типа принято

называть стандартными. Они выпускаются многими про-

изводителями и имеют, как правило, единую систему

обозначений — серии L78 и L79 (соответственно, для

положительных и отрицательных выходных напряжений).

Номенклатура компании STMicroelectronics включает сле-

дующие стандартные линейные регуляторы:

– серия L78Lxx — максимальный ток нагрузки до 0,1 А;

В статье рассматривается номенклатура линейных регуляторов, предлагаемых компанией STMicroelectronics,

а именно: стандартные регуляторы, регуляторы с малым и очень малым зна-чением падения напряжения на

регулирующем элементе. Кроме того, рассматриваются линейные регуляторы, предназначенные для управле-

ния мощными светодиодами.

АНДРЕЙ НИКИТИН, техн. консультант

Линейные регуляторы напряжения

компании STMicroelectronics

– серия L78Mxx — максимальный ток нагрузки до 0,5 А;

– серия L78xxA — максимальный ток нагрузки до 1,0 А;

– серия L78xx — максимальный ток нагрузки до 1,5 А;

– серия L78Sxx — максимальный ток нагрузки до 2,0 А.

Типовые характеристики стандартных стабилизаторов

следующие:

– максимальное входное напряжение — до 35…40 В;

– падение напряжения на регулирующем элементе —

от 1,7 В и более;

– точность стабилизации — 2…4%;

– собственный ток — 6 мА.

Несмотря на более чем скромные характеристики,

невысокая стоимость, простота применения, разнообра-

зие значений выходных напряжений и корпусов обеспе-

чивают стандартным регуляторам стабильную нишу при

создании простых и недорогих схем электропитания.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Падение напряжения на регулирующем элементе VDROP

является ключевым параметром линейного стабилизатора.

Стабилизаторы с высоким значением VDROP затруднительно

применять в устройствах с малыми входными напряже-

ниями (например, в батарейных источниках питания), с

ограничениями по мощности источников питания, в кон-

струкциях с ограниченными возможностями по отводу

тепла. Собственно говоря, стремление к снижению этого

параметра определило дальнейшую эволюцию линейных

регуляторов.

Компания STMicroelectronics разделяет выпускаемые ею

линейные регуляторы на три основные группы:

– стандартные регуляторы (с положительным или отри-

цательным выходным напряжением);

– регуляторы с малым падением напряжения (Low

DropOut — LDO);

– регуляторы с очень малым падением напряжения

(very Low DropOut — vLDO).

Учитывая тот факт, что различные производители зача-

стую вкладывают в эти термины разный смысл, постараем-

ся прояснить термин LDO.

На рисунке 1 представлены различные технологиче-

ские исполнения регулирующего элемента (проходного

транзистора) [1]:

1. Составной npn-транзистор (схема Дарлингтона),

управляемый pnp-транзистором.

2. Одиночный pnp-транзистор.

3. Одиночный npn-транзистор, управляемый pnp-

транзистором.

4. Полевой p-MOS транзистор;

5. Составной полевой n-MOS транзистор.

Как отмечалось выше, линейные стабилизаторы с

регулирующим элементом первого типа называются стан-

дартными. Поскольку у остальных типов значение падения

напряжения VDROP действительно ниже, то часто под терми-Рис. 1. Основные типы регулирующего элемента в линейных стабилизаторах

53

Электронные компоненты №3 2010

ном «LDO-регуляторы» понимают линейные регуляторы

всех этих типов.

Некоторые производители (например, National

Semiconductor) третий тип выделяют в группу т.н. «квази-

LDO», подчеркивая тем самым, что они занимают про-

межуточное положение между стандартными линейными

регуляторами 78хх и собственно LDO.

Также иногда, говоря о четвертом и пятом типах, добав-

ляют «LDO на MOS-транзисторах». Иными словами, разные

производители одним и тем же термин могут обозначать

регуляторы разных типов и, наоборот, один и тот же тип

регуляторов именовать по-разному.

Но поскольку предметом статьи являются линейные

регуляторы STMicroelectronics, то разумно, по крайней

мере, в рамках данной статьи, пользоваться терминологи-

ей этой фирмы, имея в виду, что:

– стандартные стабилизаторы используют в качестве

регулирующего элемента npn-транзистор (т.е. тип 1);

– LDO-регуляторы используют одиночный npn-

транзистор (т.е. тип 3);

– vLDO-регуляторы используют одиночный pnp-

транзистор или полевые транзисторы (т.е. типы 2, 4 и 5).

РЕГУЛЯТОРЫ С МАЛЫМ ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ (LDO)

Номенклатура и технические характеристики LDO-

регуляторов компании STMicroelectronics представлены в

таблице 1.

Как уже отмечалось, в линейных стабилизаторах этих

серий в качестве регулирующего элемента используется

одинарный npn-транзистор. За счет этого падение напря-

жения уменьшено до 1,1…1,3 В. По сравнению со стандарт-

ными регуляторами, также повышена точность установки

выходного напряжения.

Микросхемы выполнены по стандартной 3-выводной

схеме — VIN, VOUT, GND (или ADJ для стабилизаторов с регу-

лируемым выходным напряжением) и, в целом, были пред-

назначены для замены стандартных регуляторов, посколь-

ку обеспечивали совместимость по корпусам и цоколевке

выводов, но имели лучшие параметры, по сравнению с

семействами L78xx.

Номиналы выходных напряжений в таблице 1 при-

ведены из [2], однако следует иметь в виду, что с

течением времени этот перечень может претерпевать

изменения.

Данные серии также выпускаются многими произво-

дителями, и числовые коды 1084—1086, 1117 (возможно

с другими префиксами) являются общепринятыми среди

производителей электронных компонентов.

РЕГУЛЯТОРЫ С ОЧЕНЬ МАЛЫМ ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

(VLDO)

Рассматривая номенклатуру vLDO-регуляторов компа-

нии STMicroelectronics, целесообразно условно выделить

мощные регуляторы (с максимальным током нагрузки от

0,5 А) и маломощные — с током в нагрузке 50…300 мА.

Рассмотрим мощные vLDO-регуляторы, номенклатура

и технические характеристики которых представлены в

таблице 2.

В первую очередь, имеет смысл выделить две основные

серии: LD29yy0 и LD39yy0. В обозначениях: yy — макси-

мальный нагрузочный ток (например, 30...3 А; 5...0,5 А).

Стабилизаторы семейства LD29yy0 характеризуются,

во-первых, широким диапазоном входных напряжений.

Соответственно, и диапазон выходных напряжений

достаточно широк — до 8…9 В для микросхем с фикси-

рованным выходным напряжением и до 6…15 В — для

стабилизаторов с регулируемым выходом. С этой точки

зрения, они в большей степени, чем остальные семей-

ства, могут рассматриваться как замена стандартных и

LDO-регуляторов. Однако, по сравнению с остальными

семействами vLDO-регуляторов, для них характерно

большее значение падения напряжения и большее значе-

ние собственного тока.

Регуляторы семейства LD39yy0 ориентированы на

работу в системах с низковольтной нагрузкой — вход-

ное напряжение не превышает 6 В, а выходное — до

Таблица 1. Номенклатура и характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics

ИзделиеТок

нагрузки, АПадение

напряжения, ВМакс. входное напряжение, В

Точность, %Собств. ток, мА

Выходное напряжение, В

1,5 1,8 2,5 2,85 3,0 3,3 3,6 5,0 8,0 9,0 12,0 Adj.

LD1084 5,0 1,30 30 1 5 V V V V V V V V V V V

LD1085 3,0 1,30 30 1 5 V V V V V V V V V V V

LD1086 1,5 1,30 30 1 5 V V V V V V V V V V

LD1117A 1,0 1,15 15 2 5 V V V V

LD1117 0,8 1,10 15 1 5 V V V V V V V

Таблица 2. Номенклатура и характеристики мощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

ИзделиеТок нагруз-

ки, А

Падение напряже-

ния, В

Макс. входное напряжение, В

Точность, %

Собств. ток, мА

Выходное напряжение, В

0,8 1,0 1,2 1,5 1,8 2,5 3,0 3,3 5,0 6,0 8,0 9,0 12,0 Adj.

LD1580 7,0 0,40 6 1,0 V V V V

LD29300 3,0 0,40 30 1,0 45,0 V V V V V V V

LD39300 3,0 0,20 6 1,5 1,2 V V V V V

LD29150 1,5 0,40 30 3,0 30,0 V V V V V V V

LD39150 1,5 0,20 6 1,5 1,0 V V V V V

LD49150 1,5 0,20 6 1,5 4,0 V V V V

LD39100 1,0 0,20 7 2,0 0,2 V V V

LD29080 0,8 0,40 30 1,0 14,0 V V V V V V V

LD39080 0,8 0,15 6 1,5 1,0 V V V V V V

KFxxB 0,5 0,40 20 2,0 12,0 V V V V V V V V

LD39050 0,5 0,20 7 2,0 0,2 V V V V V

LFxxAB 0,5 0,40 40 1,0 12,0 V V V V V V V V V V

54

WWW.ELCP.RU

3,3 В для фиксированных напряжений. С другой сторо-

ны, регуляторы этой серии имеют вдвое меньшее (по

сравнению с регуляторами LD29yy0) падение напряже-

ния, существенно меньшее значение собственного тока

и могут быть использованы в системах распределенного

электропитания в качестве источников питания Point-of-

Load (PoL).

Серия LD49150 по основным параметрам сравнима со

своим прототипом LD39150, но поддерживает низковольт-

ные напряжения 0,8…1,0 В.

Серии KFxxB и LFxxAB ориентированы на работу в

широком диапазоне входных напряжений. Они не имеют

исполнений с регулируемым выходным напряжением,

однако номенклатура фиксированных номиналов включа-

ет не только широко распространенные номиналы, но и

довольно редко используемые. Также возможно исполне-

ние стабилизаторов с произвольным значением номина-

лов выходного напряжения (с шагом 0,1 В) на заказ.

Серия LD1580 в определенном смысле является исклю-

чением. Как правило, и линейные, и импульсные стабили-

заторы с высокими токами нагрузки (в данном случае до

7 А) исполняются в виде контроллеров, т.е. используется

внешний проходной (коммутирующий — для импульс-

ных регуляторов) транзистор, тип и параметры которого

разработчик выбирает самостоятельно. Кроме того, про-

чие производители выполняют стабилизаторы с токами

нагрузки выше 5 А по технологии «квази-LDO». В случае

LD1580 имеет место LDO-стабилизатор без каких-то

оговорок — в качестве проходного транзистора исполь-

зуется одинарный pnp-транзистор (тип 2 на рисунке 1).

Тем не менее отметим, что технические параметры этой

серии соответствуют уровню весьма высоких для отрасли

образцов.

Подводя промежуточный итог, отметим: по сравне-

нию с регуляторами «квази-LDO», падение напряжения

для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входных

напряжений снижено примерно в 3 раза, а для регулято-

ров с низковольтным входным напряжением — примерно

в 6 раз.

Далее рассмотрим номенклатуру маломощных vLDO-

регуляторов, характеристики которых сведены в таблицу 3.

Анализируя таблицу 3, можно сделать вывод: для vLDO-

регуляторов с широким диапазоном входного напряжения

значение VDROP снижено до 250 мВ и менее, а для регулято-

ров с малым входным напряжением — до 150 мВ и менее.

Значения собственных токов, за несколькими исключения-

ми, исчисляются в десятках или сотнях мкА. Как следствие,

минимизируется рассеиваемая на регуляторе мощность,

что позволяет использовать миниатюрные корпуса, сни-

жая тем самым общие габариты устройств. Кроме того,

все vLDO-регуляторы имеют вход отключения нагрузки

(Inhibit, Enable, Control и т.д.), и ток собственного потребле-

ния в выключенном режиме снимается до единиц мкА. В

результате время автономной работы прибора при пита-

нии от батарейного источника может быть значительно

увеличено.

Из серий с малым входным напряжением следует

выделить LD39015 и LD39115 с минимальными значениями

падения напряжения и тока собственного потребления.

Совокупность этих параметров делает эти регуляторы

оптимальным решением для мобильных устройств с бата-

рейным питанием.

Высокие точностные характеристики серии LD2980

позволяют их использовать в качестве источников питания

отдельных прецизионных аналоговых микросхем (напри-

мер, Point of Load).

Отметим также, что в маломощных vLDO-стабилиза-

торах практически не используются варианты с регули-

руемым выходным напряжением. За редким исключени-

ем, в этом нет необходимости, поскольку номинальные

значения серий LD2985, LD3985 перекрывают не только

типовые номиналы, но и многие достаточно экзотические

значения.

Опять же отметим, что большое количество воз-

можных номиналов выходных напряжений, постоян-

ное появление модификаций с новыми значениями

сделали нецелесообразным перечисление их всех в

таблицах 2 и 3. Полный спектр имеющихся модифика-

ций приведен в [2] и на сайте компании производителя

www.st.com.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Рассмотренные выше линейные регуляторы имели уни-

версальный характер, т.е. область их применения изначаль-

но была не определена (хотя совокупность их параметров,

возможно, делала эти регуляторы весьма приемлемыми для

отдельных приложений). Наряду с универсальными регуля-

торами компания STMicroelectronics выпускает регуляторы

под конкретные приложения, а именно:

– линейные регуляторы для LNB-конверторов (LNB —

Low Noise Block) спутниковых антенн (семейства LNBK и

LNBP);

– регуляторы для зарядных устройств аккумуляторных

батарей;

Таблица 3. Номенклатура и характеристики маломощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

ИзделиеТок нагруз-

ки, А

Падение напряже-

ния, В

Макс. вход-ное напря-

жение, ВТочность, %

Собств. ток, мА

Выходное напряжение, В

0,8 1,2 1,5 1,8 2,5 2,8 3,0 3,3 3,5 4,0 4,7 5,0 12,0 Adj.

LD3980 0,3 0,13 4 1,0 0,1 V V

LDS3985 0,3 0,40 6 3,0 0,2 V V V V V V

L4931xxAB 0,25 0,40 20 1,0 4,0 V V V V V V

LD2985 0,15 0,28 16 1,5 2,0 V V V V V V V V V

LD3985 0,15 0,10 6 3,0 0,17 V V V V V V V V V

LD39015 0,15 0,08 6 2,0 0,04 V V V V V V

LD39115 0,15 0,08 6 2,0 0,04 V V V V V V

LD2981 0,1 0,17 16 0,8 1,0 V V V V V V V

LExxAB 0,1 0,20 20 1,0 1,5 V V V V V V V V

LK115 0,1 0,20 20 3,0 0,3 V V V V V

LM2931 0,1 0,25 40 3,0 2,5 V V V V

LD2979 0,05 0,20 16 2,0 0,5 V V V V

LD2980 0,05 0,12 16 0,5 0,5 V V V V V V V

55

Электронные компоненты №3 2010

– линейные регуляторы — драйверы мощных свето-

диодов (серии STC, STBC).

Последние рассмотрим более подробно. В этой линейке

компания STMicroelectronics предлагает три микросхемы:

STCS05, STCS1 и STCS2 (а также их модификации с суффик-

сом A), которые обеспечивают стабилизацию тока, соответ-

ственно, 500 мА, 1 и 2 А.

Известно, что светодиод является электронным прибо-

ром, который управляется величиной протекающего через

него тока. Стабилизатор (как линейный, так и импульсный) с

регулируемым выходным напряжением можно использовать

в качестве источника стабилизированного тока для свето-

диода, если вместо верхнего резистора в делителе включить

светодиодную нагрузку, что иллюстрируется рисунком 2.

Рисунки 3 и 4 иллюстрируют, соответственно, функцио-

нальную схему регуляторов серии STCS и типовую схему

их включения.

В первую очередь, обратим внимание на следующее. В

традиционных линейных регуляторах проходной транзи-

стор включен между выводами VIN и VOUT. А светодиодная

нагрузка (см. рис. 2) — между выходом VOUT и выводом

цепи обратной связи FB. На рисунках 3 и 4 ситуация обрат-

ная — светодиодная нагрузка включена между выводами

VIN и DRAIN (выполняет функцию VOUT), а проходной тран-

зистор — между выводами DRAIN и FB. Это не имеет суще-

ственного значения, поскольку и в первом, и во втором

случаях транзистор и светодиодная нагрузка включены

последовательно. Как и на рисунке 2, резистор RFB задает

величину стабилизированного тока, протекающего через

светодиодную нагрузку. Формула зависимости тока, про-

текающего через светодиоды, от номинала резистора при-

ведена в [3].

Вход EN выполняет функцию разрешения работы ста-

билизатора. Низкий уровень сигнала на этом входе отклю-

чает стабилизатор от нагрузки. Для полного включения

светодиода (естественно, с учетом номинала резистора

RFB) на вход PWM подается постоянный высокий уровень.

При необходимости диммирования (управления световым

потоком) — ШИМ-сигнал, причем его скважность про-

порциональна излучаемому световому потоку. Выход DISK

является признаком нормальной работы стабилизатора

(по аналогии с PowerGood).

Какие возможности предоставляют данные драйверы?

Известно, что светодиод номинальной мощностью 1 Вт

питается током 350 мА. Светодиоды мощностью 3 и 5 Вт

питаются током порядка 800 и 1200 мА, соответственно.

Следовательно, микросхемы STCS05, SNCS1 и STCS2 в

первую очередь предназначены для работы с цепочками

1-, 3- и 5-Вт светодиодов. Число светодиодов, последова-

тельно включенных в цепочку, определяется значением

прямого напряжения на светодиоде (для белых свето-

диодов — в диапазоне 3,2…4,0 В) и значением входного

напряжения. Естественно, что при достаточной величине

тока несколько аналогичных цепочек можно включить

параллельно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая линейные регуляторы компании

STMicroelectronics, нельзя не заметить преемственность в

переходе от предыдущей линейки к следующей: сначала

от стандартных регуляторов к LDO, затем от LDO к vLDO.

В ряде случаев это если и не прямая замена, то замена с

минимальными затратами сил и времени. В номенклатуре

STMicroelectronics минимальное количество изделий с

дополнительными функциями (контроль входного пита-

ния, флаг ошибки, управление сбросом микросхем нагруз-

ки и т.д.). Упор делается на улучшение ключевых параме-

тров, минимизацию рассеиваемой мощности, переход на

корпуса с минимальными размерами.

Образцы и опытные партии линейных регуляторов напря-

жения всегда можно приобрести со склада компании КОМПЭЛ

www.compel.ru. Москва: тел.(495) 9950901, E-mail: msk@compel.ru,

Санкт-Петербург: (812) 3279404, E-mail: spb@compel.ru

ЛИТЕРАТУРА

1. Обзор линейных стабилизаторов напряжения LDO-типа

фирмы National Semiconductor//Электроника-инфо. № 4—6. 2006.

2. Linear and switching voltage regulators. Документ sglin-

reg0907.pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/

products/promlit/pdf/sglinreg0907.pdf.

3. STCS1. 1.5 A max constant current LED driver. Документ stcs1.

pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/products/

literature/ds/13415/stcs1.pdf.

Рис. 3. Функциональная схема линейных регуляторов серии STCS

Рис. 4. Типовая схема включения линейных регуляторов серии STCS

Рис. 2. Регулятор постоянного напряжения и регулятор постоянного тока

56

МО

БИ

ЛЬ

НЫ

Е У

СТ

РО

ЙС

ТВ

А

WWW.ELCP.RU

В статье описаны основные принципы снижения энергопотребления в

современных портативных устройствах. На примере интеллектуально-

го драйвера подсветки дисплея показано, как увеличить энергоэффектив-

ность системы и, в то же время, обеспечить выполнение различных функ-

ций управления дисплеем, а также упростить конструкцию печатных

плат. Статья представляет собой перевод [1].

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ

УМЕНЬШАЮТ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

И УПРОЩАЮТ РАЗВОДКУ ПЕЧАТНЫХ

ПЛАТ В ПОРТАТИВНЫХ СИСТЕМАХКЕН МАРАСКО (KEN MARASCO), менеджер технической поддержки, Analog Devices

Продолжается бурное развитие

портативных электронных устройств.

Каждое новое поколение этих про-

дуктов включает в себя все больше

функций. Требования к периферийным

блокам этих устройств становятся все

более универсальными, т.к. источники

питания, порты и интерфейсы человек-

машина используют одинаковые прин-

ципы.

КАК ДОБИТЬСЯ НИЗКОГО

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

ПОЛНОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ

С увеличением количества функ-

ций и ростом производительности

этих систем возрастает необходимость

управления мощностью рассеяния по

нескольким причинам.

1. С ростом функциональной плот-

ности этих устройств растет также рас-

сеиваемая мощность. Успехи техноло-

гии производства полупроводников

позволяют отчасти смягчить данную

тенденцию, но только этого недоста-

точно.

2. Несмотря на расширение функ-

циональности этих устройств, рынок

требует уменьшить их габариты, что

также увеличивает плотность рассеи-

ваемой мощности. Возникают ограни-

чения, связанные с требованиями к

интерфейсу человек-машина и опреде-

ляемые стандартами, которые регули-

руют механическую и электрическую

надежность приборов.

3. С уменьшением габаритных раз-

меров устройств уменьшается также

доступное пространство для размеще-

ния источников питания. Несмотря на

успехи в развитии технологий батарей,

особенно литиево-ионных, ограниче-

ние доступного пространства не позво-

ляет OEM-производителям существенно

увеличить емкость элементов питания.

Подходы OEM-производителей к

снижению энергопотребления про-

дуктов также претерпели изменения.

Можно выделить несколько уровней

стратегии компаний в этой области.

Стратегия первого уровня заклю-

чается в увеличении эффективно-

сти подсистемы управления мощно-

стью, включая минимизацию потерь

в DC/DC-преобразователях, LDO-

стабилизаторах, а также схемах управ-

ления и защиты батарей.

Данный подход зависит в основном

от способности вендоров полупро-

водниковых приборов производить

компоненты и интегральные схемы,

которые рассеивают меньше мощно-

сти, чем другие подобные устройства.

В результате инженеры OEM-компании

вынуждены идти на компромисс между

энергоэффективностью компонентов,

их стоимостью и размером корпуса.

Несмотря на то, что эта стратегия

поначалу была довольно эффективна,

рынок компонентов, по большей части,

уже реализовал возможности в данном

направлении. Как и в случае с анало-

говыми и аналого-цифровыми микро-

схемами, компоненты, появившиеся в

итоге применения данной стратегии, не

получили того значительного преиму-

щества при переходе на новые техно-

логические нормы и масштабировании

кристалла, какое приобрели цифровые

схемы.

Стратегия второго уровня заклю-

чается в отключении питания части

системы или микросхемы, которая не

используется в текущий момент време-

ни. Эта стратегия была особенно эффек-

тивна для крупных потребителей энер-

гии, таких как РЧ-устройства или блоки

подсветки дисплея, но также позволяет

увеличить время работы устройства на

одной зарядке путем отключения даже

такой умеренной нагрузки как звуковая

подсистема, порты ввода/вывода или

энергонезависимая конфигурационная

память. Например, выпускающиеся в

настоящее время мобильные телефоны

имеют 20 и более отдельных областей

питания.

Помимо снижения рассеиваемой

мощности за счет переключения в

дежурный режим наиболее мощ-

ных схем, данный подход помогает

уменьшить рассеиваемую мощность

в статическом режиме, когда система

отключает тактируемую часть схемы.

Поскольку технология изготовления

интегральных схем постоянно совер-

шенствуется в направлении уменьше-

ния минимальных размеров элемен-

тов, эта стратегия успешно заменила

метод управления тактового сигнала

для снижения токов потребления в

статическом режиме.

Данная стратегия зависит от

совместных усилий разработчиков

системной архитектуры, программи-

стов и поставщиков ASIC. Несмотря на

достигнутые успехи, этот подход был в

некоторой степени ограничен ростом

числа дополнительных функций, реа-

лизуемых в приложении. Он вынуждал

разработчиков использовать все более

мощные и энергоемкие вычислитель-

ные ресурсы. Например, сотовые теле-

фоны перешли с процессоров ARM-7 на

ARM-9 и ARM-11 для увеличения ресур-

сов контроллера широкополосного

доступа и решения вспомогательных

задач. Подобная тенденция наблюдает-

ся и в отношении других портативных

устройств.

Стратегия третьего уровня направ-

лена на снижение энергии, используе-

мой различными функциональ ными

блоками без ущерба для произво-

дительности. Один из таких методов

заключается в применении интеллек-

туального управления функциями,

МО

БИ

ЛЬ

НЫ

Е У

СТ

РО

ЙС

ТВ

А

57

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 1. Интеллектуальный контроллер подсветки экономит энергию за счет разгрузки главного процессо-ра. Контроль уровня внешней освещенности дополнительно повышает энергоэффективность системы

которые, например, не требуют зна-

чительных вычислительных ресурсов

процессора широкополосного досту-

па или процессора приложений.

Эта стратегия позволяет процессору

передавать многие свои функции полу-

автономным периферийным контрол-

лерам. В результате необходимость

использования полных вычислитель-

ных ресурсов процессора уменьшается,

и его переход из дежурного в рабочий

режим происходит значительно реже.

Примером такого подхода служит

интеллектуальный драйвер подсветки

дисплея.

РОЛЬ МИКРОУПРАВЛЕНИЯ

ДЛЯ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ

Пользователям портативных элек-

тронных устройств важно, чтобы экран

дисплея обеспечивал отчетливое ото-

бражение информации в широком диа-

пазоне условий внешнего освещения.

В современных портативных устрой-

ствах для реализации этого использу-

ется фотодиод или фототранзистор,

который измеряет уровень внешнего

освещения как входной параметр для

управления драйвером подсветки.

Фотодатчику требуются цепи фор-

мирования сигнала: постоянное сме-

щение для возбуждения датчика, схемы

усиления и аналого-цифрового преоб-

разования или, как минимум, один или

два уровня порогового детектирова-

ния. Главный процессор контролирует

выходной сигнал фотодатчика с перио-

дичностью цикла преобразования дан-

ных через аналоговые порты ввода/

вывода кристалла или внешние схемы.

Это происходит с частотой от одного

до нескольких циклов преобразова-

ния в секунду. Затем контроллер счи-

тывает результаты преобразования и

определяет один из трех уровней осве-

щенности, соответствующих условиям

дневного освещения, хорошо освещен-

ного помещения и тусклого освещения,

например в гостиной, ресторане или

ночном клубе.

Далее процессор формирует управ-

ляющие сигналы для драйвера под-

светки, который обеспечивает один

из трех возможных уровней тока для

питания цепочки светодиодов. Это и

есть одна из форм микроуправления,

т.е. центральный энергоемкий про-

цессор передает часть своих функций

другим блокам системы с меньшими

эксплуатационными расходами. Такой

подход обеспечивает тройную выгоду:

снижение энергопотребления, умень-

шение числа компонентов и упроще-

ние разводки печатной платы. Ниже

перечислены основные преимущества

этой стратегии.

ВЫИГРЫШ 1: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ

ДРАЙВЕРЫ РАЗГРУЖАЮТ

ПРОЦЕССОР

Измерения показывают, что интел-

лектуальный драйвер подсветки

ADP5520 обеспечивает экономию энер-

гопотребления при управлении от

микроконтроллера и, в то же время,

работает автономно при управлении

подсветкой дисплея. Драйвер ADP5520

содержит асинхронный повышающий

преобразователь, программируемый

блок управления подсветки, в зави-

симости от интенсивности внешнего

освещения, конечный автомат и конфи-

гурируемый расширитель порта, кото-

рый обеспечивает дополнительную

экономию ресурсов системы.

Повышающий преобразователь

способен управлять токами шести

белых последовательно соединенных

светодиодов, падение напряжения на

которых составляет 24,5 В при управ-

ляющем токе 30 мА. Блок измерения

интенсивности внешнего освещения

обеспечивает преобразование уров-

ней сигналов датчика света и, работая

совместно со встроенным конечным

автоматом и повышающим контролле-

ром, 128 уровней тока через светодиод

в диапазоне 0…30 мА.

При выполнении процессором

только сервисных функций контроля

освещенности, ADP5520 обеспечивает

15-% увеличение времени работы на

одной зарядке батареи при тестирова-

нии, моделирующем различные вари-

анты эксплуатации сотового телефона

(см. рис. 1). Включение этапа измере-

ния уровня внешней освещенности в

процесс управления, используемый

драйвером ADP5520, улучшает время

работы в дежурном режиме на одной

зарядке на 50%, по сравнению с исхо-

дным режимом работы. Приведенные

кривые характеризуют варианты экс-

плуатации сотового телефона, в кото-

рых не требуется работа РЧ-блока,

например, такие как игры, просмотр и

составление текстовых сообщений или

режим фотоаппарата.

Часто разработчикам необходи-

мо реализовать функцию постепен-

ного изменения яркости дисплея

вместо переключения уровня под-

светки. Для выполнения этой задачи

требуется активное взаимодействие

блоков управления подсветкой с про-

цессором, что значительно увели-

чивает его загрузку по сравнению с

включением/отключением подсветки.

Интеллектуальный драйвер светодио-

дов ADP5520 способен реализовать

различные законы изменения тока све-

тодиода, включая линейный, квадра-

тичный и кубический, что в еще боль-

шей мере снижает загрузку процессора

(см. рис. 2). Драйвер конфигурируется с

помощью дискретных значений време-

ни увеличения и уменьшения яркости

в диапазоне 300 мс…5,5 с. Встроенный

таймер регулировки яркости со сбро-

сом программируется на один из 15

интервалов в диапазоне 10…120 с.

ВЫИГРЫШ 2: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ

ДРАЙВЕРЫ ОБЕСПЕЧИВАЮТ

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ФУНКЦИИ

Кроме энергосбережения, интел-

лектуальные драйверы способны реа-

лизовать другие функции управления

периферией, не требующие высокой

производительности. Например,

ADP5520 содержит конфигурируемый

расширитель порта, который обеспечи-

вает восемь линий ввода/вывода.

В данном устройстве две линии

ввода/вывода можно объединить с тре-

тьим специализированным выводом в

качестве независимого источника тока

для светодиодов, который обеспечи-

вает программируемую регулировку

яркости подсветки, включение/отклю-

чение и режим мерцания (см. рис. 3).

58

МО

БИ

ЛЬ

НЫ

Е У

СТ

РО

ЙС

ТВ

А

WWW.ELCP.RU

Остальные выводы можно запрограм-

мировать в качестве кнопок клавиату-

ры или как линии ввода/вывода общего

назначения.

Эти дополнительные драйверы обе-

спечивают ток 0…14 мА и 64-шаговую

регулировку яркости. Как и основ-

ной источник тока, вспомогательные

драйверы обеспечивают управление

включением/отключением или плав-

ную регулировку яркости подсветки по

линейному или нелинейному законам.

ВЫИГРЫШ 3: ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДРАЙВЕРОВ

УМЕНЬШАЕТ ЧИСЛО ПРОВОДНИКОВ

НА ПЛАТЕ

Интерфейс I2C реализован для пере-

дачи конфигурационных данных от

процессора к интеллектуальному драй-

веру и обратной пересылки в процес-

сор данных состояния; для информа-

ции с портов ввода/вывода или сигнала

о нажатии на клавишу в ADP5520. Это

дает возможность упростить тополо-

гию печатной платы в портативных

электронных приборах за счет умень-

шения числа компонентов и проводни-

ков между периферией и контролле-

ром.

Экономия числа межсоединений

еще больше в случае, когда в сотовом

телефоне используется поворотный

или ползунковый механизм сопряже-

ния, который разделяет дисплей, инди-

каторы и клавиатуру от процессора. В

этом случае интеллектуальный драй-

вер светодиодов со встроенным рас-

ширителем порта может существенно

уменьшить размеры и стоимость гибко-

го кабеля, соединяющего части устрой-

ства (см. рис. 4).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ken Marasco. Smart drivers reduce

energy use and PCB clutter in portable electronic

systems//www.planetanalog.com.

Рис. 2. Интеллектуальный драйвер светодиодов ADP5520 способен реализовать несколько кривых изме-нения яркости подсветки без участия процессора

Рис. 3. Две линии ввода/вывода драйвера ADP5520 можно запрограммировать в качестве источника тока для индикаторных светодиодов. Вместе со специальным источником тока каждый из этих выводов обе-спечивает ток не менее 14 мА и реализует простое включение/отключение или 64-шаговую регулировку яркости подсветки

Рис. 4. Расширение порта драйвера ADP5520 позволяет уменьшить число линий, соединяющих драйвер с процессором, для реализации простого интерфейса. Такой подход обеспечивает снижение затрат при передаче сигналов через поворотный или ползунковый механизм сопряжения частей устройства (например, в сотовом телефоне)

59

Электронные компоненты №3 2010

На платах портативных и переносных приборов широко

используются компоненты для поверхностного монтажа,

поскольку SMD-компоненты, как правило, имеют меньшие

размеры и массу, по сравнению с компонентами с вывода-

ми для монтажа в отверстия. Кроме того, печатные платы

для поверхностного монтажа имеют повышенную плот-

ность размещения электронных элементов, а при установ-

ке компонентов с двух сторон платы можно уменьшить ее

площадь и, в результате, объем конечного изделия. За счет

SMD-монтажа снижается себестоимость из-за небольшой

площади платы, автоматизированной сборки и меньшего

количества используемых материалов.

Для поверхностного монтажа компания PEAK Electronics

выпускает следующие преобразователи напряжения в

SMD-корпусах:

– DC/DC-преобразователи мощностью 0,25...3 Вт;

– импульсные стабилизаторы PSRS-78 с выходным

током 0,5 А;

– DC/DC-драйверы светодиодов PLED-SD со стабилизи-

рованным выходным током 300...700 мА.

Изделия PEAK соответствуют требованиям директивы

по содержанию вредных веществ RoHS, что обозначено

суффиксом LF в маркировке на корпусе и в конце наимено-

вания изделия.

DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ PEAK В КОРПУСАХ ДЛЯ

ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

DC/DC-преобразователи PEAK в корпусах для поверх-

ностного монтажа выпускаются в диапазоне мощ-

ностей 0,25...3 Вт с однополярным или двуполярным

выходом. Варианты входного напряжения: 3,3…24 В.

Преобразователи имеют достаточно высокий КПД

78—80% и не требуют дополнительного охлаждения во

всем диапазоне рабочих температур –40...85°C. Все ком-

поненты на печатной плате преобразователя внутри его

корпуса установлены методами поверхностного монтажа.

Монтаж SMD-компонентов на поверхность печатной платы позволяет уменьшить ее размеры и объем пере-

носного прибора. Компания PEAK Electronics предлагает для поверхностного монтажа DC/DC-преобразователи

серий PSD, PEV, PES мощностью 0,25...3 Вт, импульсные стабилизаторы PSRS-78 с выходом 3,3...15 В и модульные

драйверы светодиодов PLED-SD для применения в составе мобильных портативных приборов.

СЕРГЕЙ КРИВАНДИН, техн. руководитель направления «Источники питания», «Компэл»

АНДРЕЙ КОНОПЕЛЬЧЕНКО, инженер-консультант, «Компэл»

DC/DC-преобразователи PEAK

в SMD-корпусах для портативных

и мобильных приборов

Выпускаются изделия с разными вариантами электриче-

ской прочности изоляции вход-выход: 1; 1,5 или 3 кВ посто-

янного тока. Наименования серий и основные параметры

преобразователей приведены в таблице 1, а внешний

вид — на рисунке 1. Для удобства разработчиков в табли-

це приведены аналоги DC/DC-преобразователей других

популярных производителей.

Мощность преобразователей серий PSDy, PMA, PME

с «узким входом» Uвх±10% может быть 0,25; 0,5 или 1 Вт.

Изделия серий PSDy имеют одинаковое расположение и

назначение выводов и рисунок контактных площадок на

печатной плате. Это удобно, т.к. в вариантном исполнении

аппаратуры можно ставить DC/DC-преобразователи разной

мощности на одно и то же место унифицированной печат-

ной платы. Новое поколение серий PMA, PME отличается от

других серий DC/DC-преобразователей PEAK мощностью

1 Вт наличием всех выводов, что обеспечивает большую

механическую прочность и большую надежность при пайке

выводов преобразователя к контактным площадкам.

Преобразователи серий PES2 и PES3 мощностью 2 или

3 Вт, соответственно, выпускаются в одном и том же корпу-

се, имеют «широкий» вход 2:1 и стабилизированное выход-

ное напряжение.

Повышенную электрическую прочность изоляции вход-

выход 3 кВ постоянного тока имеют преобразователи серий

PSD/EH30 и PEV3. В составе серии PEV3 имеются модели как

с однополярным, так и с двуполярным выходами.

Следует отметить, что рассматриваемые преобразо-

ватели напряжения не предназначены для работы без

нагрузки: необходимо обеспечить ток нагрузки не менее

10% от максимальных значений для каждой модели, ука-

занных в фирменном описании (data sheet) изделия.

Все обсуждаемые DC/DC-преобразователи (см. табл.1)

имеют имеют стандартные для этого класса продукции

электрические параметры, назначение и расположение

выводов. Применение этих преобразователей — универ-

Рис. 1. Внешний вид преобразователей напряжения PEAK для поверхностного монтажа: а) серия PSD; б) серия PMA/PME; в) серия PES

а) в)б)

60

WWW.ELCP.RU

сальное: они используются в любой радиоэлектронной

аппаратуре для получения другого номинала питающего

напряжения, гальванической развязки цепей, реализации

двуполярного напряжения относительно средней точки,

стабилизации напряжения питания (серия PES).

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ PSRS-78 С ВЫХОДНЫМ

ТОКОМ 0,5 А

Для стабилизации напряжения питания микроконтрол-

леров, микропроцессоров, ПЛИС применяются импульс-

ные стабилизаторы: изделия с широким входом и высоким

КПД. В SMD-корпусе PEAK Electronics выпускает серию

PSRS-78xxLF (см. табл. 2).

Основные параметры преобразователей серии PSRS-78xxLF:

– выходной ток 500 мА;

– ряд выходных напряжений 3,3; 5; 12 или 15 В;

– дистанционное включение/выключение;

– подстройка выходного напряжения;

– широкий вход до 28 В;

– точность установки выходного напряжения ±2%

(типовое значение);

– высокий КПД 90—96%;

– защита от короткого замыкания.

Импульсные стабилизаторы имеют высокий КПД,

низкое собственное энергопотребление, не нуждаются

в радиаторе, занимают мало места на плате, что очень

востребовано в портативных приборах и устройствах

с батарейным питанием. Преобразователи PSRS-78xxLF

работают в диапазоне температур –40…71°C без ограниче-

ния выходной мощности и не требуют специальных мер по

отводу тепла. Типовая схема включения PSRS-78xxLF при-

ведена на рисунке 2.

В устройствах с батарейным питанием следует отклю-

чать неиспользуемые в текущем режиме работы цепи.

Стабилизатор PSRS-78 и питаемые им цепи можно выклю-

Таблица 1. Параметры DC/DC-преобразователей PEAK в SMD-корпусах для портативных приборов

СерияТип корпуса,

(размеры)Pвых., Вт Изоляция, кВ

Варианты входного напряжения, В

Варианты выходного напряжения, В

Аналоги TRACO Аналоги Aimtec

DC/DC-преобразователи с «узким» входом Uвх±10%

PSDVSMD 8

(12,7×7,5×6,3 мм)0,25

1

5; 12; 24

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15

—

AM1/4L-NZ

PSDLSMD 8

(12,8×8,2×7,3 мм)0,5

Суффикс S:5; 9; 12; 15

—

PSD

SMD 8 (1 выход)(12,7×7,5×6,3 мм)

SMD 10 (двуполярный выход)

(15,24×7,5×6,5 мм)

1

3,3; 5; 12; 24

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15; 24

Суффикс Z:±5; ±9; ±12; ±15; ±24

TES 1 AM1L-NZ

PME*SMD 8

(12,7×7,5×6,3 мм)Один выход:

3,3; 5; 9; 12; 15; 24— AM1L-S-NZ

PSD/EH30SMD 8

(12,7×7,5×6,3 мм)3 3,3; 5; 12

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15

— —

PMA*SMD 12

(15,24×7,5×6,5 мм)1 5; 12; 24

Двуполярный выход: ±5; ±9; ±12; ±15; ±24

— AM1L-D-NZ

PEV3SMD 12

(15,24×7,5×6,5 мм)3 3,3; 5; 12

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15

Суффикс Z:±5; ±9; ±12; ±15

TES 1V AM1L-H30-NZ

DC/DC-преобразователи с «широким» входом 2:1

PES2SMD 16

(23,86×13,70×8,0 мм)2 1,5

9...18 (12 В);18...36 (24 В)

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15

Суффикс Z:±5; ±12; ±15

TES 2N AM2LV-NZ

PES3SMD 16

(23,86×13,70×8,0 мм)3 1,5

9...18 (12 В);18...36 (24 В);36...72 (48 В)

Суффикс E:3,3; 5; 9; 12; 15

Суффикс Z:±5; ±12; ±15

TES 3 (другой корпус)

—

* Особенность корпуса — наличие всех 8 или 12 выводов, соответственно, что увеличивает механическую прочность и надежность конструкции.

Рис. 2. Типовая схема включения импульсного стабилизатора PSRS-78

Таблица 2. Варианты моделей импульсных стабилизаторов PSRS-78 в SMD-корпусе с выходным током 500 мА компании PEAK

Фото Наименование Uвых., В Диапазон подстройки Uвых., В Uвх., В КПД при Uвх. макс,%

PSRS-783R3LF 3,3 1,8...5,5 4,5...28 90

PSRS-7805LF 5 2,5...8,0 6...28 94

PSRS-7812LF 12 4,5...13,5 14...28 95

PSRS-7815LF 15 4,5...15,5 17...28 96

62

WWW.ELCP.RU

чать и включать дистанционно, используя вывод 10 «ON/OFF».

Потребление по цепи управления невелико и составляет

2 мкА. В выключенном состоянии основные цепи преобра-

зователя PSRS-7805LF потребляют из входной цепи постоян-

ного тока 15 мА.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим примеры применения DC/DC-преобразо-

вателей для гальванической развязки узлов, преобразо-

вания или стабилизации напряжения.

Обобщенная структурная схема измерительного при-

бора приведена на рисунке 3. В ней АЦ — аналоговая

цепь, которая может содержать датчики, операционные

усилители (ОУ) и другие аналоговые устройства; АЦП —

аналого-цифровой преобразователь; ЦИ — цифровой

изолятор, ЦЦ — цифровая цепь; DC/DC-преобразователь

постоянного напряжения; ЦАП — цифро-аналоговый пре-

образователь. Гальваническую развязку цифровых сигна-

лов обеспечивает цифровой изолятор. Ему необходимо

два напряжения питания, гальванически развязанных

между собой, что осуществляет DC/DC-преобразователь

напряжения.

В приборе, как правило, имеется лишь один источ-

ник напряжения: шина питания или аккумуляторная

батарея, а в каждом узле — свое напряжение питания.

И развязку по питанию, и преобразование напряжения

батареи в напряжение питания интегральных схем

можно осуществить с помощью компактных мало-

мощных DC/DC-преобразователей с изоляцией «вход-

выход». Типичные значения напряжений питания ОУ,

АЦП и ЦАП, источников опорного напряжения (ИОН),

интегральных схем гальванической развязки и воз-

можные серии преобразователей PEAK приведены в

таблице 3.

Выходное напряжение аккумуляторной батареи со

временем уменьшается, а для питания микропроцес-

сора требуется стабильное напряжение, которое жела-

тельно получить с низкими потерями при преобразо-

вании. Эту двойную задачу можно решить, применив

импульсные стабилизаторы (DC/DC-преобразователи

без развязки «вход-выход») серий PSRS-78xxLF, PSR-

78xxLF (0,5 А) или PSR1-78xxLF (1 А), которые обладают

высоким КПД до 96% и не требуют дополнительного

отвода тепла. Кроме того, эти преобразователи имеют

ультраширокий вход (см. табл. 2) и при разряде батареи

обеспечивают стабильное напряжение питания микро-

процессора.

DC/DC-преобразователи используются также в распре-

деленных системах питания для получения напряжения

питания платы и развязки отдельных плат между собой.

Обобщенная структурная схема такой системы приведе-

на на рисунке 4. На нем У — узел устройства, n — номер

узла. При практической реализации этой схемы DC/DC-пре-

образователи должны располагаться на одной печатной

плате с устройством. Это позволяет увеличить надеж-

ность и устойчивость к помехам и уменьшить потери в

системе питания. В компактных электронных устройствах

можно использовать различные комбинации обсуждае-

мых DC/DC-преобразователей.

Таблица 3. Типичные напряжения питания узлов измерительного прибора и возможные DC/DC-преобразователи PEAK

Название элемента Напряжение питания, В DC/DC-преобразователи PEAK

ОУ ± 5…20 PSD-Z, PMA-T, PEV3-Z, PES2-Z, PES3-Z

АЦП 1,2…8PEV3-E, PSD-E, PME-T, PES2-E, PES3-E

ЦАП 5…20

ИОН 1,8…40 PSDL-E, PSDV-E

ИС гальванической развязки 2,7…6 PEV3-E, PSD-E, PME-T, PES2-E, PES3-E

МОДУЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ

Для питания светодиода требуется обеспечить посто-

янство значения протекающего через него тока, величина

которого определяется требуемой оптимальной яркостью

и цветом свечения светодиода.

Главным достоинством модульных драйверов свето-

диодов является простота применения: они не требуют

подключения внешних компонентов и используются по

принципу «Включил — и работает». Эта простота дополни-

тельно позволяет разработчику быстро состыковать драй-

вер со своей схемой управления яркостью свечения свето-

диодов. Все это ускоряет проектирование нового изделия

и увеличивает скорость его выхода на рынок, что является

главнейшим условием динамичного развития и устойчиво-

го положения компании в современных условиях.

Компания PEAK Electronics выпускает четыре серии

модульных DC/DC-драйверов светодиодов PLED, PLED-S

и PLED-T в корпусах типа DIP с выходными токами

300…1200 мА и PLED-SD в SMD-корпусе с выходными тока-

ми 300…700 мА, в зависимости от модели (см. табл. 4).

Основные параметры модулей PLED-SD:

– диапазон входного напряжения 5...36 В;

– стабилизированный выходной ток;

– возможность управления выходным током;

– дистанционное включение/выключение;

– диапазон рабочих температур –40...85°С или

–40...71°С, в зависимости от модели.

Модули драйвера PLED и питаемые им светодиоды

можно включать и выключать дистанционно, что востре-

бовано в устройствах с батарейным питанием. На вывод

Ctrl (Control — управление) подается сигнал с выхода

микроконтроллера или с аналогового делителя напря-

Рис. 3. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

Рис. 4. Структурная схема распределенной системы питания, например, с входным напряжением 24 В

DC/DC

63

Электронные компоненты №3 2010

жения. Потребление по цепи управления не превышает

1 мА. Собственное потребление модуля в ждущем режиме

составляет 0,8 мА.

Яркостью свечения светодиодов можно управлять

через 7-й вывод DIM. На него подают аналоговое управ-

ляющее напряжение или сигнал с ШИМ (см. рис. 5). Если

функции дистанционного включения/выключения или

управления яркостью свечения светодиодов не востребо-

ваны в конкретной задаче, соответствующий вывод драй-

вера можно никуда не подключать.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ PEAK НА САЙТЕ CATALOG.COMPEL.RU

На сайте нашей компании http://catalog.compel.ru представ-

лена информация о поставляемых электронных компонентах

и модулях. Сайт содержит подробный каталог и систему пара-

метрического поиска. Для поиска преобразователей напря-

жения PEAK сначала следует выбрать тип требуемого компо-

нента, например: Источники питания → DC/DC. На экране

появится окно, в котором задаются параметры, например,

входное напряжение 12 В, производитель (бренд) PEAK.

Щелкнув мышью наименование подходящего изделия,

можно открыть окно с основными техническими параме-

трами на русском языке, фирменным описанием произво-

дителя и указанием наличия на складе и цены компонен-

тов в зависимости от запрашиваемого количества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные DC-DC преобразователи компании PEAK

можно применить в любом портативном или переносном

приборе промышленного или бытового применения: изме-

рителях параметров технологических процессов, материа-

лов, покрытий, бытовых медицинских приборах и т.д. Все

упомянутые серии преобразователей поддерживаются на

складе в Москве и доступны для применения как в опыт-

ных образцах, так и в промышленных партиях мобильных

приборов.

Таблица 4. Варианты моделей драйверов светодиодов PEAK в корпусе для поверхностного монтажа

Фото Наименование Iвых., мA Диапазон Uвых., В Uвх., В КПД при Uвх. макс,%

PLED-SD-300LF 300

2...32 5,5...36 (24) 95

PLED-SD-350LF 350

PLED-SD-500LF 500

PLED-SD-600LF 600

PLED-SD-700LF 700

Рис. 5. Типовая схема включения драйвера светодиодов PLED-SD

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМА

| ABI RESEARCH ПРОГНОЗИРУЕТ, ЧТО ПРОДАЖИ ПРОДУКТОВ, СВЯЗАННЫХ С ТЕЛЕПРИСУТСТВИЕМ, ДОСТИГНУТ

2,7 МЛРД ДОЛЛ. К 2015 Г. | Телеприсутствие (telepresence) — это видеоконференции на новом технологическом уровне: их

участники ощущают, что находятся в одной комнате. Согласно исследованию ABI Research, несмотря на тяжелую экономи-

ческую обстановку, продажи аппаратных и программных средств, а также услуг, связанных с технологией телеприсутствия,

составили в 2009 г. 567 млн долл.

Практически любые компании имеют возможность получить доступ к службам телеприсутствия и видеоконференций.

Поставщики этих услуг предлагают персональные и групповые решения по телеприсутствию на базе HD-видео.

Расширение возможностей доступа к продуктам и сервисам, связанным с телеприсутствием, является критически важ-

ным для поддержания устойчивого роста этого рынка.

Другими важными тенденциями развития этого рынка после 2010 г. станут: смена устаревших систем для видеоконфе-

ренций и расширение совместимости систем телеприсутствия; совершенствование технологии телеприсутствия с помо-

щью использования таких функций как электронные доски (whiteboards), предоставление доступа к документам и исполь-

зование веб-камер; рост «облачных» услуг, связанных с телеприсутствием, от таких вендоров как Glowpoint, BT Onesource,

Verizon и AT&T, а также создание продуктов в области телеприсутствия для мобильных пользователей и таких устройств

как ноутбуки и смартфоны.

www.russianelectronics.ru

| «РОСТЕЛЕКОМ» ПОКРОЕТ РОССИЮ БЕСПРОВОДНЫМИ СЕТЯМИ 4G | «Ростелеком» (входит в состав государственного

холдинга «Связьинвест») планирует развернуть мобильные сети четвертого поколения (4G) в 38 регионах России. Напомним,

что в феврале-марте дочерние структуры «Связьинвеста» выиграли 39 из 40 лицензий на использование частот в диапазоне

2,3…2,4 ГГц. По условиям конкурсов, эти частоты будут использоваться для развертывания сервисов мобильного широко-

полосного доступа в Интернет (технологии WiMAX и LTE), а коммерческая эксплуатация сетей должна начаться в течение

полутора лет.

По словам директора «Ростелекома» Антона Колпакова, компания рассчитывает использовать при построении сетевой

инфраструктуры технологию LTE, обеспечивающую пиковую скорость передачи данных от базовой станции на клиентское

устройство в 326 Мбит/с.

Беспроводные сервисы планируется развернуть на базе единого технологического решения; в настоящее время

«Ростелеком» ведет переговоры с проектировщиками с целью оперативной реализации проекта.

Вместе с тем г-н Колпаков заметил, что в качестве упрощенного альтернативного варианта рассматривается воз-

можность развертывания сетей по технологии WiMAX. О том, в какие сроки будет начато строительство 4G-сетей, глава

«Ростелекома» умолчал.

www.russianelectronics.ru

64

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCP.RU

В Части 2 статьи рассмотрены особенности построения и примене-

ния повышающих и понижающе-повышающих драйверов светодиодов,

а также другие топологии драйверов (SEPIC, преобразователь Кука).

Описаны основные методы регулировки яркости свечения светодиодов и

особенности их реализации в различных топологиях драйверов.

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ДРАЙВЕРА

СВЕТОДИОДНОЙ СИСТЕМЫ. Часть 2ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВ, техн. консультант, ИД «Электроника»

ПОВЫШАЮЩИЕ И ПОНИЖАЮЩЕ-

ПОВЫШАЮЩИЕ ТОПОЛОГИИ

ДРАЙВЕРОВ СВЕТОДИОДОВ

В таких приложениях как освеще-

ние садовых дорожек или замена ламп

накаливания типа MR16 чаще всего

используется несколько светодиодов

или всего один. Наиболее распростра-

ненные напряжения для систем низ-

ковольтового освещения — 12 ВDC,

24 ВDC и 12 ВAC. Эти приложения часто

используют понижающий стабилиза-

тор1. Однако топологии повышающих

стабилизаторов находят все более

широкое применение, т.к. количество

светодиодов в системах освещения

возрастает. Примерами таких приложе-

ний является освещение улиц, стадио-

нов, жилых и общественных зданий, а

также декоративная или архитектурная

подсветка. Для сравнения на рисунке 1

показаны базовые конфигурации драй-

веров светодиодов с понижающей и

повышающей топологией.

Как и в случае линейных и понижаю-

щих драйверов светодиодов, основной

технической проблемой в повышаю-

щих драйверах является управление

прямым током каждого из целого мас-

сива светодиодов. Идеально было бы

поместить каждый светодиод в одну

последовательную цепь, что обеспечи-

вало бы одинаковый ток через каждый

светодиод. Повышающий стабилизатор

является простейшим вариантом уве-

личения входного постоянного напря-

жения до более высокого выходного

напряжения, т.к. это позволяет включить

больше светодиодов последователь-

но при данном входном напряжении.

Для питания системы общего освеще-

ния обычно используется переменное

напряжение сети 110 или 220 В. Если

не требуется обеспечить коррекцию

коэффициента мощности (ККМ), галь-

ваническую изоляцию или фильтрацию

линейных гармоник, то однокаскадные

неизолированные импульсные преоб-

разователи (понижающие, повышаю-

щие или понижающе-повыщающие)

могут использовать выпрямленное

напряжение сети переменного тока

для питания длинных цепочек свето-

диодов.

Во многих случаях, однако, использу-

ется промежуточная шина постоянного

напряжения от AC/DC-преобразователя,

который обеспечивает универсальный

вход переменного тока, ККМ, изоляцию

и фильтрацию. Кроме того, промежуточ-

ная шина помогает решить проблемы

диэлектрического пробоя и искрения,

что улучшает безопасность сервисно-

го персонала, работающего с системой

освещения.

Повышающие стабилизаторы

Повышающие стабилизаторы слож-

нее в проектировании, чем понижа-

ющие, независимо от того, требуется

контролировать выходное напряжение

или выходной ток. Средний ток индук-

тивности повышающего преобразова-

теля, работающего в режиме Continuous

Conduction Mode (CCM), равен току

нагрузки (току светодиода), умножен-

ному на 1/(1 — D), где D — рабочий

цикл. Повышающий стабилизатор

напряжения требует учета предель-

ных значений входного напряжения

и тщательного выбора параметров

катушки индуктивности, в частности,

значений номинального пикового тока.

Повышающий драйвер светодиода уве-

личивает выходное напряжение, что

влияет на величину рабочего цикла

и, следовательно, на значения индук-

тивности и номинального тока основ-

ной катушки индуктивности. Для того

чтобы избежать насыщения катушки,

необходимо проверить максимальные

значения средних и пиковых токов как

при минимальном входном напряже-

нии VIN-MIN, так и максимальном выход-

ном напряжении VO-MAX.

В отличие от понижающего стаби-

лизатора с индуктивностью на выхо-

де, повышающий преобразователь

имеет прерывистый выходной ток. По

этой причине в такой схеме требуется

выходной конденсатор для обеспече-

ния непрерывного выходного напря-

жения (и, следовательно, выходного

тока). Номинал емкости конденсатора

выбирается как можно меньше и, в то

же время, достаточный для поддержа-

ния требуемой величины пульсаций

тока светодиода. Чем меньше выходная

емкость (что, кроме всего, минимизи-

рует стоимость и размеры устройства),

тем быстрее реакция преобразова-

теля на изменения выходного тока и,

следовательно, лучше характеристика

регулировки яркости свечения свето-

диодов.

Другой серьезной проблемой повы-

шающего преобразователя являет-

ся контур управления. Понижающие

преобразователи могут иметь раз-

личные варианты управления: ШИМ-

управление в режиме напряжения,

ШИМ-управление в режиме пикового

тока, постоянное/управляемое время

включения, управление с гистерезисом

и др. Повышающие стабилизаторы с

режимом CCM (за исключением мало-

мощного/портативного оборудования)

почти повсеместно используют ШИМ-

управление в режиме пикового тока

из-за нулей характеристического урав-

1 Понижающая топология драйвера светодиодов рассматривалась в Части 1 данной статьи.

Рис. 1. Конфигурации понижающего и повышающего драйверов светодиодов. В понижающей топологии выходное напряжение VO = nVF, VO < VIN; в повышающей топологии VO = nVF, VO > VIN

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

65

Электронные компоненты №3 2010

нения в правой полуплоскости (right-

half-plane zero — RHPZ) и того факта,

что они передают мощность на выход

при закрытом управляющем ключе.

При разработке повышающего драйве-

ра светодиодов с контролем выходно-

го тока необходимо проверить работу

контура управления со светодиодом

в качестве нагрузки. При управлении

в режиме пикового тока импеданс

нагрузки значительно влияет как на

коэффициент усиления по постоянному

току, так и на низкочастотную составля-

ющую передаточной функции «контур

управления — выход». Для стабили-

заторов напряжения импеданс нагруз-

ки определяется в результате деления

выходного напряжения на выходной

ток.

Светодиоды — это диоды с дина-

мическим сопротивлением, кото-

рое можно определить только путем

построения графика зависимости VF от

IF и определения наклона касательной

линии при выбранном значении пря-

мого тока. Как показано на рисунке 1,

токовый стабилизатор использует саму

нагрузку в качестве делителя в цепи

обратной связи. Это уменьшает усиле-

ние по постоянному току на коэффи-

циент RSNS/(RSNS + rD). Можно было бы

компенсировать повышающий драйвер

светодиода простым интегратором,

сужающим полосу пропускания для

улучшения стабильности. Однако для

большинства приложений требуется

регулировка яркости свечения, поэто-

му необходимо обеспечить широкую

полосу пропускания и быструю пере-

ходную характеристику, что как раз и

обеспечивает стабилизатор напряже-

ния. Регулировка яркости может осу-

ществляться либо путем линейного

изменения IF (аналоговая регулировка),

либо с помощью коммутации выхода на

высокой частоте (цифровая, или ШИМ-

регулировка).

Понижающе-повышающие

стабилизаторы

Внедрение систем светодиодно-

го освещения происходит намного

быстрее, чем разрабатываются стан-

дарты по твердотельному освещению.

Широкий разброс входных напряже-

ний стимулирует появление различных

типов светодиодов. Диапазон выходных

напряжений драйверов определяется

количеством последовательно включен-

ных светодиодов, типами светодиодов,

величиной VF, а также особенностями

технологии и температурой кристалла.

Например, автомобили высокого клас-

са переходят на использование свето-

диодов в системах дневного освещения.

Три 3-Вт белых светодиода представ-

ляют нагрузку около 12 В при токе 1 А.

Автомобильные электронные системы

должны работать в диапазоне питающих

напряжений 9…16 В с возможностью его

расширения до 6…42 В, когда характе-

ристики снижены, но система работает

без сбоев. В общем случае, понижающий

драйвер является наилучшим решением

для светодиодов, за ним следует повы-

шающий драйвер, но ни один из них

не подходит для данного случая. Если

необходимо использовать понижающе-

повышающий стабилизатор, то часто

наибольшие затруднения вызывает

выбор оптимальной топологии.

Одним фундаментальным отли-

чием понижающе-повышающего

стабилизатора с любой топологией

от понижающего или повышающе-

го стабилизатора является то, что в

понижающе-повышающем стабилиза-

торе входной источник питания никог-

да прямо не соединяется с выходом.

Как понижающий, так и повышающий

стабилизатор соединяют VIN и VO (через

катушку индуктивности и ключ/диод)

во время коммутации, и это прямое

соединение повышает их эффектив-

ность. Все понижающе-повышающие

стабилизаторы сохраняют всю энер-

гию, передаваемую в нагрузку либо в

магнитном поле (индуктивность или

трансформатор), либо в электрическом

поле (конденсатор), что обеспечивает

более высокие пиковые токи или более

высокое напряжение в силовых клю-

чах. Следует уделить особое внимание

работе преобразователя при крайних

значениях входного и выходного напря-

66

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCP.RU

жений, т.к. при VIN-MIN и VO-MAX ток комму-

тации достигает пикового значения, а

пиковое значение напряжения комму-

тации достигается при VIN-MAX, VIN-MAX и

VO-MAX. В общем случае это означает, что

понижающе-повышающий стабилиза-

тор имеет большие размеры и меньшее

КПД, чем понижающий или повышаю-

щий стабилизатор равной мощности.

Понижающе-повышающий стабили-

затор с одной катушкой индуктивности

может быть построен с тем же числом

компонентов, что и понижающий или

повышающий стабилизатор. Это делает

его привлекательным, с точки зрения

стоимости системы. Одним недостатком

такой топологии является то, что поляр-

ность Vo инвертирована (см. рис. 2 слева)

или регулируется относительно VIN (см.

рис. 2 справа). В таких преобразовате-

лях следует использовать схемы сдви-

га уровня или инвертирующие цепи.

Как и повышающие преобразователи,

понижающе-повышающие стабилизато-

ры имеют прерывистый выходной ток и

требуют включения выходного конден-

сатора. Мощный MOSFET рассчитан на

пиковый ток IIN плюс IF и пиковое напря-

жение VIN плюс VO.

ДРУГИЕ ТОПОЛОГИИ ДРАЙВЕРОВ

Кроме повышающих и понижающих,

имеется еще ряд топологий преобра-

зователей, используемых в качестве

драйверов светодиодов, в частности

SEPIC-преобразователи и преобразова-

тели Кука.

Преимущество SEPIC-преобразова-

телей заключается в том, что они обе-

спечивают непрерывный входной ток

из-за наличия входной катушки индук-

тивности и положительное выходное

напряжение. Как в повышающем и

понижающе-повышающем преобра-

зователе, в SEPIC-преобразователях

требуется выходная емкость для сгла-

живания тока светодиода. Еще одним

достоинством SEPIC-преобразователя

является то, что почти все стабилиза-

торы или контроллеры нижнего плеча

можно сконфигурировать в SEPIC-

топологии без схем инвертирования

полярности или сдвига уровня. Схема

SEPIC-драйвера светодиода показана на

рисунке 3.

Редко используемый для стабили-

зации напряжения преобразователь

Кука (см. рис. 4) применяется в каче-

стве драйвера светодиодов. Входной

и выходной токи в такой схеме

непрерывны. Полярность выход-

ного напряжения обратна, как в

понижающе-повышающем преобразо-

вателе верхнего плеча, однако выход-

ной конденсатор можно исключить,

как в понижающем преобразователе.

Преобразователь Кука является един-

ственной схемой неизолированного

стабилизатора с такой возможностью.

Ни повышающий, ни понижающе-

повышающем стабилизатор не пред-

почтительны для драйверов све-

тодиодов из-за их более высокой

сложности и увеличенного числа ком-

понентов, меньшей эффективности

(особенно это касается понижающе-

повышающего стабилизатора) и огра-

ниченного выбора схемы управления.

Однако обе схемы являются «неизбеж-

ным злом», т.к. светодиоды внедряют-

ся во все большее число приложений.

В некоторых случаях архитектура

системы может быть изменена так,

чтобы использовать понижающий

или даже линейный стабилизатор для

драйвера светодиодов. Это возмож-

но, например, для крупных систем

освещения, таких как уличное осве-

щение, где требуются сотни и более

светодиодов мощностью более 1 Вт.

В целом, для систем промежуточ-

ной мощности, таких как головной

свет автомобиля и небольшие осве-

тительные приборы, повышающие и

понижающе-повышающие стабили-

заторы представляют собой наилуч-

ший выбор для питания светодиодов

постоянным током.

РЕГУЛИРОВКА ЯРКОСТИ СВЕЧЕНИЯ

Независимо от того, использует-

ся для питания светодиодов пони-

жающий, повышающий, понижающе-

повышающий или линейный

стабилизатор, общим требованием

является наличие схемы управления

световым выходом. Некоторые при-

ложения являются простыми, однако

в большей части приложений требу-

ется регулировка яркости от нуля до

100%, часто с высоким разрешени-

ем. Разработчик имеет возможность

выбрать один из двух методов регу-

лировки: линейная регулировка тока

светодиода (аналоговая регулировка)

или использование коммутирующей

схемы, которая работает с высокой

частотой, достаточной для того, чтобы

глаз был способен усреднить свето-

вой выход (цифровая регулировка).

Использование ШИМ для установки

периода и рабочего цикла (см. рис. 5)

является, по-видимому, самым про-

стым способом реализации цифровой

регулировки, а топология понижающе-

го стабилизатора способна обеспечить

наилучшие характеристики.

Предпочтителен ШИМ-метод

регулировки яркости

Аналоговую регулировку яркости

часто проще реализовать. В этом случае

выходной сигнал драйвера светодиода

изменяется пропорционально управ-

ляющему напряжению. Аналоговая

регулировка не вносит новых частот —

потенциального источника электро-

магнитных помех. ШИМ-регулировка

используется в большинстве схем бла-

годаря фундаментальному свойству

светодиодов: характер излучаемо-

го света меняется пропорционально

среднему питающему току. Для моно-

хроматических светодиодов меняет-

ся доминирующая длина волны. Для

белых светодиодов меняется корре-

лированная цветовая температура

(correlated color temperature — CCT).

Человеческому глазу трудно уловить

изменения длины волны на уровне

несколько нм красных, зеленых и синих

светодиодов, особенно когда интенсив-

ность света также меняется. Однако

изменение температуры цвета белого

света легко заметить.

Рис. 3. Схема SEPIC-драйвера светодиода Рис. 4. Схема стабилизатора Кука

Рис. 2. Схема понижающе-повышающего преобразователя: слева — верхнего плеча, справа — нижнего плеча

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

67

Электронные компоненты №3 2010

Белые светодиоды, как правило,

состоят из кристалла, излучающего фото-

ны в синем спектре, которые проникают

в фосфорное покрытие. Это покрытие, в

свою очередь, излучает фотоны в широ-

ком диапазоне длин волн видимого

света. При низких токах в спектре доми-

нирует фосфор, и свет обычно имеет

желтый оттенок. При высоких токах

доминирует синий оттенок света с более

высоким значением коррелированной

цветовой температуры. В приложениях

с несколькими белыми светодиодами

разница в CCT между двумя соседни-

ми светодиодами может быть заметной

и неприятной. Это может наблюдаться

также в источниках, в которых свет сме-

шивается от множества монохроматиче-

ских светодиодов. Когда имеется более

одного источника света, любая разница

между ними раздражает глаз.

Производители светодиодов уста-

навливают определенное значение

тока управления для своих продуктов

и гарантируют доминирующую длину

волны или CCT только при этих значе-

ниях тока. ШИМ-регулировка обеспе-

чивает излучение того оттенка света,

который необходим разработчику

системы, независимо от интенсивности

света. Такой точный контроль особенно

важен в RGB-приложениях, где проис-

ходит смешивание различных цветов

для получения белого света.

Для аналоговой регулировки под-

держание точности выходного тока

представляет серьезную пробле-

му. Почти все драйверы светодиодов

используют на выходе последовательно

включенный резистор для измерения

тока. Величина напряжения, падающе-

го на этом резисторе VSNS, выбирается

так, чтобы обеспечить малую рассеива-

емую мощность и, в то же время, высо-

кое отношение сигнал-шум. Допуски,

смещения и задержки драйвера вносят

погрешность, которая остается отно-

сительно постоянной. Для уменьшения

выходного тока в системе с обратной

связью VSNS должно быть снижено. Это,

в свою очередь, уменьшает точность

задания выходного тока. Таким обра-

зом, регулировка яркости с помощью

ШИМ обеспечивает более точный

контроль светового выхода вплоть до

намного меньших уровней, чем допу-

скает аналоговая регулировка.

Частота регулировки яркости и

контрастность

Конечное время реакции драйвера

светодиода на ШИМ-сигнал необходи-

мо учитывать при разработке схемы.

Имеются три основных типа задерж-

ки драйвера (см. рис. 6). Чем больше

эти задержки, тем меньше достижимый

коэффициент контраста.

Как показано на рисунке 6, tD пред-

ставляет собой задержку распро-

странения от момента времени, когда

сигнал VDIM переходит в состояние

высокого уровня, до момента време-

ни, когда драйвер светодиода начинает

увеличивать выходной ток. tSU — это

Рис. 5. Драйвер светодиодов с ШИМ-регулировкой яркости свечения и форма сигналов

68

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCP.RU

время увеличения выходного тока

от нуля до заданного уровня, а tSD —

время уменьшения выходного тока от

заданного уровня до нуля. В общем

случае, чем меньше частота регулиров-

ки fDIM, тем выше контрастность, т.к.

эти постоянные задержки занимают

меньшую часть периода регулировки

TDIM. Нижний предел fDIM приблизитель-

но равен 120 Гц, ниже которого глаз

не воспринимает световые импульсы

как непрерывный свет. Верхний предел

определяется минимальной требуемой

контрастностью.

Коэффициент контраста пред-

ставляет собой инверсную величину

минимального времени включения.

Приложения для машинного зрения и

промышленного контроля часто тре-

буют намного более высокую частоту

ШИМ-регулировки, потому что в них

используются быстродействующие

видеокамеры и датчики. В таких при-

ложениях целью быстрого включения и

выключения светодиодного источника

света является не снижение средне-

го светового выхода, а синхронизация

светового выхода с временем захвата

датчика или видеокамеры.

Регулировка яркости в импульсном

стабилизаторе

При разработке драйверов свето-

диодов на базе импульсного стаби-

лизатора следует предусмотреть

необходимость их выключения и

включения сотни и тысячи раз в секун-

ду. Стабилизаторы, спроектированные

для обычных источников питания,

часто имеют вывод разрешения или

вывод выключения, на которые может

быть подан ШИМ-сигнал логического

уровня, но связанная с этим сигна-

лом задержка tD часто бывает слиш-

ком большой. Это объясняется тем, что

кремниевые полупроводниковые при-

боры имеют низкий ток выключения.

В специализированных импульсных

стабилизаторах для питания светодио-

дов все наоборот: для минимизации tD

внутренние цепи управления поддер-

живаются в активном состоянии, и, в

то же время, обеспечивается высокий

рабочий ток, когда светодиод выклю-

чен.

Оптимизация управления светом с

помощью ШИМ требует минимально-

го времени нарастания и спада сигна-

ла не только для получения наилуч-

шего коэффициента контрастности,

но также для минимизации времени

нахождения светодиода в промежуточ-

ном состоянии (когда доминирующая

длина волны и CCT не гарантированы).

Обычный импульсный стабилизатор,

как правило, имеет функцию мягкого

старта и мягкого выключения, однако

специализированные драйверы свето-

диодов специально разработаны для

минимизации времени нарастания и

спада выходного сигнала. Уменьшения

tSU и tSD можно достичь путем оптималь-

ного выбора топологии используемого

в драйвере светодиода импульсного

стабилизатора.

Понижающий стабилизатор превос-

ходит все другие импульсные тополо-

гии по скорости нарастания выходного

сигнала по двум причинам. Во-первых,

понижающий стабилизатор — это

единственный импульсный преобра-

зователь, который передает мощность

на выход при включенном управляю-

щем ключе. Это делает управляющую

ШИМ-цепь понижающего стабилиза-

тора более быстродействующей, чем

повышающего и различных видов

понижающе-повышающего стабили-

затора. Передачу мощности во время

включения также легко реализовать

при гистерезисном управлении, кото-

рое даже более быстрое, чем контур

управления в режиме напряжения или

тока. Во-вторых, катушка индуктив-

ности понижающего стабилизатора

соединена с выходом во время всего

цикла переключения. Без выходного

конденсатора понижающий стабилиза-

тор становится настоящим источником

тока с высоким импедансом, способным

быстро переключать выходное напря-

жение. Преобразователь Кука и ZETA-

преобразователь также имеют катуш-

ку индуктивности на выходе, однако

их управляющий контур медленнее (и

имеет меньшую эффективность).

Высокочастотная ШИМ-регулировка

Даже гистерезисный понижаю-

щий стабилизатор без выходного

конденсатора не всегда обеспечи-

вает требования некоторых систем с

ШИМ-регулировкой. Эти приложения

используют высокую частоту ШИМ-

регулировки и высокий коэффициент

контрастности, что, в свою очередь,

требует высокой скорости нарастания

и спада выходного сигнала и мало-

го времени задержки. Кроме систем

машинного зрения и промышленного

контроля, примерами, в которых требу-

ется высокая скорость, могут служить

подсветка ЖК-панелей и видеопро-

екторы. В некоторых случаях частота

ШИМ-регулировки должна быть выше

звуковой частоты, т.е. 25 кГц. Вместе с

уменьшением общего периода регули-

ровки до нескольких мс, общее время

нарастания и спада сигнала, включая

задержку распространения, должно

быть снижено до нескольких нс.

Рассмотрим быстрый понижающий

стабилизатор без выходного конден-

сатора. Задержки включения и выклю-

чения выходного тока определяются

задержками распространения сигналов

микросхемы и физическими свойства-

ми выходной катушки индуктивности.

Наилучшим способом минимизации

этих задержек является использование

мощного ключа, включенного парал-

лельно цепи светодиодов (см. рис. 7).

Для того чтобы выключить светодио-

ды, ток драйвера шунтируется ключом,

который обычно представляет собой

n-канальный MOSFET. Микросхема

работает, и ток через индуктивность

продолжает протекать. Главным недо-

статком такого метода является то, что

теряется мощность в то время, когда

выключены светодиоды.

Регулировка яркости с помощью

шунтирующего MOSFET вызывает

быстрый сдвиг выходного напряжения,

на который контур управления микро-

схемы должен ответить стремлением

сохранить постоянный ток на выходе.

Чем быстрее цепь управления, тем

лучше время реакции системы, и пони-

жающий стабилизатор с гистерезисным

управлением обеспечивает наилучшую

скорость.

Быстрая ШИМ с повышающим

и понижающе-повышающим

стабилизатором

Ни повышающий стабилизатор, ни

одна из понижающе-повышающих

топологий не подходят идеально для

ШИМ-регулировки яркости. Это объяс-

няется тем, что в режиме CCM в каждой

из этих схем появляются нули харак-

теристического уравнения в правой

полуплоскости, что затрудняет дости-

жение широкой полосы пропускания

контура управления, нужной для так-

тируемых стабилизаторов. Временной

эффект RHPZ также делает намного

более затруднительным использование

Рис. 6. Задержки при регулировке яркости свечения

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

69

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 7. Схема с шунтирующим n-канальным MOSFET и форма сигналов

гистерезисного управления для повы-

шающей и понижающе-повышающей

схемы. Кроме того, повышающий ста-

билизатор не может допустить падение

выходного напряжения ниже входного

напряжения. Такие условия вызывают

короткое замыкание на входе и делают

невозможным регулировку яркости с

помощью параллельно включенного

FET. Среди понижающе-повышающих

топологий регулировка яркости с

помощью параллельно включенного

FET невозможна или, в лучшем случае,

нецелесообразна из-за особых требо-

ваний для выходного конденсатора

(SEPIC, понижающе-повышающая и

обратноходовая топология) или из-за

неконтролируемого тока входной

индуктивности во время короткого

замыкания на выходе (преобразова-

тель Кука и ZETA-преобразователь).

Когда требуется настоящая быстрая

ШИМ-регулировка, наилучшим реше-

нием является двухкаскадная система,

в которой в качестве второго каскада

используется понижающий стабили-

затор. Если размеры и стоимость не

позволяют реализовать этот подход,

другим вариантом решения является

последовательно включенный ключ.

Ток через светодиод в такой схеме

может быть выключен мгновенно. С

другой стороны, особое внимание

следует уделить реакции системы. На

такую открытую схему воздействуют

быстрые переходные процессы, кото-

рые могут вызвать нарушение обрат-

ной связи и бесконтрольное возрас-

тание выходного напряжения. В этом

случае необходима схема фиксации на

выходе и/или усилитель ошибки для

предотвращения отказа из-за повы-

шенного напряжения. Такую фикси-

рующую схему сложно реализовать

с помощью внешней цепи, и потому

использование последовательного

FET для регулировки яркости имеет

практический смысл только со спе-

циализированными повышающими и

понижающе-повышающими микросхе-

мами драйверов светодиодов.

В заключение следует отметить,

что чем сложнее источник света, тем

вероятнее использование ШИМ-

регулировки яркости. Это, в свою

очередь, требует, чтобы разработчик

системы внимательно рассмотрел

варианты топологии драйвера светоди-

ода. Понижающий стабилизатор имеет

много преимуществ при реализации

ШИМ-регулировки яркости. Если часто-

та регулировки яркости должна быть

высока, или время нарастания и спада

сигнала на выходе должно быть малым,

понижающий стабилизатор является

наилучшим выбором.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sameh Sarhan, Chris Richardson. A mat-

ter of light//www.embedded.com.

2. Zhongming Ye. LED Driver implements

power factor regulation and dimming func-

tion//www.powermanagementdesignline.com.

3. Design Challenges of Switching LED

Drivers. Application Note AN-1656//www.

national.com.

70

WWW.ELCP.RU

В настоящее время на отечественном рынке представ-

лены практически все мировые производители мощных

светодиодов. Ежедневно десятки компаний начинают

новые интересные и перспективные проекты. Это значит,

что сотни специалистов-разработчиков постоянно нужда-

ются в объективной информации о светодиодах, с кото-

рыми они работают. И каждый производитель старается

снабдить ею разработчиков в достаточном для работы

объёме. Однако зачастую при аттестации изделий раз-

работчик получает хоть и удовлетворительный, но плохо

аппроксимированный с расчётными данными результат.

Нетрудно предположить, по какой причине это проис-

ходит. Едва ли для кого-нибудь будет секретом, что на

заявленные в техническом описании параметры в немалой

степени влияют и маркетинговые службы производителя.

Законы конкуренции иногда диктуют свои правила, и они

не всегда корректны. Разобраться в техническом описании

порой не менее сложно, чем в мудрёном юридическом

документе. Но беда в том, что и в спецификации указыва-

ются неистинные параметры изделия, что не раз уже дока-

зали нашумевшие исследования.

Наша компания занимается разработками в течение

длительного времени, и мы хорошо знаем, насколько

важно для разработчика получить истинную информацию

о компонентах, участвующих в проекте. Особенно о таком

ключевом компоненте, каким является светодиод. Исходя

из этого, мы решили досконально исследовать не слишком

пока популярный на российском рынке продукт Philips

Lumileds Rebel. На наш взгляд, этот светодиод совершенно

незаслуженно обошли вниманием российские разработ-

чики, т.к. он обладает рядом существенных преимуществ

даже перед более известными моделями светодиодов.

Для проведения испытаний мы воспользовались лабо-

раторной базой Научно-технического центра микроэлек-

троники и субмикронных структур ФТИ РАН. Отдельно нам

хотелось бы поблагодарить учёного секретаря НТЦ к.т.н.

Александра Львовича Закгейма, любезно оказавшего нам

помощь при проведении измерений. В измерениях при-

нимало участие несколько образцов светодиодов Rebel

серии Illumination с двумя типами цветности. В этой статье

публикуется только часть результатов, которые описывают

зависимость основных параметров светодиодов от плот-

АНТОН БУЛДЫГИН, инженер, ООО «Светотроника»

МИХАИЛ СЕЛЕЗНЕВ, инженер, ООО «Светотроника»

Истинные параметры мощных

светодиодов Philips Lumileds

Luxeon Rebel

Рис. 1. Внешний вид светодиода Philips Lumileds Luxeon Rebel

ности рабочего тока, а также изменение спектра в зависи-

мости от температуры кристалла.

Прежде чем перейти к полученным параметрам,

вкратце опишем изделие, представленное на рисунке 1.

Светодиоды серии Rebel — мощные светодиоды четвёрто-

го поколения. В них используется кристалл собственного

производства компании Philips Lumileds площадью 1 мм2.

Отметим, что это обстоятельство существенно упроща-

ет объективное понимание параметров продукта, т.к. в

последнее время у некоторых производителей появилась

тенденция увеличивать кристалл почти вдвое или исполь-

зовать многокристальную технологию. Кристалл смонти-

рован на керамическую подложку через токопроводящий

слой, что позволило избежать проводных соединений и

тем самым увеличить надёжность. Термическое сопро-

тивление такой конструкции колеблется в пределах от

9,2…10,3°К/Вт, что совпадает с заявленным значением. На

борту каждого светодиода имеется TVS-диод, обеспечи-

вающий защиту кристалла от статического напряжения.

Отдельно подчеркнём точный способ нанесения люмино-

фора: пятно рассеяния даже при использовании вторич-

ной оптики со сверхмалыми углами остаётся абсолютно

равномерным по цветовой температуре. КСС светодиода

формирует силиконовая линза с полным углом простран-

ственного распределения силы света 120°.

Ниже приведены данные для светодиодов, соответству-

ющих бину с самым высоким значением падения напря-

жения. Пользуясь этими данными, разработчик никогда

не попадёт в неприятную ситуацию, а результат будет

предсказуем независимо от поставок. Для простоты вос-

приятия мы приводим усреднённые результаты измерений

в табличном виде (см. табл. 1 и 2), а проиллюстрированы

будут только основные параметры.

Итак, самыми интересными из них по праву можно

считать значения светового потока и световой отдачи.

Как можно увидеть на рисунке 2а, в нормальных условиях

световой поток светодиода вплотную приближается к

100 лм, заявленным производителем при номинальной

плотности тока в 350 мА. При этом световая отдача для

данной группы изделий составила около 85 лм/Вт (см.

рис. 3а). На первый взгляд, такое значение световой отда-

чи значительно меньше 100 лм/Вт и потому не слишком

привлекательно. Однако специалисты, внимательно сле-

дившие за фундаментальными измерениями серийных

образцов мощных светодиодов, знают, что это хорошее

реальное значение световой отдачи. Отметим, что в

зависимости от бина реальное значение световой отдачи

может повышаться до 94 лм/Вт. Что касается светового

потока, то он полностью соответствует допуску, указан-

ному производителем в техническом описании. Стоит

отдельно подчеркнуть, что такая честность производи-

теля — большая редкость. По словам сотрудников НТЦ,

схожие значения они получили и от хорошо известной

модели светодиодов с заявленным световым потоком,

превышающим значение в 110 лм.

72

WWW.ELCP.RU

Рис. 4б. Изменение спектра в зависимости от температуры кристалла свето-диодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Рис. 4а. Изменение спектра в зависимости от температуры кристалла свето-диодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

Рис. 3б. Значение истинной световой отдачи светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Рис. 3а. Значение истинной световой отдачи светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

Реальное значение индекса цветопередачи CRI соста-

вило около 65, что также соответствует заявленному про-

изводителем параметру. В соответствии с DIN6169-7-1979,

такая величина индекса цветопередачи соответствует

классу цветопередачи 2B и является хорошим значением.

Разумеется, в номенклатуре Philips Lumileds имеются све-

тодиоды с индексом цветопередачи до 85, но эти модели

пока ещё не протестированы.

Для образцов с цветовой температурой 5500К пара-

метр световой отдачи ожидаемо выше. Как можно видеть

на рисунке 2б, он составил 90 лм/Вт при световом потоке

Рис. 2б. Истинное значение светового потока светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Рис. 2а. Истинное значение светового потока светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

97 лм (см. рис. 3б). В данном случае были использованы

бины со средним значением падения напряжения, поэтому

эффективность светодиода достаточно высока — 28% при

номинальной плотности тока. Значение индекса цветопе-

редачи, как и в случае со светодиодами с цветовой темпе-

ратурой 4200К, соответствует классу 2В.

Светодиоды серии Rebel Illumination хорошо известны

как очень устойчивые к воздействиям температуры. Об

этом их качестве лучше всего говорит кривая значений

фактора cold/hot. Следует отдельно отметить, что это след-

ствие серьёзной и кропотливой работы над люминофором

73

Электронные компоненты №3 2010

специалистов компании Philips Lumileds, поставивших

своей целью создание сверхстабильного светодиода.

Кстати, флагманом по этим параметрам среди мощных

светодиодов по праву можно считать Luxeon Rebel серии

ES. Показатели серии Illumination несколько скромнее, но

тоже очень хороши. Однако с изменением температуры

изменяется не только световая отдача, но и спектр. Мы

попытались оценить изменение спектра в зависимости от

различных температур кристалла.

Как можно видеть на рисунках 4а и 4б, стабильность

цветовой температуры в широком диапазоне темпера-

тур кристалла очень высока. Изменения температуры

p-n-перехода на 50°С вызвало изменение цветовой тем-

пературы только на 1,5—2%. Это ещё раз подтверждает

репутацию серии Rebel illumination как крайне стабильных

светодиодов.

В заключение хотелось бы отметить, что в ходе прове-

дения измерений мы не выявили ни одной единицы про-

дукции, которая выпадала бы за пределы характеристик,

указанных производителем в техническом описании. Это

подчёркивает честность производителя перед своими

клиентами. Исследования мощных светодиодов серии

Rebel продолжаются, и в дальнейшем мы намереваемся

опубликовать полученные результаты.

Таблица 1. Полученные значения для мощных светодиодов Philips Lumileds Rebel LXML-PW51

mA V WPE Lm/W Lm T CRI T term T j

10,00 2,751 34,81 121,38 3,34 3977,00 64.36 27,00 27,28

20,00 2,826 35,32 123,04 6,95 3983,00 64.36 27,00 27,57

30,00 2,874 35,08 122,10 10,53 3989,00 64.37 27,00 27,86

39,90 2,910 34,65 120,45 13,99 3995,00 64.38 27,00 28,16

50,00 2,940 34,11 118,48 17,42 3999,00 64.38 27,20 28,67

59,90 2,945 33,66 116,79 20,74 4003,00 64.37 27,00 28,76

80,00 3,005 32,44 112,29 26,96 4020,00 64.37 27,00 29,40

100,00 3,041 31,70 109,56 33,28 4026,00 64.39 27,00 30,04

150,00 3,116 29,48 101,57 47,47 4040,00 64.41 27,00 31,67

200,00 3,171 28,27 97,13 61,60 4051,00 64.45 27,00 33,34

300,00 3,263 25,89 88,60 86,70 4067,00 64.53 27,00 36,79

350,00 3,294 24,97 85,31 98,35 4076,00 64.57 27,00 38,53

400,00 3,326 24,11 82,24 109,40 4082,00 64.61 27,00 40,30

600,00 3,451 21,29 72,41 149,90 4104,00 64.81 27,00 47,71

800,00 03,552 19,19 65,14 185,10 4126,00 65.05 27,00 55,42

1000,00 3,643 17,27 58,57 213,40 4151,00 65.33 27,00 63,43

Таблица 2. Полученные значения для мощных светодиодов Philips Lumileds Rebel LXML-PW21

mA V WPE Lm/W Lm T CRI T term T j

10,00 2,636 37,73 126,15 3,325 5177,00 67,78 30,00 30,26

15,00 2,664 38,25 126,69 5,137 5192,00 67,78 30,00 30,40

20,00 2,686 38,48 128,37 6,896 5197,00 67,81 30,00 30,54

30,00 2,723 38,40 127,78 10,440 5216,00 67,82 30,00 30,82

40,00 2,751 38,07 126,44 13,910 5232,00 67,84 30,00 31,10

50,00 2,775 37,61 124,69 17,300 5246,00 67,86 30,00 31,39

60,00 2,796 37,20 123,15 20,630 5260,00 67,87 30,00 31,68

80,00 2,832 35,77 118,00 26,700 5304,00 67,89 30,00 32,27

100,00 2,862 34,81 114,56 32,790 5322,00 67,91 30,00 32,86

150,00 2,923 32,88 107,64 47,190 5360,00 67,99 30,00 34,38

200,00 2,971 31,30 102,09 60,630 5388,00 68,04 30,00 35,94

250,00 3,012 29,94 97,32 73,280 5416,00 68,11 30,00 37,53

300,00 3,047 28,81 93,36 85,310 5439,00 68,18 30,00 39,14

350,00 3,079 27,85 90,02 96,980 5457,00 68,26 30,00 40,78

400,00 3,108 26,98 87,03 108,200 5475,00 68,33 30,00 42,43

500,00 3,160 25,46 81,87 129,300 5501,00 68,48 30,00 45,80

700,00 3,251 23,15 74,09 168,600 5536,00 68,78 30,00 52,76

1000,00 3,356 20,75 65,53 219,900 5572,00 69,30 30,00 63,56

74

WWW.ELCP.RU

Для электроснабжения ответственных потребителей,

которые не допускают перерывов питающего напряжения,

ИБП постоянного тока широко используются уже третье

столетие. Без таких ИБП была бы не возможна работа теле-

фонных станций, систем сигнализации на железной доро-

ге, современных производств с непрерывным технологи-

ческим процессом, систем космической, радиорелейной,

дальней связи и многих других.

До недавнего времени ИБП строились на громозд-

ких выпрямителях с большими потерями и аккуму-

ляторных батареях (АБ) открытого типа, требующих

вентиляции и больших эксплуатационных расходов.

Например, на АТС ИБП размещались в выпрямительных

и аккумуляторных залах с мощной вентиляцией тепла и

вредных выбросов.

В настоящее время малогабаритные ИБП на основе

высокочастотных преобразователей и герметизированных

АБ устанавливаются в аппаратных залах, где занимают

незначительную часть от общей площади.

Со времени первой нашей публикации по источникам бесперебойного питания (ИБП) прошло почти четыре

года [1]. В течение этого времени на предприятии продолжались работы по совершенствованию ИБП. Для нара-

щивания мощности была обеспечена параллельная работа этих источников, добавлена возможность питания

от трехфазной сети переменного тока, а также разработана модификация ИБП для подвижных объектов. В

последнее время предприятием получены патенты [2, 3], что позволяет раскрыть технические решения, зало-

женные в проектирование этих устройств.

ИЛЬЯ ПЛОТКИН, директор по развитию, ООО АЭИЭП

ИГОРЬ ТВЕРДОВ, научн. консультант, ООО АЭИЭП

СЕРГЕЙ СЛЕПОВ, нач. отд., 16 ЦНИИИ МО РФ

Источники бесперебойного питания

для стационарных и подвижных

объектов

Отечественным специализированным предприятием

АЭИЭП разработан унифицированный ряд ИБП постоянно-

го тока в широком диапазоне мощностей (150, 300, 600 Вт),

выходных напряжений (12, 24, 48, 60 В) и времени работы

от аккумуляторной батареи (5, 10, 15, 20, 30, 60, 120 мин).

Основные электрические и эксплуатационные характери-

стики ИБП приведены в таблице 1.

Питание ИБП осуществляется от однофазных сетей пере-

менного тока 220 В/50 и 400 Гц; 115 В/400 Гц и от трехфазной

сети переменного тока с изолированной нейтралью 380

В/50 Гц с характеристиками, приведенными в таблице 2.

ИБП разработаны в двух вариантах (см. рис. 1, 2) для

стационарных и подвижных объектов. В последнем при-

меняются специальные невыпадающие разъемы и усилена

амортизация.

В состав ИБП входят (см. рис. 3): корректор коэффици-

ента мощности, модуль фильтрации и защиты (устанавли-

ваются по требованию заказчика); модуль электропитания

АС/DC; АБ; платы контроля и защиты.

При наличии сети напряжение на нагрузке обеспечи-

вает модуль питания, который преобразует переменное

напряжение в постоянное, обеспечивает фильтрацию и

стабилизацию. Одновременно модуль используется для

заряда или поддержания в заряженном состоянии АБ.

При пропадании сети нагрузка питается от АБ, которая

обеспечивает номинальную мощность на выходе в течение

времени, зависящего от емкости установленной батареи

(необходимое время выбирается по таблице 1).

В ИБП применяются серийные модули питания АЭИЭП

(см. табл. 3), которые имеют высокую точность стабилиза-

ции — 2% и низкий уровень пульсации — 1% выходного

напряжения.

Такое качество напряжения позволяет использовать АБ

типа FG итальянской фирмы Fiamm в максимально благо-

приятном режиме и увеличить срок службы. Известно, что

такие АБ специально разработаны, чтобы получить наи-

больший эффект при буферном включении [4]. Кроме того,

по данным компании СИЭЛТ, АБ этой серии имеют лучший

показатель удельной стоимости — цена/емкость.

Плата контроля управляет работой ИБП, обеспечивает

световую индикацию режимов работы ИБП: наличие сети и

напряжения на выходах 1, 2, 3, 4, подключение АБ в буфер

с нагрузкой, прерывистую световую и звуковую индика-

цию снижения напряжения на АБ ниже допустимого уров-

ня и об увеличении напряжения на батарее выше допусти-

мой величины; формирует сигналы телеметрии: «СЕТЬ»,

превышение напряжения на АБ «ПЕРЕНАПР. АБ», «БУФЕР»,

снижение напряжения на АБ «РАЗРЯД».

Рис. 1. ИБП для стационарных объектов

Рис. 2. ИБП для подвижных объектов

75

Электронные компоненты №3 2010

Плата защиты содержит устройства ограничения тока

заряда, отключения АБ при глубоком разряде, что позволя-

ет исключить неблагоприятные факторы, ограничивающие

срок службы АБ, самовосстанавливающиеся предохраните-

ли для защиты ИБП от перегрузки и короткого замыкания.

В ИБП используются унифицированные модули филь-

трации радиопомех и защиты от перенапряжений на токи

3 и 7,5 А (см. табл. 4). Измеренный уровень помех на входе

ИБП не превышает значений, определяемых графиком

2 Норм по ГОСТ В 25803-91. Для защиты ИБП от сетевых

выбросов напряжения в модулях размещены варисторы.

В таблице 4 приведен основной параметр выбранных

варисторов — напряжение на клеммах ограничителя. В

соответствии с ГОСТ В 24425-90, это напряжение было

измерено при воздействии импульса амплитудой 1000 В и

длительностью 10 мкс.

Корректор коэффициента мощности выполнен на осно-

ве корректирующего дросселя и обеспечивает близкую

к синусоидальной форму тока, потребляемого модулем

питания (коэффициент мощности ~ 0,8).

ИБП имеют высокий эксплуатационный показатель

(удельная энергия), который составляет 10...12 Вт·ч/дм3.

Выполненное сравнение показало, что этот показатель в

1,5—2 раза превышает лучшие отечественные аналоги [1].

Конструкция обеспечивает установку ИБП на горизон-

тальную поверхность (пол, стол) через амортизаторы, на

стену с помощью кронштейнов, в 19-дюймовую стойку

на уголках. Комплекты монтажных частей поставляются

отдельно.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Как видно из таблицы 1, мощность ИБП ограничивается

на уровне 600 Вт. Иногда для потребителей такая величи-

на оказывается недостаточной. Предприятию невыгодно

выпускать ИБП мощностью свыше 600 Вт, т.к. заказы не

превышают нескольких процентов от общего количества.

Для увеличения мощности применяется параллельное

включение ИБП. Возможность параллельной работы на

общую нагрузку реализована в ИБП600-Р, в условном обо-

значении которого добавился индекс «Р».

Параллельная работа на общую нагрузку возможна

только при наличии специальных устройств, обеспечи-

Таблица 1. Основные электрические и эксплуатационные характеристики ИБП

Наименование Мощность, ВтТипономинал

выходн. напр., ВДиапазон напряжения на

выходе при отсутствии сети, ВДиапазон напряжения на

выходе при наличии сети, ВВремя работы при макс.

нагрузке от АБ, мин.Размеры, мм

Масса, кг

ИБП150-12

150

12 10,0...13,8 13,1...13,8 5, 15, 30, 60, 120

412×300×238

21

ИБП150-24 24 20,0...27,6 26,2...27,6 20, 30, 60, 120 21

ИБП150-48 48 40,0...55,2 52,4...55,2 60 23

ИБП150-60 60 50,0...69 65,5...69 60, 120 25

ИБП300-12

300

12 10,0...13,8 13,1...13,8 10, 20, 30, 60, 120 27

ИБП300-24 24 20,0...27,6 26,2...27,6 60, 120 30

ИБП300-48 48 40,0...55,2 52,4...55,2 20, 30, 60 30

ИБП300-60 60 50,0...69 65,5...69 60 32

ИБП480-12 480 12 10,0...13,8 13,1...13,8 5, 10, 20, 30, 60 40

ИБП600-24

600

24 20,0...27,6 26,2...27,6 10, 20, 30 42

ИБП600-48 48 40,0...55,2 52,4...55,2 15 48

ИБП600-60 60 50,0...69 65,5...69 5, 20 50

Таблица 2. Характеристики качества входной электроэнергии

Характеристика показателя, размерность

Значение показателя

Входное напряжение

115 В/400 Гц 220 В/50, 400 Гц 3×380 В/50 Гц

Установившееся отклонение, % –30...15 –15...10 –30...20

Переходное отклонение, % ±30 ±20 ±30

Длительность переходного отклонения, не более, с 1

Таблица 3. Характеристики модулей питания серии КА

Наименование Мощность, Вт Uвх, В Uвых, В Iвых макс, АКол-во выходных

каналовГабаритные раз-

меры, ммМасса, кг

KL300 30024...220;380 3Ф

5...600,02...40 1, 2, 3 190×102×41,5 0,85

KP600 6001,2

238×128×43 1,5

KD1200 1200 24...60 1...40 280×170×52 3

Таблица 4. Основные параметры модулей фильтрации радиопомех

Наименование модуля

Входное напряже-

ние, В

Номинальный проходной ток, А

Коэффициент подавления помех на частотах не менее, дБ Напряжение ограничения

защиты, ВГабариты, мм Масса, г

0,15–0,3 МГц 0,3–1 МГц 1–10 МГц 10–30 МГц

МРР2-С3АМУ~220 В

3 25 35 55 50430

107×56×19 130

МРР3-С7,5АМУ 7,5 30 40 60 45 129×61×22 200

Рис. 3. Структурная схема ИБП с питанием от однофазной сети

76

WWW.ELCP.RU

вающих выравнивание токов между модулями питания

каждого ИБП. Для используемых модулей KD1200 такие

устройства были разработаны дополнительно.

Для параллельной работы используется схемотехниче-

ское решение, обеспечивающее принудительное равно-

мерное распределение тока нагрузки между модулями,

которое хорошо себя зарекомендовало при выравнивании

токов модулей мощностью десятки Вт.

Для параллельного соединения более мощных модулей,

когда сопротивление нагрузки составляет сотые доли Ом,

это решение было доработано (см. рис. 4): появился новый

функциональный узел — дежурный источник питания,

претерпело изменение устройство защиты от перегруз-

ки [2]. При перегрузке модуль переходит в режим генера-

тора тока, величина которого равна 1,2 Iном.

После доработки пуск модуля осуществляется надежно.

В модуле, который первым запустился, защита от пере-

грузки расценивает нагрузку как КЗ, но не выключает его,

а только ограничивает выходной ток. При этом модуль

продолжает работать. Следующий включившийся модуль

«перетягивает» часть тока нагрузки на себя, и выходное

напряжение увеличивается. Так происходит, пока все

модули не выйдут на режим.

Предположим, что раньше всех включился первый

модуль (см. рис. 5) и начинает работать на нагрузку, кото-

рая значительно превышает его номинальную мощность.

На выходе нарастает ток Iн и напряжение Uн, и в момент t1

ток достигает значения Iогр.

На интервале t1–t5 первый модуль работает в режи-

ме ограничения тока на уровне Iогр., при этом нарастает

ток и напряжение на нагрузке. В момент t2 включается

второй модуль, и на интервале t2–t3 ток нарастает до зна-

чения Iогр., сохраняясь на этом уровне на интервале t3–t5.

Одновременно продолжается нарастание тока и напряже-

ния на нагрузке. В момент t4 включается третий модуль, и

в момент t5 его ток нарастает до номинального значения

Iном., а токи первого и второго модулей снижаются от Iогр. до

Iном. Мощность на нагрузке достигает номинального значе-

ния, а токи в каждом модуле в момент t5 выравниваются на

уровне Iпр1 = Iпр2 = Iпр3 = Iном/3.

При пропадании сети нагрузка питается от АБ каждого

ИБП, которые соединены параллельно. При установке АБ

учитывается требование ТУ на АБ фирмы Fiamm: исполь-

зовать для параллельного соединения АБ одной партии и

одной даты выпуска. Для ИБП, рассчитанных на параллельную

работу, на лицевой панели дополнительно установлен разъ-

ем «Параллельное подключение ИБП», на который заводится

сигнал для регулирования выходного тока. При параллельном

подключении (см. рис. 6) нескольких ИБП на общую нагрузку

длина и сечение проводов должны быть одинаковыми.

УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторная батарея является основным элементом

ИБП, в котором занимает более 60% общего объема, а ее

цена свыше 40% от стоимости ИБП. При этом АБ требует

неоднократной замены в процессе эксплуатации, т.к. срок

службы АБ составляет 5 лет, в то время как у второго

основного элемента модуля питания — более 20 лет.

При прямом подключении АБ в буфер к стандартному

модулю имеются следующие негативные факторы. Во-пер-

вых, возможен разряд ниже допустимой минимальной вели-

чины напряжения, при этом у АБ сокращается срок службы.

Чтобы исключить глубокий разряд, АБ отключают от нагруз-

ки при снижении напряжения ниже допустимого уровня.

Устройство отключения состоит из компаратора, усилителя

и реле, контакты которого включены между плюсом АБ и

плюсом нагрузки и отключают АБ от нагрузки при снижении

напряжения на АБ ниже допустимого уровня. Во вторых,

при восстановлении сети разряженная кислотно-свинцовая

герметизированная АБ заряжается током Iз, значительно

превышающим допустимое значение численно равное

0,25Q, где Q — значение номинальной емкости АБ. В этом

аномальном режиме заряда начинается разогрев электро-

лита, количество которого уменьшается за счет испарения.

Чтобы избежать взрыва, в АБ предусматривают стравливание

избыточного газа через односторонний предохранительный

клапан. Именно поэтому АБ классифицируется как гермети-

зированные, а не герметичные. Высокий начальный заряд-

ный ток является основным фактором, уменьшающим срок

службы АБ. Для устранения этого недостатка при буферном

заряде АБ постоянным напряжением от модуля питания

вводится ограничение начального тока. На рисунке 7 при-

ведена структурная схема ИБП, в котором для ограничения

тока используется цепочка из диода V1, резистора R4, шун-

тируемая контактами реле через 20—30 мин после начала

заряда [1]. Время выбирается таким, чтобы в момент t2 (см.

рис. 8) АБ зарядилась до напряжения, которое не позволяет

зарядному току превысить величину 0,25Q.

Рис. 5. Пример пуска трех модулей напряжения, включенных в параллель на общую нагрузку

Рис. 6. Параллельное подключение нескольких ИБП на общую нагрузку

Рис. 4. Доработанное устройство для выравнивания токов между модулями питания

77

Электронные компоненты №3 2010

При наличии сети и заряженной АБ состояние выхода

компаратора «1», усилитель открыт и обеспечивает пита-

нием обмотку реле, контактами которого АБ подключена

к нагрузке. Модуль питания класса AC/DC обеспечивает

питание нагрузки и ток содержания АБ.

При пропадании сети питание нагрузки обеспечивает

АБ. В момент, когда в результате разряда напряжение АБ

уменьшается до минимального допустимого значения, сра-

батывает компаратор, и его выход обнуляется, усилитель

закрывается, обесточивается обмотка реле, контакты кото-

рого размыкаются, АБ отключается от нагрузки, а цепочка

«диод V1, резистор R4» готова к ограничению тока заряда

при включении сети. Гистерезисный резистор R3 пре-

пятствует срабатыванию компаратора из-за повышения

напряжения на клеммах разгруженной АБ. Резисторы R1,

R2 на входах компаратора обеспечивают необходимый ток

управления. Диод V1 препятствует разряду АБ на нагрузку

при разомкнутых контактах реле.

В момент включения сети t1 (см. рис. 8) начинается

заряд АБ по цепи «плюс модуля питания, диод V1, резистор

R4, АБ, минус модуля питания». Состояние выхода компара-

Рис. 7. Структурная схема ИБП

Рис. 8. Диаграмма заряда

тора — «0» (АБ разряжена), усилитель закрыт, реле обесто-

чено. Нагрузка питается от модуля. Ток заряда I3 ограничи-

вается на уровне 0,25Q с помощью резистора R4, величина

которого определяется по формуле R4 = (Uст — Е)/Iз, где

Uст — стабилизированное напряжение на выходе модуля

питания; Е — противоЭДС разряженной АБ.

В момент t2 (см. рис. 8) напряжение на инверсном входе

компаратора становится выше напряжения на неинверсном

входе, состояние выхода компаратора изменяется от «0»

к «1», включается усилитель, обеспечивается током обмот-

ка реле, контактом которого шунтируется цепь «диод V1,

сопротивление R4». АБ подключается в буфер к модулю

питания. Ток заряда вновь увеличивается до значения 0,25Q

и по мере заряда АБ снижается до значения тока содержа-

ния (момент t3 на рисунке 8). Рассмотренное устройство

является частью платы контроля.

В заключение приведены основные эксплуатационные

характеристики ИБП (см. табл. 5)

ИБП выпускаются для общепромышленного и специаль-

ного применения в соответствии с техническими условия-

ми БКЮС 434732.503 ТУ. В июне 2006 г. успешно завершены

типовые испытания и КД на ИБП присвоена литера «О1».

ЛИТЕРАТУРА

1. И. Плоткин, Н. Закиров, И. Твердов. «Унифицированный ряд

источников бесперебойного питания промышленного и специ-

ального назначения». - М. «Электронные компоненты». №12. 2005.

2. И. Плоткин, А. Нагайцев, И. Твердов, С. Затулов, А.

Картышов «Преобразователь напряжения. Патент №2374745».

3. И. Плоткин, И. Твердов, Н. Закиров, А. Акимов. «Источник

бесперебойного питания. Патент №2332770».

4. Клапанно-регулируемые свинцово-кислотные аккумуля-

торные батареи серии FG. Техническое руководство Fiamm.

СИЭЛТ. М. 2007.

Таблица 5. Эксплуатационные характеристики ИБП

Наименование параметра Значение параметра

Диапазон рабочей температуры окружающей среды, °С –10...40

Допустимая относительная влажность окружающей среды при 25°С, %

98

Остальные климатические и механические характеристики по ГОСТ В 20.39.304-98

Группа 1.1, 1.3 УХЛ

Степень защиты по ГОСТ 14254-80 IP30

Класс защиты по ГОСТ 12.2.007.0-75 (электробезопасность) I

КПД, % 92

Время наработки на отказ, ч 100 тыс.

Срок службы ИБП, не менее, лет 10

Срок службы АКБ, не менее, лет 5

78

WWW.ELCP.RU

Микросхемы ЦАП широко используются во многих

приложениях, где требуется цифровая регулировка

напряжения и тока или синтез аналоговых сигналов

произвольной формы. Основные параметры ЦАП —

точность (определяется разрядностью, линейностью и

погрешностью); быстродействие; тип интерфейса; диапа-

зон питающих напряжений; диапазон выходного сигнала;

тип выходного сигнала (ток/напряжение); потребляемая

мощность и стоимость. Существенным при выборе может

стать наличие или отсутствие встроенного источника

опорного напряжения. Цена в первую очередь зависит от

разрядности, точности, быстродействия, числа каналов и

типа корпуса.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЦАП

Микросхемы ЦАП, представленные на сайте Maxim,

условно разделены на классы:

микросхемы малой и средней разрядности: до 12 раз- �рядов (261 тип);

микросхемы большой разрядности — от 12 до 16 раз- �рядов (235 типов);

высокоскоростные ЦАП с частотой преобразования �выше 1 МГц (43 типа);

схемы выборки и хранения аналогового сигнала �(схемы расширения каналов ЦАП) (4 типа).

Кроме того, в отдельных классах представлены цифро-

вые потенциометры (140 типов), цифровые программи-

руемые делители напряжений и аудиокодеки (находятся

в разделе Audio), которые также представляют собой

микросхемы цифро-аналогового преобразования.

ИНТЕРФЕЙС ДАННЫХ, РАЗРЯДНОСТЬ

И ЧИСЛО КАНАЛОВ

Компания Maxim выпускает ЦАП с параллельными

и с последовательными интерфейсами. Параллельный

Фирма Maxim разрабатывает и производит микросхемы ЦАП свыше 20 лет. Сегодня она выпускает, пожалуй,

самую широкую номенклатуру данного класса — более 500 типов, среди которых — ЦАП с разрешением от 4 до

16 разрядов: от самых простых и дешевых, в корпусах SOT23, до сложных высокоточных 16-разрядных многока-

нальных устройств для промышленных измерений. Обзор знакомит читателя с основными классами микросхем

ЦАП, а также с новинками, разработанными фирмой за последние годы.

НАТАЛЬЯ КРИВАНДИНА, менеджер по продукции Maxim Integrated Products, ЗАО «КОМПЭЛ»

Микросхемы ЦАП

фирмы Maxim Integrated Products

Таблица 1. Разрешение, число каналов и типы интерфейсов

Число каналов

Разрешение (разрядность)/тип интерфейса

≤ 8 10 12 13 14 16

1Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

ПараллельныйПоследовательный

ПараллельныйПоследовательный

–Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

–

2/3Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

–Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

––

Последовательный –

4Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

–Последовательный

Параллельный– –

Последовательный –

8Последовательный

ПараллельныйПоследовательный

–Последовательный

––

Параллельный–

Параллельный–

16/32 – – – –Последовательный

–Последовательный

–

интерфейс, как правило, используется для скоростных

ЦАП. Для высокочастотных ЦАП, работающих в гига-

герцовом диапазоне, используется дифференциальный

интерфейс LVDS. Последовательные интерфейсы (SPI,

I2C) более предпочтительны для большинства приме-

нений с управляющим микроконтроллером, поскольку

требуют меньшего числа проводников и допускают

простое каскадирование микросхем. В таблице 1 пред-

ставлены возможные варианты выбора ЦАП Maxim по

числу каналов, разрядности и типу интерфейсов.

НЕЛИНЕЙНОСТЬ И ПОГРЕШНОСТЬ ЦАП

Интегральная нелинейность (ИНЛ) представляет

собой отклонение передаточной функции ЦАП от

линейной. ИНЛ определяется для каждой ступени

передаточной функции и измеряется числом млад-

ших значащих разрядов (МЗР). Наличие нелинейности

обусловлено особенностями технологического про-

цесса. У недорогих ЦАП ее значение может достигать

20…40 МЗР. Однако эту нелинейность можно скомпен-

сировать программно, поскольку она стабильна во вре-

мени и носит регулярный характер. Для прецизионных

ЦАП используется лазерная подгонка делителей, кото-

рая и обуславливает их большую цену. Однако благо-

даря такой подгонке нелинейность высокоточных ЦАП

удается снизить до 1 МЗР.

Дифференциальная нелинейность (ДНЛ) — отклоне-

ние передаточной характеристики от идеальной. Здесь

важна монотонность характеристики ЦАП. Кроме того,

передаточная характеристика практически не должна

меняться от времени, что достигается технологическими

приемами изготовления микросхемы.

Погрешность смещения — значение на выходе

ЦАП при нулевом коде. Эта погрешность обусловлена

паразитными токами утечки. Для компенсации погреш-

79

Электронные компоненты №3 2010

ности смещения требуется внешняя схема калибровки.

Калибровка производится управляющим микроконтрол-

лером при запуске устройства или время от времени, или

вручную — при настройке.

ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Источником опорного напряжения (ИОН) определяет-

ся как диапазон выходных значений, так и точность ЦАП.

Выпускаются как варианты ЦАП, рассчитанные на работу

с внешним опорным источником, так и со встроенным

ИОН. Для прецизионных ЦАП, как правило, используется

внешний источник, позволяющий реализовать высокую

точность и температурную стабильность выходных пара-

метров ЦАП.

ТИП ВЫХОДНОГО КАСКАДА

Параметры выходного каскада определяются типом

выхода (напряжение/ток — voltage/current) и наличием

буферного (buff ered/non-buff erеd) усилителя. Для ЦАП с

токовым выходом предусмотрены варианты с различным

направлением выходного тока (втекающий/вытекаю-

щий — sink/source). Практически во всех современных

ЦАП Maxim используется выходной буферный усилитель,

наличие которого позволяет сократить число дополни-

тельных внешних компонентов.

НЕДОРОГИЕ 6-РАЗРЯДНЫЕ ЦАП В КОРПУСЕ SOT23 С

НИЗКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ

Микросхема MAX5365 является недорогим ЦАП низ-

кой разрядности со встроенным ИОН на 2 В. Ее основные

параметры:

предустановка в ноль при включении питания; �широкий диапазон напряжений питания — 2,7….5,5 В; �режим пониженного энергопотребления с током �менее 1 мкА;

3-проводный SPI/QSPI/MICROWIRE-совместимый �интерфейс;

низкий потребляемый ток — 230 мкА. �

16-РАЗРЯДНЫЕ ЦАП MAX5204–MAX5207

Микросхемы этой серии отличает низкое потребление

и умеренная для 16-разрядного разрешения цена. Их

основные параметры:

последовательный 3-проводный SPI/QSPI/MICROWIRE- �совместимый интерфейс;

выходной сигнал — напряжение; �выходная схема rail-to-rail (размах выходного сигнала �равен питающему напряжению);

внешний ИОН; �напряжение питания — 5 В (MAX5204 и MAX5205); �3,3 В (MAX5206 и MAX5207);

низкий ток потребления — 500 мкА; �интегральная нелинейность — 20…40 МЗР; �температурная компенсация во всем рабочем диапа- �зоне температур;

функция автоматической начальной установки на �ноль (MAX5205 и MAX5207) или середину шкалы

(MAX5204, MAX5206).

Микросхема поставляется в 10-выводном микрокор-

пусе μMAX размером 5×3 мм. Выпускаются исполнения

для расширенного температурного рабочего диапазона

(–40…105°С).

80

WWW.ELCP.RU

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ЦАП

Многоканальные ЦАП используются в систе-

мах автоматического измерения для синтеза тест-

сигналов. В номенклатуре Maxim — свыше 300 типов

ЦАП с числом каналов 2—32, разрядностью 8—16, с

последовательным или параллельным интерфейсом.

Из них только 16-разрядных ЦАП — 50 наименований.

Для примера рассмотрим структуру 32-канальных ЦАП

MAX5762–MAX5765 на 16 разрядов, имеющих DSP-

совместимый последовательный интерфейс с такто-

вой частотой до 33 МГц.

Каждый канал имеет индивидуальные настройки

коэффициента усиления и смещения. Для минимиза-

ции шумов переходных процессов при смене выходно-

го сигнала предусмотрены двойные входные буферы.

Выходной буфер имеет импеданс 10 кОм. Благодаря

встроенной схеме температурной компенсации выход-

ное напряжение ЦАП стабильно во всем диапазоне

рабочих температур. Для увеличения числа каналов

можно каскадировать нескольких микросхем в цепоч-

ку (daisy chain). Предусмотрен режим обратного счи-

тывания загружаемых данных по последовательному

каналу (reedback).

СХЕМЫ ВЫБОРКИ/ХРАНЕНИЯ

АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ ЦАП

Альтернативным вариантом для расширения числа

каналов ЦАП может быть использование многоканаль-

ных схем выборки/хранения с мультиплексорами. В

отдельных случаях этот вариант может оказаться более

выгодным по сравнению с многоканальным ЦАП.

В данном варианте используется один ЦАП.

Преобразование выполняется последовательно для

каждого канала, а полученные данные в аналого-

вом виде записываются через коммутатор в каскад

выбранной аналоговой памяти. Следует учесть, что в

отличие от многоканальных ЦАП, в этом случае смена

данных в каналах происходит не одновременно, а

последовательно по мере защелкивания схем выбор-

ки.

Рис. 1. Структурная схема программируемого делителя MAX5430/5431

Рис. 2. MAX5426 – интегральный набор программируемых делителей для согласованной и прецизионной регулировки коэффициента усиле-ния инструментального усилителя, реализованного на тройке ОУ

81

Электронные компоненты №3 2010

Maxim выпускает четыре типа микросхем выборки/

хранения — MAX5165/66/67/68 . Все они имеют 32 кана-

ла выборки/хранения и один аналоговый вход, кроме

микросхемы MAX5166, у которой есть 4 аналоговых

входа, благодаря чему она может работать сразу с

четырьмя ЦАП. Достоинство схем расширения — высо-

кая линейность и точность передачи сигнала — не хуже

0,01%.

МИКРОСХЕМЫ ЦАП С ТОКОВЫМ ВЫХОДОМ

Для ряда применений требуется получение на выходе

ЦАП токового сигнала. Например, это может понадобить-

ся при измерении вольтамперных характеристик транзи-

сторных структур. В номенклатуре Maxim присутствует

несколько типов таких микросхем, например, DS4422/

DS4424. В их структуре реализовано два или четыре

канала ЦАП с источниками токовыми.

Направление выходного тока программируется на

втекающий (sink) или вытекающий (source). Внешний

резистор Rfso устанавливает диапазон выходного тока.

Для каждого из направлений тока доступно 31 значение

шкалы. Напряжение питания — 2,7… 5,5 В.

ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ

Микросхемы цифровых потенциометров в ряде слу-

чаев более предпочтительны для применения по срав-

нению с обычными ЦАП, в частности, в качестве замены

обычным механическим потенциометрам. Хотя в боль-

шинстве случаев для аналогового управления можно

использовать и обычные ЦАП, структура цифровых

потенциометров проще; не требуется высокая точность,

как в прецизионных ЦАП; цифровой потенциометр спо-

собен запоминать установленное значение при выклю-

чении питания.

В линейке цифровых потенциометров Maxim пред-

ставлены как многоканальные (до 6 каналов), так и

одноканальные микросхемы; как с функцией встро-

енной памяти NVRAM для хранения установки потен-

циометра после выключения питания, так и без нее.

Сопротивление такого «цифрового потенциометра»

может быть различным (как правило, из ряда 10, 50 и

100 кОм) и иметь как линейную, так и логарифмиче-

скую (для аудиоприложений) передаточную характе-

ристику. Все цифровые потенциометры имеют после-

довательный интерфейс SPI или I2C, за исключением

микросхем, которые ориентированы на использование

в схемах с ручным изменением положения движка

цифрового потенциометра без участия микроконтрол-

лера.

Есть и уникальные «высоковольтные» цифровые

потенциометры, которые обеспечивают работу резистив-

ного делителя в цепях с напряжением до 15,5 В.

Среди цифровых потенциометров Maxim можно отме-

тить уникальные недорогие типы MAX5527/MAX5528/

MAX5529 с однократно программируемым положени-

ем движка, используемые в качестве подстроечного

резистора. Сопротивления потенциометров — 10, 50

и 100 кОм. Число положений делителя — 32 (MAX5427/

MAX5428/MAX5429) или 64 (MAX5527/MAX5528/MAX5529).

ЦИФРОВОЙ ПОТЕНЦИОМЕТР ДЛЯ АУДИОАППАРАТУРЫ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ КНОПКАМИ «БОЛЬШЕ»/«МЕНЬШЕ» Микросхема MAX 5440 — цифровой регулятор гром-

кости и баланса для портативных и автомобильных

аудиосистем. Регулировка производится с помощью

ручки энкодера и двухрежимных кнопок. Потенциометры

имеют логарифмическую передаточную характеристику.

В микросхеме реализован драйвер светодиодной индика-

цией шкалы громкости или баланса.

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЙ

Микросхемы программируемых резистивных

делителей напряжений (см. рис. 1, 2) являются еще

одной разновидностью цифровых потенциометров.

Они предназначены для регулировки коэффициентов

усиления в PGA (programmable gain amplifi er). Выбор

коэффициента деления осуществляется установкой

перемычек и может осуществляться без участия

микроконтроллера. Резистивный делитель выполнен с

высокой точностью.

DS1851 — СДВОЕННЫЙ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ ЦИФРО-

АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТЕМПЕРАТУРНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ

Эта оригинальная разработка Maxim представляет

собой микросхему двухканального ЦАП для автома-

тического температурного управления без участия

микроконтроллера. Микросхема содержит два ЦАП,

последовательный интерфейс I2C, температурный

датчик и преобразователь в цифровой сигнал, а

также NVRAM с предварительно записанным профи-

лем выходных напряжений для управления внешним

Рис. 3. Структурная схема HART-модема DS8500

82

WWW.ELCP.RU

устройством в соответствие с измеренной температу-

рой среды.

Диапазон температурного датчика –40…95°C. Цикл

измерения — 10 мс. Температурные коэффициенты (по

одному на каждые 4 градуса шкалы) сохраняются в памя-

ти. Они могут быть запрограммированы всего один раз

на стадии регулировки готового устройства, в дальней-

шем не требуя участия микроконтроллера. ЦАП имеет

NVRAM для сохранения состояния перед выключением

питания.

Выходные сигналы могут использоваться для управ-

ления исполнительными механизмами или термоком-

пенсации в измерительных устройствах, например,

для изменения зарядного тока в зависимости от тем-

пературы. Основной класс устройств, на которые ори-

ентирована микросхема — датчики силы и давления,

акселерометры, датчики влажности, пьезорезистивные

датчики.

МИКРОСХЕМЫ ЦАП С ВЫХОДОМ «ТОКОВАЯ ПЕТЛЯ»

«Токовая петля» до сих пор широко применяется в

качестве аналогового интерфейса с различными датчика-

ми в системах промышленной автоматики/сбора данных.

Фирма Maxim предлагает широкий выбор микросхем

для реализации передачи данных методом «токовой

петли». Для реализации типовой схемы в качестве ЦАП

можно использовать микросхему из семейства MAX5134–

MAX5139. Эта серия преобразователей состоит из оди-

ночных, сдвоенных и счетверенных 16- и 12-разрядных

ЦАП, которые полностью совместимы программно и

имеют буферизированный rail-to-rail выход напряжения.

Сдвоенные и счетверенные микросхемы совместимы и

по выводам.

Микросхема MAX15501 обеспечивает защищенный,

программно конфигурируемый (с использованием

последовательного интерфейса SPI) аналоговый выход.

Диапазон выходного тока может быть не только однопо-

лярным 0…20/4…20 мА, но и биполярным — до ±24 мА.

Также есть возможность реализации выхода одно- и

биполярного напряжения с компенсацией сопротив-

ления соединительных проводов и диапазонами 0…5,

0…10 В или до ±12 В. Напряжение питания может быть в

пределах ±15…32,5 В.

HART-МОДЕМ

Микросхема DS8500 (см. рис. 3) представляет собой

интегральный HART-модем для реализации стандартного

интерфейса, используемого в устройствах промышлен-

ной автоматики.

Выходной ЦАП обеспечивает минимальный уровень

искажений выходного синусоидального сигнала, а

цифровая обработка входного FSK-сигнала — надеж-

ную передачу данных в условиях сильных помех.

Микросхема питается напряжения 2,7…3,6 В и потре-

бляет не более 285 мкА, что позволяет использовать

ее в измерительных преобразователях с питанием от

токовой петли.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЦАП

В группу высокочастотных ЦАП Maxim входят ЦАП

с частотами преобразования 40 МГц…4 ГГц. В этих

ЦАП используется только параллельный

интерфейс, в ряде случаев — дифференциальные

сигналы управления. Данный класс ориентирован

на применение, в основном, в схемах радиочастот-

ного диапазона, в частности — для осуществления

цифрового управления квадратурной амплитудной

модуляцией.

12-разрядный сверхбыстродействующий ЦАП

MAX19692 работает на частоте до 2,3 ГГц и обеспечива-

ет прямой синтез высокочастотного широкополосного

сигнала, в несколько раз превышающего критерий

Найквиста. Следующая разработка (модификация этой

микросхемы) — MAX9693 при той же разрядности обе-

спечивает работу уже на частоте 4 ГГц. Микросхема

имеет параллельный 12-разрядный дифференциаль-

ный LVDS-интерфейс с ПЛИС или заказными высоко-

частотными микросхемами. Микросхема выполнена в

компактном 169-выводном корпусе csBGA размером

11×11 мм.

Область применения высокочастотных ЦАП:

генераторы сигналов произвольной формы (AWG); �тестовое оборудование автоматизированного �контроля;

цифровой синтез радиопередающих устройств (канал �передатчика);

прямой цифровой синтез частот в радиоканале вплоть �до 2 ГГц;

синтез сигналов для радарных систем. �

MAX5881 — МИКРОСХЕМА 12-РАЗРЯДНОГО ЦАП С

БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ 4,3 Гвыб./с

Микросхема MAX5881 12-разрядного ЦАП предна-

значена специально для прямого синтеза радичастот

в многоканальных системах с квадратурной ампли-

тудной модуляцией сигналов (QAM) и предназначена

для кабельных модемов систем передачи данных.

Диапазон синтезируемых частот — 50 МГц…1 ГГц соот-

ветствует регламенту Data-Over-Cable Service Interface

Specification (DOCSIS®) кабельных систем передачи

данных.

Микросхема содержит четыре 12-разрядных

мультиплексных входных порта данных с диффе-

ренциальной передачей (LVDS) , каждый из которых

работает на частоте 1075 MГц в режиме с удвоением

скорости (DDR) или же в режиме QDR с увеличением

скорости в 4 раза. MAX5881 обеспечивает выдачу

внешнего сигнала синхронизации LVDS-потока для

упрощения интерфейса с FPGA или ASIC, в которых

производится синтез радиочастоты. Напряжение

питания 3,3 и 1,8 В с потреблением 1,3 Вт при частоте

4,3 Гвыб./с. Корпус — 169-выводный CSBGA имеет

размер 11×11 мм.

АУДИО-ЦАП И АУДИОКОДЕКИ

Этот класс микросхем Maxim предназначен для

использования в трактах аудиоустройств: MP3-плееров,

медиапроигрывателей, CD/DVD-плееров, автомобильных

аудиосистем. В микросхемах этого класса используются

16- и 18-разрядные ЦАП.

Управляющий интерфейс — I2C, а интерфейс пере-

дачи цифрового звука — стандартный I2S. Выпускаются

микросхемы как со встроенным выходным усилителем,

так и ИС, рассчитанные на работу с внешним УНЧ. В

аудиокодеках (5 типов) есть встроенные стереоусилители

микрофонов и наушников. Диапазон питающих напряже-

ний — 1,71…3,6 В.

ЛИТЕРАТУРА

Аналоговая токовая петля — решения от компании 1.

Maxim. А.Андрусевич // КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ, № 8, 2009

Обзор цифроаналоговых преобразователей Maxim. 2.

К.Староверов // Новости Электроники, №13, 2006

Application Note 1964 DS1851: Varactor Temperature 3.

Compensation

83

Электронные компоненты №3 2010

Значительная часть электронных схем, особенно ана-

логовых, содержит элементы, предназначенные для под-

стройки характеристик при наладке или для оперативного

управления при использовании аппаратуры. Для этих целей

использовались электромеханические переменные и под-

строечные резисторы. Заменой электромеханическим рези-

сторам с подвижным контактом, имеющим ограниченные

возможности, относительно большие габариты, требующим

ручной установки в необходимое положение, становятся

цифровые потенциометры.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Рассмотрим основные критерии, по которым можно

классифицировать цифровые потенциометры:

– Наличие или отсутствие энергонезависимой памяти. В

первом случае, при включении питания будет автоматиче-

ски восстановлено последнее используемое значение. Во

втором — заранее определенное начальное значение (как

правило, соответствующее половине диапазона). Третий

вариант — возможность однократно «прошить» в посто-

янную OTP-память иное начальное значение, отличное от

значения, заданного производителем.

– Интерфейс управления. Могут использоваться либо

стандартные интерфейсы I2C или SPI, либо, так называемое

«кнопочное управление» — Up/Down Control, которое будет

рассмотрено ниже.

– Количество потенциометров в корпусе. В номенклату-

ре компании ON Semiconductor представлены изделия с 1, 2

или 4 потенциометрами.

В статье идет речь об основных группах цифровых потенциометров компании On Semiconductor. Подробно рас-

смотрена одна из таких групп – цифровые потенциометры с управлением Up/Down. Описаны и новые изделия,

анонсированные летом 2009 года.

АНДРЕЙ НИКИТИН, технический консультант

Цифровые потенциометры компании

On Semiconductor

Летом 2009 года компания ON Semiconductor выпустила два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 — цифровые потенциометры с разрешением на 258 положений без энер-гонезависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и I2C.

Рис. 1. Основные группы цифровых потенциометров компании ON Semiconductor

– Разрешающая способность или количество положений

движка. Как правило, число, равное степени 2. В продукции

ON Semiconductor представлены потенциометры с разре-

шающей способностью от 16 до 256. Иногда используются

«некратные» значения, например 100. В микросхемах,

управляемых по интерфейсу, используются большие значе-

ния (64, 128, 256). В микросхемах с «кнопочным управлени-

ем» без энергонезависимой памяти — малые (16 и 32), а с

памятью — промежуточные (от 32 до 128).

Поскольку номенклатура цифровых потенциометров

компании ON Semiconductor достаточно широка (более 300

микросхем и 35 семейств), то не имеет смысла приводить

таблицы с параметрами. Параметрический поиск доступен

на сайте производителя www.onsemi.com. Продукция, в

соответствии с этими критериями, была объединена в груп-

пы, что иллюстрируется рисунком 1.

К другим параметрам отнесем:

– Полное сопротивление потенциометра (сопротивле-

ние между крайними положениями H и L). Обычно исполь-

зуются значения 10, 50 или 100 кОм. Реже — 1; 2,5 и 32 кОм.

– Допустимое напряжение между выводами H и L. Прин-

ципиальное отличие цифровых потенциометров от пере-

менных резисторов заключается в том, что напряжение

между выводами H и L не может быть выше регламенти-

рованного. Как правило, оно равно напряжению питания

84

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Диаграммы двух методов управления Up/Down

самой микросхемы (обычно 2,7…5,5 В). Исключением

явля ются семейства САТ5132 и САТ51323 — при величине

питания до 5,5 В, напряжение между выводами H и L может

достигать 16 В.

– Функциональная характеристика. В большинстве

случаев эта характеристика (зависимость сопротивления

между выводами W и L от управляющего кода) линейна, то

есть предполагается, что все резисторы в цепочке имеют

одинаковое сопротивление. Исключением является семей-

ство CAT5116, в котором реализована логарифмическая

характеристика.

– Нелинейность характеристики. Она определяется

реальным отклонением резисторов в цепочке от номиналь-

ного значения.

Есть и другие параметры: температурный коэффициент

сопротивления; отклонение полного сопротивления; сопро-

тивление движка. Они имеют тот же смысл, что и для тради-

ционных переменных резисторов, и приведены в докумен-

тации производителя на конкретную микросхему.

УПРАВЛЕНИЕ UP/DOWN

Отметим, что управление Up/Down используется только

для моделей с одним потенциометром в корпусе (одинар-

ные). Применение этого управления в «многоканальных»

микросхемах привело бы к существенному увеличению

внешних выводов. Наиболее простыми являются цифровые

потенциометры с управлением Up/Down. В продукции ком-

пании ON Semiconductor реализованы три модификации

такого управления:

– Управление по двум линиям CS и U/D;

– Управление по трем линиям CS, U/D и INC;

– Управление по двум линиям Up и Down.

УПРАВЛЕНИЕ ПО ДВУМ ЛИНИЯМ CS И U/D

Назначение линии CS (активный низкий) заключается в том,

что отрицательный перепад фиксирует направление изме-

нения сопротивления, которое (изменение сопротивления)

возможно только при низком уровне сигнала. При высоком

уровне сигнала изменения сопротивления не происходит.

Линия U/D в момент отрицательного перепада сигнала

CS определяет направление изменения сопротивления (при

низком уровне — уменьшение, при высоком — увеличение).

При низком уровне сигнала CS положительный перепад сиг-

нала U/D приводит к изменению сопротивления на один дис-

крет (в направлении, определенном ранее).

Рассмотрим диаграмму А на рисунке 2.

В момент 1 состояние сигнала CS из высокого становится

низким. Поскольку состояние линии U/D высокое, то опреде-

ляется направление на повышение. В моменты 2 положитель-

ный перепад сигнала U/D приводит к увеличению сопротивле-

ния (напряжение между нижней точкой L и средней точкой W

потенциометра растет). В момент 3 положительный перепад

сигнала CS запрещает дальнейшее изменение сопротивления.

В моменты 4 по положительному перепаду сигнала U/D ничего

не происходит, поскольку состояние сигнала CS высокое. В

момент 5 состояние сигнала CS переходит из высокого в низ-

кий, но в этот раз состояние линии U/D низкое, следовательно,

определяется направление на понижение. Соответственно, в

моменты 6 положительный перепад сигнала U/D приводит к

уменьшению сопротивления.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5110,

CAT5118…CAT5127 и CAT5128.

УПРАВЛЕНИЕ ПО ТРЕМ ЛИНИЯМ CS, U/D И INC

Данный метод (иллюстрируется диаграммой Б на рисун-

ке 2) более прост в понимании, но в реализации занимает

на одну линию больше. Сигнал CS только запрещает (при

высоком уровне) или разрешает (при низком уровне) изме-

нение состояния потенциометра. Сигнал U/D только задает

направление изменения: низкий уровень — на понижение,

высокий — на повышение. Любые изменения состояния

могут происходит только по отрицательному перепаду сиг-

нала INC. Если при этом на линии CS низкий уровень, а на

линии U/D высокий — сопротивление растет. На линии CS

низкий уровень, и на линии U/D низкийуровень — сопро-

тивление уменьшается. Если на линии CS высокий уровень,

то отрицательный перепад сигнала INC никаких изменения

сопротивления не вызывает.

Данный метод реализован в микросхемах CAT5111…

CAT5116 и CAT5133.

УПРАВЛЕНИЕ ПО ДВУМ ЛИНИЯМ UP И DOWN

Данный способ управления заставляет вспомнить о

простейшем RS-триггере. Отрицательный перепад сигнала

Down вызывает уменьшение сопротивления, а отрицатель-

ный перепад сигнала Up — соответственно, его повышение.

При этом в первом случае предполагается, что на линии

Up — высокий уровень. А во втором случае, соответствен-

но, предполагается, что высокий уровень — на линии Down.

На временных диаграммах из документации производите-

ля [4] эти условия выполняются, то есть все хорошо. А если

что-то не выполняется? С одной стороны, в документации

производителя ясно указано: срабатывание по отрицатель-

ному перепаду сигнала Up произойдет «если и только» на

линии Down будет высокий уровень. Про срабатывание по

отрицательному перепаду сигнала Down каких-то ограни-

85

Электронные компоненты №3 2010

чений не приведено. Надо понимать, что оно произойдет

в любом случае, а как на самом деле… Метод реализован

только в одной микросхеме CAT5128.

Цифровые потенциометры с управлением Up/Down без

энергонезависимой памяти

В данную группу входят (см. рис. 1) три микросхемы

(CAT5120, CAT5121 и CAT5122) с разрешающей способно-

стью 16 положений и восемь микросхем (CAT5110, CAT5115,

CAT518, CAT5119, CAT5123, CAT5124, CAT5125 и CAT5128) на 32

положения. Обобщенная структура цифровых потенциоме-

тров этого типа приведена на рис. 3.

Рассмотрим ее работу. Сигналы управления (две или три

линии, показанные цифрами 1, 2 и 3) поступают на схему

управления, которая, при необходимости, формирует сигналы

инкремента и декремента реверсивного счетчика (показан

счетчик для 32 состояний). Выходы счетчика дешифрируются, и

замыкается один из ключей. Например, для состояния 0 будет

замкнут нижний ключ, и сопротивление между выводами W

и L будет равно нулю, а между W и H — будет максимальным.

С инкрементом счетчика сопротивление между W и L будет

расти, а между W и H — уменьшаться.

При каждом выключении питания текущее состояние не

запоминается. При каждом включении питания формирует-

ся сигнал PoR, который загружает счетчик неизменяемым

стартовым значением (Обычно, половина диапазона — в

рассматриваемом случае 16).

Отметим также, что на рисунке 3 представлен обобщен-

ный случай, а именно, если контакты питания не связаны

с выводами потенциометра, то вывод L не связан с общим

проводом Gnd, а вывод H — с питанием Vcc. Такая схема

требует наличия семи- или восьмивыводного корпуса и из

рассматриваемых устройств реализована лишь в CAT5115

(управление по трем линиям), CAT5128. Остальные устрой-

ства размещены в пяти- или шестивыводных корпусах за

счет организации внутренних коммутаций, которые пред-

ставлены на рисунке 4.

ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ С УПРАВЛЕНИЕМ UP/

DOWN С ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТЬЮ

В данную группу входят (см. рис. 1) четыре микросхемы

(CAT5112, CAT5114, CAT5127 и CAT5129) с разрешающей спо-

собностью 32 положения, три микросхемы (CAT5111, CAT5113

и CAT5116) на 100 положений и CAT5133 на 128 положений.

Обобщенная структура цифровых потенциометров этого

типа приведена на рисунке 5.

Рис. 4. Внутренние коммутации в цифровых потенциометрах с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

Рис. 3. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти

86

WWW.ELCP.RU

По сравнению с рисунком 3 добавлена энергонезависи-

мая память, которая по своему функциональному назначе-

нию является регистром. В этот регистр перезаписывается

значение реверсивного счетчика при снятии сигнала CS.

При выключении питания состояние счетчика теряется, но

продолжает храниться в регистре. При следующем включе-

нии питания формируется сигнал PoR, который загружает

счетчик последним значением.

Отметим также отличительную особенность CAT5127

и CAT5129 — они обеспечивают длительное сохранение

сопротивления после отключения электроэнергии.

ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСАМ

Рассмотрим те преимущества и возможности, которые

вносят последовательные интерфейсы при управлении

цифровыми потенциометрами.

Летом 2009 г. компания ON Semiconductor выпустила

два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 — цифровые потен-

циометры с разрешением на 258 положений без энергоне-

зависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и

I2C. Структурные схемы потенциометров представлены на

рисунке 6.

Рассмотрим потенциометр CAT5172. Как видим, интерфейс

SPI однонаправленный, то есть микросхема только принима-

ет данные. Самое существенное достоинство — это возмож-

ность прямого задания управляющего кода. Потенциометры

с управлением Up/Down не обеспечивали возможности чте-

ния текущего состояния счетчика. Следовательно, в реальной

системе состояние приходилось дублировать вне потенцио-

метра. В таких потенциометрах было необходимо контроли-

ровать число циклов инкремента (декремента), необходимых

для установления требуемого кода. Сама реализации одного

цикла была достаточно сложна. При подозрениях на сбой-

ную ситуацию привести потенциометр в среднее положение

было возможно только при снятии питания.

В случае с CAT5172 возможности считать текущее состояния

также нет, но есть возможность непосредственно записать

Рис. 6. Структурные схемы цифровых потенциометров CAT5171 и CAT5172

требуемое значение. При этом нет необходимости помнить

текущее состояние и думать «в какую сторону крутить потен-

циометр». Кроме того, естественным образом увеличилась

разрешающая способность — длительность установки пере-

стала зависить от того, насколько сильно надо изменить поло-

жение «движка»: на 3 дискретных шага или на 30. Интерфейс

выполнен в простейшем варианте сдвигового регистра и

легко реализуется как с помощью микроконтроллера, так и на

жесткой логике. Число выводов микросхемы (если сравнивать

с полным вариантом CAT5115) не изменилось.

Потенциометр CAT5171 реализован с использованием

более сложного двунаправленного I2C. За счет этого появ-

ляются дополнительные возможности: он позволяет считать

текущее состояние в целях контроля. Кроме того реализо-

ваны функции: принудительный возврат в среднее состоя-

ние и функцию Shutdown, то есть разрыв цепи резисторов

между положениями H, W, L. Интерфейс I2C — тривиальный

атрибут современных микроконтроллеров, и его реализа-

ция также не вызывает сложностей.

Другие дополнительные преимущества:

– Возможность реализации нескольких потенциометров

в одном корпусе. Ранее каждый из потенциометров требо-

вал своих линий управления, что увеличивало число выво-

дов.

– Возможность чтения как регистра начальных значе-

ний, так и счетчика текущего состояния.

– Возможность реализации вариантов работы — напри-

мер, прямой переход и инкремент по шагам.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Области применения цифровых потенциометров в

настоящее время весьма разнообразны, назовем некоторые

из них:

– Подстройка «тонких» датчиков: давления, температу-

ры, положения, оптических датчиков;

– Цифровая регулировка усиления;

– Регулировка частоты и скважности генераторов;

– Регулировка громкости в аудиосистемах;

– Регулировка смещения нуля в усилителях;

– Реализация регулируемых источников опорного

напряжения;

– Регулировка выходного напряжения стабилизаторов;

– Регулировка контрастности ЖК-индикаторов;

– Замена электромеханических потенциометров на циф-

ровые аналоги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Словосочетание «цифровые потенциометры» у большин-

ства отечественных разработчиков прочно ассоциируется

с компаниями Maxim Integrated Products и Analog Devices.

Безусловно, названные компании заметны на этом направ-

лении. Но и в компании ON Semiconductor оно возникло

не на пустом месте. Купив в 2008 году компанию Catalyst

Semiconductor, ONSemi существенно дополнила свою номен-

клатуру. EEPROM-память и цифровые потенциометры — для

нее направления новые. Однако мы видим, что практически

не обновлявшаяся с 2004 года линейка цифровых потенцио-

метров Catalyst дополнилась новыми изделиями в целевых

нишах. Безусловно, следует ожидать дальнейшего развития

этого направления в продукции ON Semiconductor.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ридико Л. Цифровые потенциометры//Компоненты и тех-

нологии, №5, 2001.

2. Шитиков А. Цифровые потенциометры от Dallas

Semiconductor//Компоненты и технологии, №8, 2001.

3. Андрусевич А. Управление потенциалом. Цифровые потен-

циометры Maxim/Dallas//Новости электроники, №15, 2006.

4. CAP5128. 32-Tap Digital Up/Down Control Potentiometer//

Документ компании On Semiconductor Doc. No. MD-2128 Rev. C

(CAT5128-D.pdf).

Рис. 5. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управление Up/Down с энергонезависимой памятью

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

87

Электронные компоненты №3 2010

Повышенная помехоустойчивость оптронных тиристоров относится

к их потенциальным преимуществам. При использовании силовых опто-

тиристоров в регулируемых преобразователях электрической энергии

не снижаются требования к качеству и надежности работы их систем

импульсно-фазового управления (СИФУ). Недопустимы сбои в СИФУ и (или)

подача сигналов управления при отрицательных напряжениях на вен-

тилях. Выпрямители и регуляторы на оптронных тиристорах нельзя

выполнять с системами управления и регулирования, осуществляющими

непрерывную подачу управляющих сигналов одновременно на все или

часть вентилей, например пакетную на повышенной частоте без обяза-

тельного контроля полярности напряжения на них.

СИЛОВЫЕ ОПТОТИРИСТОРЫ ДЛЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И РЕГУЛЯТОРОВ

С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ. Часть 1ЕВГЕНИЙ СИЛКИН, к.т.н., с.н.с., ген. директор, ЗАО «Элси»

Параметры сигналов управления

должны соответствовать требованиям

паспорта и технических условий на при-

боры и тщательным образом оптимизиро-

ваться. Рекомендации статьи применимы

также к преобразовательным устройст-

вам на фототиристорах и обычных тири-

сторах с управляющим электродом.

Обычные тиристоры (SCR) представ-

ляют собой одно из старейших поко-

лений «твердотельных» управляемых

статических ключей, которое, однако,

не превзойдено по показателям эффек-

тивности и надежности при использо-

вании в преобразовательной технике

больших и сверхбольших мощностей.

Несмотря на интенсивное развитие

и многообразие современных силовых

электронных приборов, тиристоры про-

должают уверенно занимать свою нишу

в силовой электронике больших мощ-

ностей.

Тиристоры разделяются на симме-

тричные и асимметричные. В подавляю-

щем большинстве применений прибор

должен выдерживать обратное напря-

жение и иметь симметричную вольт-

амперную характеристику в выключен-

ном состоянии. К таким применениям

относятся преобразователи и регулято-

ры с фазовым управлением, например,

выпрямители — самые энергоемкие

и массовые устройства современной

силовой электроники. Асимметричные

тиристоры используются лишь в огра-

ниченном ряде преобразовательных

систем, где не требуется блокирующая

способность в обратном направлении.

Управляемые выпрямители явля-

ются вентильными преобразователя-

ми электрической энергии одно- или

многофазного переменного тока в

постоянный ток. Они используются в

различных системах автоматическо-

го управления (САУ), в т.ч. в электро-

приводах постоянного и переменного

тока, электротехнологических и элек-

трофизических установках как эффек-

тивные усилители мощности [1—8].

Управляемые выпрямители обладают

высокими энергетическими и регули-

ровочными характеристиками и высо-

ким быстродействием.

В настоящее время в качестве сило-

вых вентилей в управляемых выпрями-

телях применяются полупроводниковые

приборы, чаще всего обычные тиристо-

ры в виде дискретных элементов или в

виде модулей и сборок.

Тиристор для гальванической развяз-

ки силовых и информационных цепей

и реализации управления, как извест-

но, требует применения специальных

управляющих схем, называемых выход-

ными каскадами, формирователями

импульсов или драйверами. Основным

назначением схемы драйвера являет-

ся формирование в цепи управления

тиристора в заданный момент време-

ни импульса тока с требуемыми зна-

чениями амплитуды и длительности.

Только на первый взгляд это простая

задача. Стремление использовать опти-

ческую развязку привело к созданию

современных фото- и оптотиристоров

на большие токи и напряжения [9, 10,

13–18]. Достоинством таких приборов

является именно эффективная развяз-

ка информационной или управляющей

и силовой цепи. Управляющие драй-

веры для приборов с развязкой по

оптическому каналу могут иметь более

простое устройство, по сравнению

с драйверами обычных тиристоров.

Оптическая развязка позволяет не толь-

ко значительно упростить управление,

но и повышает помехоустойчивость

выпрямителей большой мощности и

знергоемких систем автоматического

управления на их основе, в частности,

высоковольтных систем. Однако при соз-

дании энергоемких устройств на фото- и

оптотиристорах требования к качеству

проектирования СИФУ не снижаются.

Наибольшие возможности по обес-

пе чению эффективной гальванической

развязки силовой и инфор мационной

частей и высокой помехоустойчивости

САУ достигаются, конечно же, в устрой-

ствах на фототиристорах. Оптронные

тиристоры, в силу специфики кон-

струкции, занимают промежуточное

положение между фототиристорами

и обычными тиристорами с управляю-

щим электродом.

Оптотиристоры состоят из силово-

го кремниевого (Si) фототиристора и

управляющего светодиода малой мощ-

ности, как правило, излучающего в

инфракрасном диапазоне 0,9…1,2 мкм

на основе арсенида галлия (GaAs). Таким

образом, два полупроводниковых эле-

мента объединены в одну конструк-

цию. Выводы излучающего светодиода

в приборе электрически изолированы

от силовых выводов. Такие тиристоры

выпускаются в корпусах штыревого

исполнения либо в виде модульных

конструкций, имеющих также изолиро-

ванное основание (см. рис. 1).

Рис. 1. Конструкция и электрическая схема модуль-ной сборки полумоста на оптронных тиристорах

88

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

WWW.ELCP.RU

Таблица 1. Паспортные электрические характеристики сильноточных оптотиристорных модулей, характе-ризующие уровень серийных разработок

Тип при-бора

Параметр

МТОТО-160 (ОАО «Оптрон-Ставрополь»,

Россия)

5П103ТТ-100 (ЗАО «Протон-Импульс»,

Россия)

СмМТОТО-1000 (ОАО «КЭТЗ Диод»,

Киргизия)

МТОТО9/3-250 (ООО «Элемент-

Преобразователь», Украина)

UDRM/URRM, В 400…1600 800…1200 400…2400 400…1600

UDSM/URSM, В 450…1800 900…1300 450…2640 450…1800

IT(AV), A 160 100 1000 250

ITSM, кA 3,20 (10 мс) 1,50 (10 мс) 24,0 (10 мс) 6,00 (10 мс)

UIZ, кВ 2,50 2,84 2,50 2,50

UТМ, В 2,00 1,75 2,00 (3100 ) 1,65 (785 )

IDRM/IRRM, мА 15/15 (100°С) 6/6 (125°С) 50/50 (125°С) 20/20 (100°С)

(duD/dt)crit, В/мкс 1000 100 20…1000 50…1000

(diD/dt)crit, A/мкс 70 160 200 –

IGT, мА 80 60 (25°С) 250 (25°С) 80 (25°С)

IGTM, мА 250 – 300 250

UGT, В 2,5 1,6 – 1,8

UGD, В 0,90 0,80 – 0,9

tq, мкс 100 150 – –

ТJM 100 125 125 100

Rthjc,°С/Вт 0,15 0,30 0,035 0,105

W, кг 0,500 0,140 4,150 0,300

При освещении полупроводника в

нем возникают электронно-дырочные

пары, участвующие в увеличении тока

через прибор. Необходимая для пере-

ключения фототиристора мощность

светового потока зависит от глубины

залегания переходов под поверхностью

полупроводника, скорости поверхност-

ной и объемной рекомбинации и воз-

растает с увеличением длины волны.

Эффективность генерации носителей

определяется не только спектром излу-

чения светодиода, но и конструктивны-

ми особенностями прибора: диаграм-

мой направленности; углами и местом

падения пучка излучения; отношением

площади оптического окна к общей

площади кристалла; устройством све-

тового канала и свойствами используе-

мых материалов.

Полупроводниковая структура фото-

тиристора практически ничем не отли-

чается от структуры обычного тиристора

с управляющим электродом, за исклю-

чением возможного изменения глубин

залегания и степени легирования отдель-

ных слоев для снижения, например, вели-

чины требуемого заряда управления. В

настоящее время доступны дискретные

низкочастотные приборы и оптотири-

сторные модули на токи до 1 кА и напря-

жения до 2,4 кВ, что позволяет создавать,

например, управляемые выпрямители с

выходной мощностью в несколько мега-

ватт (для напряжений стандартных про-

мышленных сетей 50, 60 и 400 Гц). Ведутся

также и разработки быстродействую-

щих оптронных тиристоров на рабочие

частоты выше 500 Гц. Достигнутый уро-

вень серийных промышленных разрабо-

ток отражает таблица 1 (в ней и далее

использована стандартная «справочная»

система условных обозначений [9—12]

параметров тиристоров).

Наиболее распространенным в

области средних и больших мощностей

регулируемого преобразования (до

1…2 мВт) переменного тока в посто-

янный является трехфазный мостовой

полностью управляемый выпрямитель,

известный также под другим назва-

нием как простая трехфазная схема

Ларионова. Определение «полностью

управляемый» означает только то, что

все шесть основных вентилей трехфаз-

ного моста выполняются управляемы-

ми. Сам же выпрямитель может быть с

фазовым управлением, то есть являть-

ся управляемым и регулируемым или

не иметь фазового регулирования

выходного напряжения (управляемый

нерегулируемый выпрямитель).

Трехфазный мост Ларионова состоит

из двух групп основных вентилей: катод-

ной и анодной. При выполнении одной

из групп на диодах или на управляемых

вентилях, но без фазового регулиро-

вания, получаем т.н. полууправляемый

трехфазный мостовой выпрямитель. В

качестве силовых управляемых венти-

лей в схеме Ларионова можно исполь-

зовать оптронные тиристоры.

Самым сложным вариантом регу-

лирования для трехфазных мостовых

схем является фазовое регулирование

полностью управляемого выпрямителя,

работающего на «индуктивную» нагруз-

ку. На каждый вентиль при углах управ-

ления α, превышающих 60 град. эл., и

индуктивной нагрузке (а также нагрузке

с противо-ЭДС или при работе выпря-

мителей в составе двухзвенных и много-

звенных преобразователей, в т.ч. преоб-

разователей частоты с явно выраженным

звеном постоянного тока) СИФУ выраба-

тываются и подаются строго синхронизи-

рованные с питающей сетью сдвоенные

импульсы управления длительностью (τ)

до 18 град. эл. каждый (или управляющие

импульсные последовательности до 60

град. эл.). Сдвоение импульсов осущест-

вляется подачей основного или «свое-

го» и дополнительного импульса управ-

ления от канала, вступающего в работу

вентиля. Оно является обязательным,

обеспечивающим запуск и правильное

функционирование устройства на осно-

ве регулируемой трехфазной мостовой

схемы Ларионова.

Для снижения уровня пульсаций

выходного напряжения и повышения

коэффициента мощности (cos φ) управ-

ляемого выпрямителя при глубоком

фазовом регулировании и работе на

индуктивную нагрузку мост в ряде случа-

ев шунтируют встречным (нулевым) дио-

дом. Однако более эффективной, но реже

применяемой, является имитация рабо-

ты нулевого или, по-другому, демпфер-

ного вентиля основными управляемыми

вентилями. В этом варианте реализации

алгоритм управления трехфазного моста

еще более усложняется за счет необхо-

димости обеспечить подачу на венти-

ли за период трех импульсов управле-

ния (при углах α более 60 град. эл.). Но

значимым преимуществом полностью

управляемого выпрямителя с имитацией

нулевого вентиля является возможность

нормального перевода его в инвертор-

ный или зависимый режим в случае

аварии или простого отключения, что

нельзя осуществить при наличии реаль-

но установленного демпферного диода.

К другому немаловажному достоинству

следует отнести упрощение и возможное

удешевление схемы за счет исключения

«лишнего» силового вентиля.

В области больших и сверхбольших

(более одного мегаватта) мощностей

находят применение также и состав-

ные или многопульсные выпрямители

с последовательным и параллельным

соединением полностью управляемых

трехфазных мостов (см. рис. 2). Это

Рис. 2. Полностью управляемый выпрямитель с последовательным соединением трехфазных мостов (двенадцатипульсный)

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

89

Электронные компоненты №3 2010

позволяет не только получить требуе-

мые токи и напряжения на нагрузке, но

и обеспечить ряд дополнительных пре-

имуществ, обусловленных повышенны-

ми пульсностями схем. Принципы их

работы, в основном, подобны обычному

трехфазному мостовому выпрямителю,

выполненному по схеме Ларионова.

В трехфазной схеме Ларионова с

демпферным диодом при работе на

«существенно индуктивную» нагруз-

ку (основной вид) выходное напряже-

ние всегда знакопостоянное. Интервал

проводимости управляемого вентиля

составляет 120 град. эл. Обратное напря-

жение к вентилю может прикладываться

в момент его выключения при малых

углах (α) либо по истечении интервала

проводимости демпферного диода (или

имитирующего его управляемого вен-

тиля моста) при углах α, превышающих

60 град. эл. Таким образом, максималь-

ный угол управления αmax, при котором

импульсы управления не подаются на

вентили, находящиеся под отрицатель-

ным напряжением, составляет не более

180 град. эл. от точки «естественной» ком-

мутации. А момент перехода линейного

напряжения через нуль в отрицатель-

ную область значений является той вре-

менной границей, за которую, при регу-

лировании угла α, сигналы управления

выходить не должны. Однако импульсы

управления в практически реализуемых

САУ, как было отмечено выше, имеют

определенную и, в некоторых случаях,

довольно большую длительность (τ).

Поэтому максимальный угол управле-

ния (αmax) должен устанавливаться мень-

ше граничного (180 град. эл.), соответ-

ственно, на величину, превышающую τ

(т.е. αmax < 180 – τ), что имеет принци-

пиальное значение для любых типов

используемых в выпрямителе тиристо-

ров, в т.ч. оптронных.

Когда тиристор находится под обрат-

ным напряжением, не существует опас-

ности его включения как при положи-

тельном, так и при отрицательном (для

прибора с управляющим электродом)

значении тока управления iG. Однако

одновременное воздействие прямого

или положительного тока iFG управле-

ния и обратного напряжения UR созда-

ют опасность для тиристорной структу-

ры в другом отношении.

Из-за т.н. транзисторного эффекта в

четырехслойной полупроводниковой

p-n-p-n-структуре обратный ток утечки

IR при приложении к тиристору обрат-

ного напряжения UR (если протекает

прямой ток управления iFG) резко воз-

растает и начинает значительно превы-

шать свое номинальное гарантирован-

ное или паспортное значение. Даже для

сравнительно малой величины iFG (для

силовых вентилей менее 1 А) последний

может вызвать увеличение токов утеч-

ки IR свыше 100 мА уже при комнатной

температуре (TJ = 25°C), т.е. в десятки

и сотни раз. В результате резкого воз-

растания потерь мощности это явление

легко приводит к повреждению струк-

туры, и его следует избегать во всех

режимах работы тиристора, а также учи-

тывать при установлении длительности

τ импульса управления и определении

или регулировании его фазы.

В реальных САУ с выпрямителями ино-

гда используют способ непрерывной, или

пакетной, подачи импульсов управления

одновременно на все вентили схемы

(управляемый нерегулируемый выпря-

митель), например с повышенной часто-

той. Выпрямитель в этом случае ведет

себя как устройство, выполненное на

обычных диодах. То есть, в схеме включа-

ется и начинает проводить ток тот сило-

вой вентиль, потенциал на аноде которо-

го в данный момент времени выше, чем

потенциал на катоде. В таких устройствах

может быть реализована сравнитель-

но эффективная и быстродействующая

«сеточная» защита простым снятием

импульсов управления вентилями и, с

этой целью, применение способа пакет-

ной подачи вполне оправдано. Однако

без принятия специальных мер надеж-

ность преобразовательного устройства

может существенно снизиться.

В преобразователях частоты серий

ППЧ (НПП «Курай», г. Уфа) и ТПЧ (ОАО

ОКБ «Искра», г. Ульяновск), имеющих

двухзвенную структуру на основе трех-

фазного мостового полностью управляе-

90

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

WWW.ELCP.RU

мого нерегулируемого выпрямителя и

однофазного инвертора, предназначен-

ных для питания токами повышенных

частот электротехнологических устано-

вок различного назначения, в выпря-

мителях при промышленной сети 380 В

используются обычные низкочастотные

тиристоры с управляющим электродом,

соответственно, 13-го и 18-го класса по

напряжению и многократным запасом по

току [3, 4]. Импульсы управления на тири-

сторы в этих преобразователях подают-

ся одновременным (пакетным) способом

на высокой частоте, соответствующей

выходной частоте инвертора. В процессе

эксплуатации (мощности устройств 250

и 200 кВт), несмотря на высокий класс,

наличие нескольких защитных цепей

от перенапряжений, запасы по току и

жидкостное охлаждение вентилей, про-

исходят довольно частые отказы выпря-

мителей. Обеспечить требуемую высо-

кую надежность работы устройств не

удается.

В преобразователях классической

серии ТПЧ (фирма ESTEL, г. Таллинн) ана-

логичного назначения при напряжении

стандартной сети (380 В) в выпрямите-

ле используются тиристоры 16-го клас-

са с очень большим запасом по току и

эффективным жидкостным охлаждением

[5, 6]. Фазовое регулирование полностью

управляемого выпрямителя по трехфаз-

ной схеме Ларионова в этом преобразо-

вателе осуществляется в довольно широ-

ких пределах — до 80%. Имитация работы

нулевого вентиля производится основны-

ми вентилями моста. Выпрямитель имеет

общую мощную защитную цепь тири-

сторов от перенапряжений. Кроме того,

между анодом и управляющим электро-

дом каждого тиристора включены защит-

ные варисторы. В процессе эксплуатации

(устройства мощностью 320 кВт) частота

отказов тиристоров выпрямителя ока-

зывается не ниже, чем частота отказов

быстродействующих тиристоров в инвер-

торе, работающих на повышенной частоте

и имеющих значительно меньшие запасы

по напряжению и току.

Причина частых отказов выпрями-

телей в рассмотренных примерах одна

и та же и она заключается в неправиль-

ном управлении силовыми вентилями

выпрямителя.

При использовании пакетного спо-

соба управления в преобразователях

для электротехнологических установок

советской серии СЧГ (ЛОЭЗ ВНИИТВЧ,

г. Ленинград) выпрямители по трехфазной

мостовой схеме выполнялись на тири-

сторах с последовательно включенными

диодами [7, 8]. Преобразователи частоты

этого типа (мощностью до 250 кВт) счи-

тались одними из самых надежных в экс-

плуатации. А последовательное соедине-

ние было применено в них именно для

исключения отрицательного влияния

подачи импульсов управления на интер-

валах обратных напряжений на вентилях.

Устанавливаемые тиристоры в СЧГ при

напряжении питающей сети 380 В имели

класс не выше 10-го.

Несанкционированная подача сиг-

налов управления при отрицательном

напряжении на тиристорах в выпря-

мителе может быть вызвана сбоями в

СИФУ, выходом за установленные пре-

делы угла управления α, изменением

порядка чередования фаз питающей

сети, переходными процессами.

Ухудшение свойств тиристоров с

управляющим электродом и снижение

надежности при непрерывной подаче

импульсов (сигнала) управления и отри-

цательном напряжении на них известно

как «снижение класса». Однако класс при-

бора по напряжению, т.е. наименьшее

из значений повторяющегося импульс-

ного напряжения в закрытом состоянии

UDRM и повторяющегося импульсного

обратного напряжения URRM, классифика-

ционный параметр, определяемый при

установленных регламентирующими

документами режимах испытаний, в т.ч.

при разомкнутом управляющем электро-

де и отсутствии сигнала управления, не

снижается.

Способность тиристорной структу-

ры выдерживать прямое и обратное

напряжение может характеризоваться

напряжением переключения U(BO) и про-

боя (загиба) U(BR) (см. рис. 3). Существует,

как известно, несколько типов пробоя

полупроводниковых структур, от кото-

рых эти параметры зависят различным

образом. И величины U(BO), U(BR) в рассма-

триваемом случае могут не измениться

или даже увеличиться с ростом темпе-

ратуры структуры TJ и токов утечки ID, IR.

При работе преобразователей на

вентилях возникают коммутационные

перенапряжения, превышающие по

амплитуде напряжения в нормальных

статических режимах. Для этих случа-

ев в справочных данных на тиристоры

приводятся значения неповторяющих-

ся импульсных: напряжения в закрытом

состоянии UDSM и обратного напряжения

URSM, которые не должны превышаться

при любых режимах эксплуатации.

С целью обеспечения надежной

работы силовых полупроводниковых

приборов в реальных системах их обыч-

но выбирают с запасом по напряжению,

т.е. устанавливают рабочее напряжение

несколько меньшим повторяющегося.

Этот запас характеризуется параметра-

ми импульсных рабочих: напряжения в

закрытом состоянии UDWM и обратного

напряжения URWM.

Используется еще два классифика-

ционных параметра тиристоров по

напряжению: постоянное напряжение

в закрытом состоянии UD и постоянное

обратное напряжение UR. Эти величи-

ны характеризуют работу приборов в

т.н. ждущем режиме, например в цепи

постоянного тока. Через тиристорную

структуру при этом протекают постоян-

ные: прямой ID (ток утечки в закрытом

состоянии) или обратный IR ток утеч-

ки. Выделяемая в приборе мощность от

токов утечек (ID, IR) может достигать пре-

дельных значений и вести к перегреву.

Для исключения перегрева постоянные

напряжения, прикладываемые к прибо-

ру в ждущих режимах (UD, UR), должны

быть ограничены (UD < UDWM, UR < URWM).

Соответственно, важными дополни-

тельными критериями, определяющи-

ми годность прибора при импульсных

напряжениях, т.е. способность выдер-

живать напряжение, определяемое в

соответствии с маркировкой по клас-

су, могут являться повторяющиеся

импульсные: ток в закрытом состоянии

IDRM и обратный ток IRRM. Эти параметры

также измеряются в стандартных режи-

мах испытаний при разомкнутой цепи

управления (iFG = 0).

На рисунке 3 изображена вольт-

амперная характеристика образца сило-

вого оптотиристора типа ТО242-80-12,

имеющего маркировку 12-го класса в

диапазонах допустимых для него токов

утечек (ID, IR) при температуре перехода

TJ = 20°C и отсутствии сигнала управле-

ния (iFG = 0). Как видно, токи утечек ID,

IR, IDRM, IRRM в этих условиях очень малы

(IDRM = 1,7 мкА, IRRM = 1,9 мкА).

Значения токов утечек определяют-

ся дефектами структуры в объеме и на

поверхности, искусственными омиче-

скими шунтировками, токами, обуслов-

ленными тепловой генерацией носите-

лей. При повышении температуры (TJ)

токи утечек (ID, IR, IDRM, IRRM) возрастают.

Для тиристоров из кремния они при-

близительно удваиваются на каждые

10…11К. Но даже при максимальной

температуре (TJ = TJM) токи утечек пра-

вильно спроектированного исправ-

ного прибора остаются сравнительно

небольшими.

Совсем иначе обстоит дело, когда

при приложении обратного напря-

жения UR к тиристору одновременно

подается прямой сигнал управления

iFG (импульс электрического тока или

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика оптронного тиристора 12-го класса типа ТО242-80-12 (Tj = 20°C, iFG = 0, IT(AV) = 80 A)

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

91

Электронные компоненты №3 2010

энергия света). В этом случае токи уте-

чек IR (IRRM) возрастают значительно.

Следует заметить, что мощность потерь

от протекающих через структуру неогра-

ниченных токов утечек (IR, IRRM) выделяется

на отдельных ее участках неравномерно.

Это может приводить к наиболее опасным

процессам локальных перегревов.

При проектировании на одном из

отечественных предприятий преобразо-

вателя частоты мощностью 47 кВт для

электротехнологии «стандартной» схе-

мотехники с явно выраженным звеном

постоянного тока в выпрямителе были

использованы оптотиристорные модули

12-го класса [13—15] на средний ток 80 А

(промышленная питающая сеть 380 В).

Выпрямитель выполнялся по трехфаз-

ной мостовой полностью управляемой и

регулируемой схеме Ларионова с преду-

становленным нулевым вентилем и имел

«общепринятый» алгоритм управления.

Оптотиристорные модули на ток 80 А

выпускаются несколькими производи-

телями силовых полупроводниковых

приборов (см. табл. 2) довольно продол-

жительное время [13—18]. На их осно-

ве принципиально можно реализовать

регулируемые выпрямители с выходной

мощностью 100…200 кВт (в зависимости

от параметров питающей сети по напря-

жению). Однако на первом этапе испы-

таний нового преобразователя выясни-

лось, что даже для очень малых выходных

токов невозможно обеспечить работо-

способность выпрямителя из-за выхода

оптотиристорных модулей из строя, если

напряжение питающей сети превышало

150 В. При этом разработчиками были

выполнены практически все рекомен-

дации предприятия-изготовителя по

применению данных приборов. Каждый

вентиль имел индивидуальные демпфер-

ные цепи защиты от перенапряжений

и кламп на основе быстрых оксидных

варисторов. Выпрямитель был также

оснащен общей относительно каче-

ственно спроектированной и достаточно

энергоемкой входной снабберной RCVD-

цепью. Максимальные токи вентилей в

ходе испытаний не превышали 20 А. На

рисунках 4—7 приведены осциллограм-

мы импульсов напряжений uFG и токов iFG

управления вентилями, вырабатываемых

СИФУ и драйверами САУ, и их фронтов.

Из осциллограмм видно, что скорости

нарастания напряжения duFG/dt и тока

diFG/dt управления (см. рис. 5, 7) находят-

ся в пределах установленной нормы, а

амплитуды импульсов напряжения uFG и

тока iFG управления (см. рис. 4, 7) соответ-

ствуют требованиям паспорта на прибо-

ры. Незначительный колебательный про-

цесс, наблюдавшийся на начальной части

(см. рис. 5, 7) импульсов напряжения uFG

и тока iFG, явно не оказывал влияния на

качество управления.

Для оптотиристоров, как и для обыч-

ных тиристоров с управляющим электро-

дом, отсутствуют рекомендуемые огра-

ничения по diFG/dt сверху. Практическим

же ограничением для этого параме-

тра является собственная индуктив-

ность цепи управления оптотиристора.

Быстрый и точный запуск фототиристора

во времени требует значительного усиле-

ния светового потока с малым фронтом

нарастания. Импульс тока светодиода

с крутым передним фронтом гаранти-

рует одновременность включения всей

полупроводниковой структуры. Слабый

импульс создает опасность возникно-

вения локальных участков протекания

анодного тока, что может приводить к

разрушению структуры фототиристора

из-за локальных перегревов. Как прави-

ло, производители требуют, чтобы ско-

рость нарастания тока управления diFG/dt

оптотиристора была не менее 0,5…1,0 А/

мкс. Это весьма жесткое ограничение. Но

указанные рекомендации, как уже отме-

чено выше, были выполнены.

Вопрос об амплитуде импульсов

тока управления остается открытым.

Фототиристор является биполярным

полупроводниковым прибором, кото-

рый управляется током, в отличие,

например, от приборов типа МОSFЕТ

или IGВТ, управляемых напряжением.

Конечно, в оптотиристоре мы имеем

дело с током светодиода, но ток свето-

диода «преобразуется» (пересчитывает-

ся) в электрический заряд или, соответ-

ственно, ток управления фототиристора.

Драйвер оптотиристора, как и обычного

92

ДИ

СК

РЕ

ТН

ЫЕ

СИ

ЛО

ВЫ

Е К

ОМ

ПО

НЕ

НТ

Ы

WWW.ELCP.RU

Таблица 3. Электрические параметры оптотиристорных модулей М2ТОТО-80-12 (режимы стандартных измерений)

№ п/п прибора

Параметр

1 2 3 4 5 6

1,1 1,2 5,1 5,2 8,1 8,2 12,1 12,2 15,1 15,2 17,1 17,2

UDRM, URRM, В 1200

U(ВО) (TJ = 25°С), В 2044 1870 1970 1935 1940 1980 1950 2070 2040 1940 2030 1920

ID (U(BO), TJ = 25°С), мкA 3,5 2,8 2,5 2,6 3,5 3,0 2,9 13,6 3,0 2,9 2,6

IDRM/IRRM (TJ = TJM = 110°С), мА 0,4 0,6 0,4 1,2 0,4 0,3 0,4

UIZ (TJ = 25°С), кВ2,50

UIG (TJ = 25°С), кВ

UТМ (250 A), В 1,36 1,38 1,33 1,43 1,36 1,38 1,36 1,37 1,43 1,41 1,35 1,38

IGT (TJ = 25°С), мА 55 59 62 51 57 64 69 61 67 66 56

UGT (TJ = 25°С), В 1,29 1,30 1,33 1,32 1,29 1,30 1,32 1,31 1,32 1,29

(duD/dt)crit (TJM), В/мкс 320 500 1000

тиристора, должен быть источником

тока iFG требуемой формы, поступающе-

го в цепь светодиода (цепь управления).

Рис. 4. Осциллограмма импульса напряжения управления uFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12 реальной СИФУ

Рис. 5. Фронт импульса напряжения управления uFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12

Рис. 6. Осциллограмма импульса тока управления iFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12

Рис. 7. Фронт импульса тока управления iFG оптоти-ристором модуля М2ТОТО-80-

Таблица 2. Паспортные характеристики оптотиристорных модулей на ток 80 А

Типприбо-

раПараметр

МТОТО1-80 (ОАО «Оптрон-Ставрополь»,

Россия)

М2ТОТО-80 (ОАО «Электро- выпрямитель»,

Россия)

5П103ТТ-80 (ЗАО «Протон-

Импульс», Россия)

СмМТОТО-80 (ОАО «КЭТЗ

Диод», Киргизия)

МТОТО4/6-80 (ООО «Элемент-Преобра зо ва-

тель», Украина)

UDRM/URRM, В 1200/1200

UDSM/URSM, В 1350/1350 1340/1340 1300/1300 1350/1350 1300/1300

IT(AV), А 80

ITRMS, А 130 (70°С) 120 (60°С) 125 130 180 (60°С)

ITSM, кА 1,35 (10 мс) 1,65 (10 мс) 1,35 (10 мс) 1,70 (10 мс) 1,65 (20 мс)

UIZ, кВ 2,0 2,50 2,84 2,50

UТМ, В 2,00 1,70 (250 А) 1,75 (250 А) 1,85 (250 А) 1,75 (250 А)

IDRM/IRRM, мА 2/3 (25°С) 7/7 (25°С) 2/2 (25°С) 1/1 (25°С) 5/5 (25°С)

IDRM/IRRM, мА 5/6 (100°С) 15/15 (100°С) 6/6 (125°С) 3/3 (125°С) 20/20 (100°С)

(duD/dt)crit, В/мкс 1000 100 500 1000

(diD/dt)crit, А/мкс 100 40 160 200 100

IH, мА 100 300 80 100 100

IGT, мА 80 100 (25°С) 60 (25°С) 80 (25°С)

IGTM, мА 600 (100 мкс) 400 (100 мкс) 500 (100 мкс) 250 (1 мс) 700 (100 мкс)

UGT, В 2,0 1,6 2,0

UGD, В 0,90 0,25 0,80 0,90

URGM, В 2,0 7,0 2,5 7,0

tq, мкс 100 160 150 250

ТJM 100 110 125 100

Rthjc,°С/Вт 0,24 0,45 0,30 0,36 0,30

W, кг 0,14 0,20 0,14

сопротивления оптотиристора по цепи

управления. Параметр «отпирающее

постоянное напряжение управления»

UGT, в определенном смысле, для потре-

бителя бесполезен. Поэтому некоторые

производители тиристоров обычно

приводят для характеристики управле-

ния данные по требуемым параметрам

тока iFG, а не напряжения управления uFG.

Однако этого нельзя сказать относитель-

но параметра «максимальное обратное

напряжение на управляющем электро-

де» URGM оптотиристора. Величины URGM

(см. табл. 2), как и UGT, для оптотиристо-

ров низки, что является их недостатком,

и это следует учитывать. Относительно

низкими являются и величины неот-

пирающего постоянного напряжения

управления UGD.

Были проведены дополнитель-

ные испытания нескольких приборов

М2ТОТО-80-12 из партии по принятым

стандартным методикам и измерены

их электрические характеристики (см.

табл. 3). Из анализа данных таблицы 3

следует, что все приборы (№№1, 5, 8,

12, 15, 17) имеют гораздо более каче-

ственные параметры, чем установлено

паспортом, характеризующиеся срав-

нительно высокой повторяемостью и

стабильностью.

Продолжение см. в ЭК2, 2010 г.

В этом случае напряжение uFG между

управляющими выводами светодиода

является функцией полного входного

СЕ

ТИ

И И

НТ

ЕР

ФЕ

ЙС

Ы

93

Электронные компоненты №3 2010

В последние годы наблюдается активный переход разработчиков встра-

иваемых систем на использование 32-разрядной архитектуры. В статье

рассматриваются причины такого перехода и преимущества, кото-

рые при этом получают разработчики. Анализируются особенности

32-разрядных микроконтроллеров и, в частности, микроконтроллеров

на базе ядра Cortex-M, в сравнении с 8- и 16-разрядными процессорами.

Обсуждаются проблемы портирования программного обеспечения на

32-разрядные микроконтроллеры. Статья представляет собой пере-

вод [1].

ПОЧЕМУ СТОИТ ПЕРЕХОДИТЬ

НА 32-РАЗРЯДНУЮ АРХИТЕКТУРУ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

ДЖОЗЕФ Ю (JOSEPH YIU), инженер-разработчик, ARM Ltd.

Самой важной причиной движе-

ния в сторону 32-разрядных микро-

контроллеров (МК) является услож-

нение встраиваемых устройств под

влиянием требований рынка. Так как

встраиваемые продукты становят-

ся все более функционально насы-

щенными, 8- и 16-разрядные МК не

позволяют обеспечить требуемую

производительность. Даже если 8- и

16-разрядные МК отвечают требо-

ваниям сегодняшних проектов, воз-

можности дальнейшей модернизации

таких устройств и повторного исполь-

зования программного кода в буду-

щих разработках уменьшаются.

Следующей причиной является то,

что разработчики встраиваемых систем

начинают все более ясно осознавать

преимущества перехода на 32-раз-

рядные МК, которые обеспечивают не

только более чем десятикратное пре-

восходство в производительности, но

также позволяют снизить энергопотре-

бление, уменьшить размер програм-

мы, ускорить разработку программ-

ного обеспечения и многократно его

использовать.

Еще одной причиной является воз-

можность широкого выбора и доступ-

ность МК на базе ARM. В настоящее

время все больше поставщиков МК

предлагают приборы на базе ARM-

процессора. Эти продукты обеспечива-

ют широкий выбор периферии, произ-

водительности, объема памяти, типов

корпусов, стоимости и т.д.

Кроме того, процессоры на базе

ARM-ядра Cortex-M имеют ряд функ-

ций, специально ориентированных на

различные приложения. Эти особенно-

сти позволяют использовать микрокон-

троллеры на базе ARM в самых различ-

ных сферах применений. В то же время, Рис. 1. Длина команды в различных процессорах

цена на ARM-микроконтроллеры зна-

чительно снизилась за последние 5 лет,

появляется все больше недорогих и

даже бесплатных инструментов разра-

ботки.

Выбор МК на базе ARM-ядра явля-

ется также наилучшей инвестицией по

сравнению с другими архитектурами.

Программный код, разработанный для

ARM-устройств, можно использовать в

течение ряда лет для микроконтрол-

леров, предлагаемых большим числом

поставщиков. Так как ARM-архитектура

распространяется все шире, то ста-

новится все проще найти инженера-

программиста с опытом разработки

ARM-устройств, чем других архитектур.

РАЗРЯДНОСТЬ КОМАНД

ПРОЦЕССОРА

Многие полагают, что 8-разрядные

МК используют 8-битовые команды, а

32-разрядные — 32-битовые коман-

ды. На самом деле, многие команды

8-разрядных МК имеют разрядность 16,

24 бит или другую, например, микро-

контроллер PIC18 имеет длину команд

16 бит.

Даже для устаревшей архитекту-

ры 8051 наряду с командами длиной

1 байт, существую команды длиной 2

или 3 байта. То же самое относится и

к 16-разрядной архитектуре: некото-

рые команды для микроконтроллера

MSP430 имеют длину 6 байт (или даже

8 байт для MSP430X).

ARM-процессоры Cortex-M3 и

Cortex-M0 основаны на технологии

Thumb-2, которая обеспечивает пре-

восходную плотность кода. Данная тех-

нология поддерживает набор команд

Thumb, который включает 16-битные

команды, а также 32-битные команды,

которые обладают функционально-

стью расширенной 16-битной версии

команд. В большинстве случаев компи-

лятор C будет использовать 16-битную

версию команды, несмотря на то, что

операция может выполняться только

с помощью 32-битной версии. Рисунок

1 иллюстрирует разрядность команд

различных процессоров.

В программе, скомпилированной

для процессоров Cortex-M, число

32-битных команд занимает лишь

небольшую часть от общего коли-

чества команд. Например, 32-бит-

ные команды в программе теста

Dhrystone, скомпилированной для

Cortex-M3, занимают только 15,8% от

94

СЕ

ТИ

И И

НТ

ЕР

ФЕ

ЙС

Ы

WWW.ELCP.RU

Таблица 1. Результаты компилирования программы Dhrystone на различных процессорах

Микроконтроллер C8051F320 SiliconLabs Cortex-M0 Cortex-M3

Программный инструмент Keil μVision 3.8PK51 8.18 RVDS 4.0-SP2 RVDS 4.0-SP2

Объем выходного двоичного кода, число байт 3186 912 900

всего числа команд (средняя длина

команды равна 18,53 бит).

Для Cortex-M0 доля 32-битных

команд еще меньше — 5,4% (средняя

длина команды равна 16,9 бит).

ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАБОРА КОМАНД

Эффективность использования набо-

ра команд Thumb в ARM-процессоре

Cortex-M также весьма высока.

Например, множественные команды

загрузки и хранения, а также команды

введения в стек (push) и извлечения

из стека (pop) в микроконтроллерах

на базе ARM позволяют выполнять

несколько пересылок данных с помо-

щью одной команды.

Кроме того, мощные режимы адре-

сации позволяют упростить доступ к

памяти в ARM-микроконтроллерах.

Например, доступ к памяти может быть

осуществлен с помощью таких режи-

мов адресации в одной команде, как

регистровое смещение, прямое сме-

щение, относительная адресация от

PC или адресация по указателю стека

(эффективная для локальных перемен-

ных). Доступны также дополнительные

функции, например, автоматическая

настройка указателя памяти.

Все ARM-процессоры весьма эффек-

тивны при манипуляции с 8- и 16-бит-

ными данными. В распоряжении име-

ется весь набор компактных команд

доступа к памяти для 8-, 16- и 32-битных

данных со знаком и без знака. Кроме

того, имеется ряд команд, специально

предназначенных для преобразования

типов данных. В общем, обработка 8- и

16-битных данных в ARM-процессорах

также проста и эффективна, как и

32-битных данных.

Микроконтроллеры на базе ядра

Cortex-M предоставляют широкие воз-

можности для условного исполнения

команд. Помимо полного набора усло-

вий ветвления для всех типов данных

со знаком и без знака, которые доступ-

ны на всех ARM-микроконтроллерах,

процессоры Cortex-M3 также обеспе-

чивают условное исполнение команд

и выполнение совмещенных команд

сравнения и ветвления.

Как Cortex-M0, так и Cortex-M3 под-

держивает 32-битные однотактные

множественные операции. Кроме того,

микроконтроллеры на базе Cortex-M3

также поддерживают операции цело-

численного деления, операции с насы-

щением, операции 32- и 64-битного

умножения и аккумулирования (MAC),

а также ряд операций над битовым

полем.

МИФЫ 8-РАЗРЯДНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Многие разработчики встраиваемых

систем ошибочно полагают, что их при-

ложение выполняет обработку только

8-битных данных, поэтому нет необходи-

мости переходить на 32-разрядные про-

цессоры. Однако, взглянув в руководство

для компилятора C, можно обнаружить,

что в действительности в 8-разрядных

МК простые целочисленные данные

являются 16-битными. Поэтому каж-

дый раз, когда выполняется целочис-

ленная операция или при обращении к

библиотеке функций C, которая требует

выполнения целочисленной операции,

выполняется обработка 16-битных дан-

ных. 8-разрядное процессорное ядро

вынуждено выполнять последователь-

ность команд и использовать дополни-

тельные такты для обеспечения требуе-

мой производительности.

Та же ситуация применима и к ука-

зателям. В большинстве 8- и 16-раз-

рядных МК необходимо, по крайней

мере, 16 бит для указателя адреса. Это

число может увеличиться при исполь-

зовании групповых указателей памяти

в 8051-процессоре или использова-

нии переключения банков памяти или

подобные ему методы, чтобы преодо-

леть барьер памяти объемом 64 Кбайт.

В результате, в 8-разрядных системах

обработка указателей памяти может

быть весьма неэффективна.

Так как каждая целочисленная пере-

менная в регистровом банке занимает

несколько регистров, использование

8-разрядных МК также приводит к уве-

личению числа циклов доступа к памя-

ти, т.е. использованию дополнительных

операций чтения/записи памяти и опе-

раций со стеком.

Как это выглядит при выполнении

какого-либо определенного теста? На-

пример, результаты компилирования

программы теста Dhrystone для различ-

ных архитектур с оптимизацией разме-

ра кода представлены в таблице 1.

Большинство приложений выи-

грывают при переходе на микро-

контроллеры на базе Cortex-M бла-

годаря уменьшению объема кода и,

как следствие, снижению стоимости

устройства из-за меньшей требуемой

памяти. Уменьшенный размер кода

ARM-микроконтроллеров влияет на

производительность, а также потре-

бляемую мощность и стоимость.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И

ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ

Одна из причин, по которой раз-

работчики переходят с 8- и 16-разряд-

ных МК на 32-разрядные, заключается

в необходимости улучшения произво-

дительности. Менее очевидным явля-

ется тот факт, что переход на при-

менение ARM-микроконтроллеров

обеспечивает также снижение энер-

гопотребления и увеличение срока

службы батарей.

Сравним производительность МК

различных архитектур. Рас про стра-

нен ным способом сравнения произ-

водительности процессоров является

использование теста Dhrystone. Он

является бесплатным, кроме того, про-

стым и достаточно компактным для

использования в микроконтроллерах

с весьма небольшим объемом памя-

ти (хотя это и не идеальный тестовый

пакет).

Производительность первых про-

цессоров 8051 была всего 0,0094 DMIPS/

МГц. Новые модификации процессора

8051 имеют несколько лучшие пока-

затели. Например, процессор Maxim

80C310 имеет производительность

0,027 DMIPS/МГц, а самые быстрые

микропроцессоры 8051 — 0,1 DMIPS/

МГц. Это все же намного меньше про-

изводительности микроконтроллеров

на базе ARM Cortex-M: для процессо-

ра Cortex-M3 этот показатель равен

1,25 DMIPS/МГц, а для Cortex-M0 —

0,9 DMIPS/МГц.

Производительность микрокон-

троллера PIC18 равна 0,02 DMIPS/МГц,

т.е. меньше, чем у некоторых процес-

соров 8051. 16-разрядные процессоры

Microchip также более чем наполовину

уступают микроконтроллерам на базе

ARM Cortex-M3.

Ограничения 8- и 16-разрядных МК

Проблемой, которая вызывает

неэффективность многих 8- и 16-раз-

рядных микроконтроллеров, явля-

ется ограниченный набор команд

и моделей программирования.

Например, работа процессора 8051

в значительной степени основана на

использовании аккумулятора (ACC) и

указателя данных (DPTR) для переда-

чи и обработки данных. В результате,

появляется необходимость в исполь-

зовании команд перемещения дан-

ных в/из ACC и DPTR, что приводит к

увеличению размера кода и количе-

ства тактов исполнения команд.

Интерфейс памяти также ограничи-

вает производительность 8- и 16-раз-

рядных процессоров. Например, мно-

гие команды процессора 8051 имеют

длину несколько байт. Так как интер-

фейс памяти программ является 8-раз-

рядным, то для выборки таких команд

нужно выполнить несколько циклов

считывания.

Производительность 8- и 16-разряд-

ных МК еще больше снижается, если

требуется осуществить доступ к памя-

СЕ

ТИ

И И

НТ

ЕР

ФЕ

ЙС

Ы

95

Электронные компоненты №3 2010

ти, превышающей 64 Кбайт. Данная

архитектура разработана для работы

с 16-битными адресами (используются

16-битные счетчики программ, 16-бит-

ные указатели данных, а набор команд

разработан для поддержки адресного

пространства 64 Кбайт). Если требуется

память более 64 Кбайт, то необходимы

аппаратные и командные издержки для

генерации дополнительных адресных

бит.

Для типового процессора 8051,

которому нужно осуществить доступ

к памяти более 64 Кбайт, память

разделяется на банки, и все коды

переключения банков выполня-

ются через фиксированный банк. В

результате, увеличение размера кода

и числа тактовых циклов может сни-

зить эффективность использования

памяти. Некоторые 16-разрядные МК

избегают этого с помощью использо-

вания счетчика программ большей

разрядности или сегментации памя-

ти, но манипулирование большими

значениями адресов также требует

дополнительных ресурсов и, следо-

вательно, снижает производитель-

ность, приводит к увеличению про-

граммного кода.

МОЩНОСТЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ МК

ARM-микроконтроллеры на базе ядра

Cortex-M потребляют меньше энергии,

чем многие 8- и 16-разрядные микро-

контроллеры. В ARM-процессорах реа-

лизованы многие методы, позволяю-

щие снизить потребляемую мощность.

Например, процессоры Cortex-M0 и

Cortex-M3 поддерживают различные

дежурные режимы работы и функцию

sleep-on-exit (которая позволяет про-

цессору возвращаться в спящий режим

сразу по завершении обработки пре-

рывания).

Для того, чтобы понять, почему МК

на базе Cortex-M могут снизить энер-

гопотребление встраиваемой системы,

рассмотрим структуру типичного МК.

В современных микроконтроллерах

процессорное ядро не занимает самую

большую часть площади кристалла (см.

рис. 2).

Как было сказано выше, плотность

кода 8-разрядных микроконтроллеров

весьма низка. В результате необходим

блок флэш-памяти большего объема,

что увеличивает общую потребляемую

мощность. Высокая плотность кода

ARM-микроконтроллеров позволяет

использовать в них меньшие по раз-

меру блоки флэш-памяти и снизить как

потребляемую мощность, так и стои-

мость.

Эффективность доступа к памяти

Использование 32-разрядной шины

снижает энергопотребление за счет

уменьшения числа требуемых циклов

обращения к памяти. Для копирова-

ния того же объема данных в память

8-разрядный МК требует в четыре раза

больше циклов обращения к памяти

при большем числе вызовов команд,

необходимых для этой операции.

Следовательно, даже при одном и том

же объеме памяти, 8-разрядный МК

потребляет больше энергии для выпол-

нения той же задачи.

Выборка команд в МК на базе

Cortex-M также намного более эффек-

тивна, чем у 8- и 16-разрядных МК, так

как каждая выборка команды является

32-разрядной, что позволяет выбирать

до двух 16-разрядных команд Thumb

за один такт и обеспечивает большую

полосу пропускания шины при досту-

пе к данным. При одинаковой длине

последовательности команд для 8-раз-

рядного МК необходимы четыре цикла

обращения к памяти, а для 16-разряд-

ного — в два раза больше вызовов

команд. В результате, 8- и 16-разрядные

МК потребляют намного больше энер-

гии, чем микроконтроллеры на базе

ARM.

Снижение потребляемой мощности

за счет уменьшения рабочей частоты

Высокая производительность 32-раз-

рядных МК позволяет снизить потре-

бляемую мощность

за счет работы при-

ложения на более

низкой тактовой

частоте. Например,

приложение с

рабочей частотой

30 МГц на процес-

соре 8051 может

быть запущено на

AR M - м ик р о ко н т-

рол лере Cortex-M3

на тактовой часто-

те 3 МГц, обеспечив

при этом тот же

уровень произво-

дительности.

Снижение потребляемой мощности

за счет уменьшения активных циклов

Используя микроконтроллер на

базе ARM в дежурном режиме, можно

еще больше снизить энергопотребле-

ние после завершения выполнения

задания. Микроконтроллеры на базе

Cortex-M имеют намного более высо-

кую производительность по сравнению

с 8- и 16-разрядными МК, поэтому у

них имеется возможность завершить

задачу и перейти в дежурный режим

намного быстрее, что снижает общее

число активных циклов в системе (см.

рис. 3).

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Разработка программного обеспече-

ния для МК на базе Cortex-M может быть

выполнена значительно проще, чем для

8-разрядных устройств. Процессоры на

базе Cortex-M полностью программиру-

ются на C, а также содержат различные

усовершенствованные функции отлад-

ки, помогающие обнаружить в про-

грамме какие-либо проблемы. Кроме

того, в интернете существует огромное

число примеров и руководств, а также

дополнительных ресурсов, включая

наборы разработчиков.

Рис. 2. Использование ARM-процессоров на базе Cortex-M позволяет уменьшить площадь кристалла

96

СЕ

ТИ

И И

НТ

ЕР

ФЕ

ЙС

Ы

WWW.ELCP.RU

Портирование программного

обеспечения с 8- и 16-разрядных МК

на ARM-микроконтроллеры

МК на базе Cortex-M имеют, как

правило, большее количество реги-

стров в периферии, чем 8-разряд-

ные МК. Периферийные устройства

МК на базе ARM обычно содержат

больше встроенных функций и, сле-

довательно, в них доступно большее

количество программируемых реги-

стров. Для упрощения программи-

рования поставщики МК на базе ARM

предлагают библиотеки драйверов

устройств, что позволяет выполнять

установку периферийных устройств

с помощью всего нескольких вызо-

вов функций.

По сравнению с большинством

8- и 16-разрядных архитектур, про-

граммирование МК на базе ARM осу-

ществляется гораздо более гибко.

Например, нет ограничений для

аппаратного стека, доступ к функци-

ям может выполняться рекурсивно

(локальные переменные хранятся в

стеке, а не в статической памяти) и

не нужно беспокоиться о сохранении

значений специальных регистров в

программе-обработчике прерыва-

ний, так как эти значения обрабаты-

ваются процессором во время ввода

прерывания.

Важно корректно использовать типы

данных для конкретной архитектуры

процессора: они оказывают существен-

но влияние на размер кода и произво-

дительность системы. Данные разных

типов для микроконтроллеров на базе

ARM и 8- и 16-разрядных микрокон-

троллеров отличаются по длине (см.

табл. 2).

Если приложение зависит от разряд-

ности данных, например, при перепол-

нении целочисленных данных за грани-

цу 16 бит, то необходима модификация

кода для оптимизации его работы на

ARM-микроконтроллерах.

Различие в разрядности данных ока-

зывает влияние также и на размер мас-

сива данных. Например, массив целых

чисел в ПЗУ для приложения на базе

8-разрядного МК можно определить,

как

const int mydata = {1234, 5678,}.

Для систем на базе ARM-мик ро конт-

роллере для того, чтобы избежать уве-

личения объема ПЗУ данное выраже-

ние следует изменить на

const short int mydata = {1234, 5678,}.

Различия в командах с плаваю-

щей запятой могут также привести к

незначительной разнице в результа-

тах вычислений. Из-за ограниченной

производительности 8- и 16-разряд-

ных МК, в случае, когда использует-

ся двойная точность, данные обра-

батываются с одинарной точностью

(32 бита). В микроконтроллерах на

базе ARM данные с двойной точно-

стью имеют разрядность 64 бита,

следовательно, для 32-битных дан-

ных (одинарная точность) следует

использовать тип данных с плаваю-

щей запятой.

Для пользователей процессора

Cortex-M3 доступны дополнительные

функции отладки с помощью трасси-

ровки. Базовый процессор Cortex-M3

поддерживает выборочную трасси-

ровку данных, трассировку событий,

трассировку исключений и текстовый

выходной канал (инструментальную

трассировку). Данные трассировки

собираются с помощью однопрово-

дного интерфейса Serial Wire Output,

который использует разъем JTAG/

Serial Wire при соединении платы с

отладочным компьютером. Это обе-

спечивает сбор полезной информации

о ходе выполнения программы с помо-

щью недорогого аппаратного отладчи-

ка без необходимости использования

дополнительных устройств для трас-

сировки.

Многие МК на базе Cortex-M3 также

поддерживают технологию Embedded

Trace Macrocell (ETM), которая обеспе-

чивает полную трассировку команд.

Эта функция позволяет детально

анализировать ход выполнения кода

приложения, а также профилировать

код. Из-за схожести архитектуры про-

цессоров Cortex-M0 и Cortex-M3 име-

ется возможность разрабатывать и

отлаживать приложения на Cortex-M3

с трассировкой команд, а затем пор-

тировать приложение на Cortex-M0

лишь с незначительной модифика-

цией.

Совместимость программного

обеспечения

МК на базе ядра Cortex-M обеспе-

чивают высокий уровень совместимо-

сти программного обеспечения. Хотя

существует множество поставщиков

микроконтроллеров, каждый из кото-

рых предлагает собственные библиоте-

ки драйверов устройств, а также много

поставщиков компиляторов C, про-

граммное обеспечение можно легко

портировать с помощью стандарта

Cortex Microcontroller Software Interface

Standard (CMSIS).

Стандартный интерфейс CMSIS

включен в библиотеки драйверов

устройств МК многих производителей.

Он обеспечивает программный интер-

фейс к функциям ядра, регистрам ядра,

а также предоставляет имена для стан-

дартизированного системного обра-

ботчика исключений. Программное

обеспечение, разработанное с помо-

Таблица 2. Типы данных для разных архитектур процессоров

Тип данных

Длина данных, бит

8-/16-разрядныемикроконтроллеры

Микроконтроллеры на базе ARM

Целочисленный (integer) 16 32 бита (или short int для 16)

Перечислимый (enum) 8/16 8/16/32

Указатель (pointer) 16 и более 32

С плавающей запятой двойной точности(double precision fl oating point)

32 (одинарная точность) 64 (или fl oat для 32)

Рис. 3. ARM-микроконтроллеры снижают энергопотребление системы за счет уменьшения длительности активных циклов

98

СЕ

ТИ

И И

НТ

ЕР

ФЕ

ЙС

Ы

WWW.ELCP.RU

Таблица 3. Сравнение различных архитектур микроконтроллеров

8051Другие 8-разрядные

архитектуры16-разрядные архитектуры

Другие 32-разрядные архитектуры

Микроконтроллеры на базе ARM Cortex

Производительность * * ** *** ***

Малая мощность потребления *** *** *** * ***

Плотность кода * * ** * ***

Эффективность обращения к памяти более 64 Кбайт(в собств. системе команд)

* * * *** ***

Векторные прерывания *** *** *** ** ***

Малое время ожидания прерываний *** *** *** * ***

Низкая стоимость *** *** *** * ***

Множественные источники(непатентованная архитектура)

*** * * * ***

Выбор компиляторов *** ** ** ** ***

Совместимость программного обеспечения *** ** ** ** ***

щью CMSIS, можно легко портировать между различными

МК на базе Cortex-M. Это позволяет осуществлять поддерж-

ку встраиваемых ОС или микропрограммных средств, а

также компиляторов различных поставщиков.

ЗАТРАТЫ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА НОВУЮ АРХИТЕКТУРУ

Сегодня стоимость МК на базе ARM Cortex сопостави-

ма с уровнем цен на 8- и 16-разрядные МК. Для микро-

контроллеров на базе ARM Cortex-M доступны недорогие

или даже бесплатные наборы разработчика. Переход

с 8-разрядных МК на ARM-микроконтроллеры может

обеспечить значительно более высокую производитель-

ность и позволит разработать сложное программное

обеспечение с малыми затратами. Сравнение различных

архитектур микроконтроллеров приведено в таблице 3.

В зависимости от требования приложения, можно

всегда найти подходящий МК на базе ARM Cortex-M. В

случае необходимости введения новых функций, повы-

шения производительности и снижения энергопотребле-

ния устройства благодаря совместимости архитектуры

процессоров Cortex-M можно без проблем перейти на

другие ARM-микроконтроллеры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Joseph Yiu. What next for microcont rollers?//www.embedded.

com

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| КОМПАНИЯ VECTRAWAVE РАЗРАБАТЫВАЕТ ПЕРВУЮ

40-Гбит/с СХЕМУ, ИСПОЛЬЗУЯ SIGE BICMOS-ПРОЦЕСС

ОТ TOWERJAZZ | Глобальная кремниевая фабрика TowerJazz

объявила о том, что компания VectraWave разработала

первую высокоскоростную 40-Гбит/с схему кодирующего

устройства с использованием SiGe BiCMOS-процесса.

Компания VectraWave выбрала процесс SBC18HX от

TowerJazz, а не традиционный для высокоскоростных

схем процесс на базе InP, т.к. он обеспечивает ряд

преимуществ для цифровых ИС: более низкую стоимость,

меньшую потребляемую мощность, лучшую температур-

ную компенсацию и меньшую общую площадь платы.

Лидирующий в отрасли процесс SBC18HX от TowerJazz

, кроме того, обладает широким выбором вариантов

оптимизации технологии и перспективой дальнейшего

улучшения характеристик приборов.

Компания VectraWave разрабатывает семейство про-

дуктов, включая высокоскоростные 43-Гбит/с логиче-

ские ИС, в том числе 43-Гбит/с кодирующие устройства.

Компания VectraWave продемонстрировала 43-Гбит/с

NRZ/RZ-DPSK-кодер, имеющий площадь кристалла менее

1 кв.мм. Применение данного чипа включает системы

синхронизации данных и волоконно-оптической связи.

Рынком для устройств компании VectraWave являются

высокоскоростные логические схемы для оборудова-

ния РЧ-связи и оптоволоконные сети с доступом на

дальнем расстояния и в метро со скоростью передачи

данных 10…100 Гбит/с. Новое семейство высокоско-

ростных кодеров позволит обеспечить преобразование

из 5…43-Гбит/с стандарта NRZ в специализированный

формат кодирования, использующийся волоконно-

оптическими каналами связи.

www.russianelectronics.ru

МИ

КР

ОК

ОН

ТР

ОЛ

ЛЕ

РЫ

И D

SP

99

Электронные компоненты №3 2010

Симметричные многопроцессорные системы постепенно вытесняют

однопроцессорные. Однако в мире встраиваемых приложений такая

тенденция пока не наблюдается. Предлагаемый способ проектирова-

ния встраиваемых систем может помочь разработчикам распределить

вычислительные функции по цифровой подсистеме.

КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ВСТРАИВАЕМЫХ ПРОЦЕССОРОВАНАТОЛИЙ ТАРАСОВ, техн. консультант, «ИД Электроника»

Рассмотрим способ распределения

вычислительных операций на при-

мере программируемых систем на

кристалле PSoC 3 (см. рис. 1) и PSoC 5

(Cypress Semiconductor). Данные кри-

сталлы содержат ЦПУ (8051 или ARM

Cortex M3), блок DMA и набор универ-

сальных цифровых блоков (UDB).

Каждый блок UDB содержит сле-

дующие элементы:

– процессор для обработки дан-

ных;

– два мелкоструктурных PLD;

– модуль управления и определе-

ния статуса;

– таймер и модуль сброса.

Наиболее эффективное примене-

ние таких блоков UDB — использова-

ние их в качестве мини-процессоров.

Если распределить по ним процесс

вычисления, то скорость работы

системы в целом повысится, посколь-

ку она освободится от выполнения

более простых вычислительных опе-

раций.

Распределение вычислительного

процесса между отдельными блока-

ми имеет ряд преимуществ, самое

главное из которых — снижение

энергопотребления за счет раз-

грузки ЦП. Освобождение ресурсов

процессора от выполнения простых

операций позволяет снизить часто-

ту работы приложения без потери

быстродействия. Кроме того, следует

учитывать, что ЦП содержит на поря-

док больше логических элементов,

чем UDB, поэтому при выполнении

операции на цифровом блоке задей-

ствуется меньше логических элемен-

тов. Следовательно, расход энергии

также сокращается.

Частично разгрузив ЦП, мы получа-

ем еще одно преимущество: освобо-

дившиеся ресурсы можно направить

на выполнение таких задач как, напри-

мер, операции умножения и деления.

АРХИТЕКТУРЫ PSOC 3 И 5

Кристаллы PSoC 3 и PSoC 5 постро-

ены на одной и той же платфор-

ме, состоящей из четырех главных

функциональных блоков: ЦПУ; циф-

ровой блок; аналоговый блок; сеть

программируемых межсоединений.

Рассмотрим их более подробно.

Блок ЦПУ. В него входят процес-

сор (8051 или ARM Cortex M3), систе-

ма тактирования, схема управления

питанием, системная память, а также

все поддерживаемые IP-блоки, в т.ч.

контроллер прерываний, устройства

отладки и контроллер ПДП.

Цифровой блок. Цифровая схема

семейств PSoC 3 и 5 образована, глав-

ным образом, набором гибко про-

граммируемых UDB. Цифровой блок

является вторым ключевым звеном в

формировании системы распределен-

ных вычислений. Блоки UDB исполь-

зуются для реализации стандартных

периферийных функций, например

ШИМ, таймеров, интерфейсов (UART,

SPI и др.) или схемы вычисления кон-

трольной суммы. Наряду с этим, они

используются для реализации специ-

альных функций. Именно эта гибкость

и объясняет популярность програм-

мируемых СнК в системах распреде-

ленной обработки.

Как мы уже говорили, аппаратная

часть блока UDB состоит из 8-разряд-

ного процессора обработки данных,

PLD, схемы тактирования и сброса,

блока статуса и контроля (см. рис. 2).

Процессор в блоке UDB может

выполнять стандартные функции,

такие как сдвиг, сложение и сравне-

ние операндов. Через трассировоч-

ный канал он соединен с блоком про-

граммируемой логики PLD. Матрицы

PLD используются для реализации

логических функций или таблиц соот-

ветствия LUT.

Цифровой блок содержит до 24 UDB

и матрицу соединений для объеди-

нения нескольких UDB и выполнения

более сложных и больших функций

(см. рис. 3).

Аналоговый блок. В семействах

PSoC 3 и PSoC 5 имеется высокопроиз-

водительная программируемая ана-

логовая подсистема, которая содер-

жит все компоненты для законченной

Рис. 1. Блок-схема PSoC 3 (CY8C3866AXI)

100

МИ

КР

ОК

ОН

ТР

ОЛ

ЛЕ

РЫ

И D

SP

WWW.ELCP.RU

реализации аналогового сигнального

канала (аналоговые мультиплексоры,

компараторы, смесители, ОУ, ИОН,

АЦП, цифровой фильтр, ЦАП).

В контексте распределенной

обработки сигнала аналоговый блок

используется для первичной обра-

ботки входных аналоговых сигналов

и пересылки их в цифровой блок

или ЦП.

Сеть межсоединений. Подсистема

межсоединений состоит из конфигу-

рируемой трассировочной матрицы,

которая подключена к центральному

процессору, аналоговому и цифро-

вому блокам и портам ввода-вывода.

Конфиг урация межсоединений

позволяет пользователю определить,

как распределяются сигналы по кри-

сталлу, и создавать многопотоковые

системы.

ПРИМЕР СИСТЕМЫ

РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА

ОСНОВЕ СНК

Рассмотрев возможности СнК,

можно перейти к вопросу создания

системы распределенных вычисле-

ний. Обратимся к одному из существу-

ющих примеров — схеме управления

сенсорным бесщеточным двигателем

постоянного тока (AN53595).

Традиционная схема управления

двигателем работает следующим

образом. При его вращении изменя-

ется логическое состояние одного из

трех датчиков Холла. В соответствии

с этими изменениями в МК генери-

руется прерывание, по которому

схема управления принимает реше-

ние о том, какую из обмоток двигате-

ля необходимо подключить к ШИМ и

отрегулировать.

Недостаток этого подхода заклю-

чается в том, что ЦП обрабатывает

слишком много прерываний, что

снижает эффективность его работы.

Проблема усугубляется в еще боль-

шей степени, если увеличить коли-

чество двигателей. Кроме того, нет

гарантии, что датчики не сработа-

ют одновременно, сгенерировав два

прерывания с одинаковым приори-

тетом. Эта ситуация может вызвать

конфликт или зависание системы.

Для решения данной пробле-

мы предложен следующий метод. С

помощью матрицы PLD составляется

таблица соответствия между сигнала-

ми с датчиков и обмотками двигате-

ля. Другими словами, с ЦП снимается

функция обработки прерываний.

Сигнал с датчика поступает сразу

на PLD. Далее определяется, какой

из двигателей следует подключить

к ШИМ. При таком подходе ЦП пре-

рывает работу только в том случае,

если изменяется скорость вращения

двигателя.

Другой пример распределенной

обработки — использование ПДП для

передачи большого объема данных,

например запись с устройства I2S на

устройство USB.

Если реализовать блок I2S с помо-

щью UDB и использовать ПДП для

передачи данных между двумя функ-

циональными блоками, а модуль

SRAM — как промежуточный при

выполнении транзакции, то для кон-

троля потока данных задействуется

очень малая доля ресурсов процес-

сора.

Такой способ использования ПДП

особенно удобен в таких приложени-

ях, где один протокол связи основан

на импульсной передаче данных, а

другой — на передаче с постоянной

скоростью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая встраиваемое при-

ложение как набор функций обработ-

ки, которые можно разделить и рас-

пределить по блокам, разработчик

может существенно оптимизировать

работу системы и снизить потребле-

ние, что особенно важно для совре-

менных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Loren Hobbs. Increase embedded

processor efficiency through the use of

distributed processing blocks//www.embedded.

com/columns/technicalinsights/221900829.

2. Isaac Sever. PSoC 3 BLDC sensored

motor control//Application Note AN53595.

Рис. 2. Структурная схема блока UDB

Рис. 3. Структура межсоединений блоков UDB

101

Электронные компоненты №3 2010

ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОЕ ОКНО В МИР ДЛЯ ВСЕХ

И КАЖДОГО

Российские инженеры всегда умели находить неожи-

данные решения. Применение мобильного мультимедий-

ного процессора от компании Samsung в качестве «серд-

ца» платформы для цифровой рекламы явилось не только

невероятной находкой, но и перечеркнуло мировые

стандарты этой индустрии. Большинство аналогичных

зарубежных решений отличаются высокой стоимостью

и отсутствием гибкости, они построены на процессорах

x86 и при этом остаются весьма громоздкими. В то же

время новый российский продукт компании MGR на базе

процессора Samsung S3C6410 перевернул представление

экспертов в этой индустрии и завоевал поклонников во

всем мире.

Как известно, решения для цифровой рекламы позво-

ляют наладить аудиовизуальную коммуникацию с посе-

тителями общественных мест: магазинов, аэропортов,

вокзалов, метро и т.п. Яркие экраны должны привлекать

внимание за счет персонализации информации и автома-

тического подбора контента для целевой аудитории. Но,

к сожалению, на мировом рынке возможности этой инду-

стрии пока не задействованы на все 100%. А между тем это

настоящая эволюция мира рекламы: переход от надоедли-

вых безадресных обращений к более эффективному обще-

нию с каждым потенциальным клиентом. И современным

технологиям это вполне по силам. Так, в системах для циф-

ровой рекламы может быть установлена камера, которая

с помощью специализированного ПО распознает аудито-

рию, определит пол, возраст и другие специфические осо-

бенности людей (например, «увидит», носят ли они очки

и другие аксессуары), а затем выведет соответствующую

рекламную информацию специально для данной катего-

рии зрителей.

С точки зрения современных технологий, цифровая

реклама представляет собой распределенные терминалы

с возможностью централизованного управления по сетям

Ethernet, WiFi, GPRS или 3G. Администратор может не толь-

Мобильные процессоры Samsung уже давно используются в телефонах, коммуникаторах, электронных книгах и

других изделиях. Однако в России применение этих процессоров было ограничено. Но уже сегодня многие отече-

ственные разработчики заложили системы-на-кристалле (СнК) от компании Samsung в качестве основы для

автонавигаторов, торговых терминалов, портативной измерительной техники и медицинских прикроватных

мониторов. И скоро мы увидим эти разработки. В рамках данной статьи речь пойдет об успешном внедрении

СнК Samsung S3C6410 в российском проекте для растущей во всем мире индустрии цифровой рекламы (Digital

Signage). Разработанные изделия уже введены в коммерческую эксплуатацию, их использование на практике

доказывает, что мультимедийные возможности процессоров Samsung способны удивить российских инженеров.

Их можно использовать не только для мобильных решений, тем более отечественные поставщики и дизайн-

центры активно работают над сокращением сроков внедрения этих процессоров.

СЕРГЕЙ КОВАЛЁВ, руководитель направления, компания Promwad

Процессоры Samsung плюс

операционная система Linux —

в сумме простое и эффективное

решение для индустрии цифровой

рекламы

ко обновлять транслируемую аудиовизуальную информа-

цию, но и определять на разных терминалах приоритеты

в ее отображении по географическому, временному и

другим признакам

Богатые функциональные возможности делают муль-

тивидеоэкраны особо требовательными к технической

реализации с точки зрения производительности, набора

поддерживаемых интерфейсов, установки и использова-

ния специального и общего ПО.

К сожалению, сегодня решения для цифровой рекла-

мы зачастую реализуется на базе ПК, подключенных к

одному или нескольким дисплеям. Это не самое лучшее

решение: компьютеры занимают много места, потребля-

ют большое количество электроэнергии, перегреваются

и не отличаются мобильностью из-за большого веса.

Всё это накладывает ограничения на возможности раз-

мещения терминалов, вынуждает использовать массу

питающих и сетевых кабелей, требует дополнительного

пространства.

Используемые программные решения также не отли-

чаются эффективностью. Большинство представленных на

рынке мультивидеоэкранов использует персональные ком-

пьютеры и различные версии ОС Windows. Эта операцион-

ная система не предназначена для автономных устройств.

На экранах мониторов, работающих под её управлением,

могут появляться всплывающие окна, сообщения об ошиб-

ках и пр. нежелательные элементы, затрудняющие показ

и восприятие мультимедийного контента. Кроме того,

Windows особенно подвержена воздействию вирусов,

которые могут нарушить нормальную работу системы.

Есть и другие недостатки, например, стоимость лицензи-

онной версии ОС.

Если разработчики будут игнорировать особенности

программно-аппаратных решений для цифровой рекламы

и продолжат использование неадаптированного оборудо-

вания и программ, российские компании-рекламодатели

так и не смогут задействовать весь скрытый потенциал

мультимедийной адресной рекламы! Необходимо перейти

102

WWW.ELCP.RU

к использованию специализированных решений. В каче-

стве одного их удачных вариантов можно рассмотреть

специальные медиаплееры, они предоставляют весь тре-

буемый функционал и могут быть размещены в одном кор-

пусе с дисплеем. Хороший пример — реализация подоб-

ного медиаплеера на доступной для всех разработчиков

аппаратной платформе Pegasus.

PEGASUS — ИСТОЧНИК ВДОХНОВЕНИЯ РАЗРАБОТЧИКОВ 1

Аппаратный модуль Pegasus (см. рис. 1) стал основой

для создания нового медиаплеера. Он работает под управ-

лением ОС Linux, подключается к LCD-матрице напрямую

через LVDS-интерфейс, а также предоставляет возмож-

ности удаленного управления, загрузки контента и мони-

торинга работы системы. Подключение к сети осуществля-

ется по одному или нескольким каналам связи: Ethernet,

GSM/GPRS/EDGE, CDMA 1xEV-DO, WiFi, WiMAX, ZigBee. Т.е.

управление работой терминала и загрузка контента может

успешно осуществляться по беспроводным каналам связи.

Это решение лишено неудобств, связанных с множеством

дополнительных проводов, излишним весом и габаритами

оборудования. Наличие электрической сети — это всё,

что нужно для установки и запуска системы. Основные

преимущества этого варианта по сравнению с другими

современными терминалами для цифровой рекламы

заключаются в следующем.

– Компактность. Модуль Pegasus встраивается непо-

средственно в корпус LCD-экрана.

– Изображение высокой четкости (HD — HighDe fi -

ni tion). Обеспечена поддержка разрешения до 1366х768

точек, что позволяет отображать фото и видео в высоком

разрешении.

– Качество изображения. Большинство медиаплееров

DigitalSignage подключается к экранам по компонентному

кабелю, что позволяет передавать сигнал лишь с телевизи-

онным качеством картинки (PAL). Некоторые модели плее-

ров используют VGA или DVI-кабель. Изредка используется

HDMI. Но в любом из этих случаев при отображении контен-

та происходит несколько преобразований сигнала: внутрен-

ний формат изображения плеера → Component → LVDS.

Медиаплееры Pegasus используют прямое подключение к

LVDS, что позволяет избежать лишнего преобразования сиг-

нала и добиться максимального качества изображения.

– Простота исполнения. Pegasus в полной мере

использует широкие возможности СнК Samsung S3C6410. В

состав терминала входят LCD-матрица, сам сетевой медиа-

плеер, блок питания и аудиосистема. Другие привычные

компоненты отсутствуют. Всё дело в том, что большинство

функций реализовано непосредственно на плате: модули

аппаратного кодирования/декодирования видео- и аудио-

потоков, модули проводной и беспроводной связи (GSM,

Wifi , Bluetooth), модули NFC и аппаратной криптографии,

поддержка видеокамеры, встроенный усилитель звука,

прямой выход на LVDS-интерфейс, возможность подключе-

ния сенсорной панели и т.д.

– Операционная система. Pegasus работает под

управлением операционной системы Linux, что позво-

ляет использовать богатый мировой опыт в сфере раз-

работки драйверов и свободно распространяемого ПО.

Стабильность ОС Linux доказана многолетним опытом экс-

плуатации.

– Зональное разделение экрана. Процессоры медиа-

плеера позволяют использовать различные спецэффекты

и варианты отображения контента. Например, можно осу-

ществить разделение экрана на несколько независимых

зон, в каждой из которых будет отображаться свой тип

информации: видео, статические изображения, текст или

HTML-страницы.

– Большой объем памяти. Pegasus предлагает мно-

жество видов памяти для хранения контента: встроенную

NAND флэш-память (256 Мбайт) для хранения ПО и конфи-

гурационных файлов; слот для SD-карты (поддерживаются

SDHC-карты (High Capacity) объемом до 32 Гбайт) и слот

для miniSD-карты (объемом до 16 Гбайт). Таким образом,

общий объем доступной памяти может достигать почти

50 Гбайт.

– Система бесперебойного питания позволяет терми-

налу работать до 15 ч в режиме stand-by. В случае отключе-

ния питания сети администратор автоматически получит

оповещение в виде СМС.

– Антивандальная система отправляет СМС в случае

попытки повреждения терминала.

– Шифрование данных. Такая возможность реализо-

вана для цифровой информации, которая передаётся от

сервера к терминалу.

– Интерактивность. Встроенные Bluetoth, NFC, GSM и

Wifi -модули дают целый набор возможностей для обрат-

ной связи. А с помощью NFC-модуля возможна работа с

банковскими картами.

– Работает под любым углом. В отличие от обычных

терминалов, терминалы на базе Pegasus можно монтиро-

вать под любым углом (вешать на потолок, горизонталь-

но, вертикально). Система самостоятельно определит

1 В английском языке слово Pegasus имеет несколько значений: прямое — «Пегас» (крылатый конь) и переносное — «поэтическое

вдохновение».

Рис. 1. Плата Pegasus

Таблица 1. Спецификация процессорного OEM-модуля Pegasus

Операционная система Linux, Kernel 2.6.31rc4

Процессор Samsung S3C6410

Память Флэш NAND 128 Мбайт, ОЗУ DDR 128 Мбайт

Аудиочипсет Wolfson WM8753

USB v 2.0 OTG FS, v 2.0 Host

Bluetooth v 2.1, внутренняя антенна

Ethernet RJ45, 10 Мбит/c

SD SDHC-карты до 32 Гбайт, MicroSD до 16 Гбайт

Графическая подсистемаLVDS-интерфейс, возможность подключения экранов 4''…80''

Криптографические функции

Аппаратная поддержка генерации симметричных клю-чей, функций хеширования

GSM/CDMA GSM850, GSM900, GSM1800

CDMA CDMA-450. 1xEV-DO

WiFi 802.11b, g (до 54 Мбит/с)

WiMax SyChip WiMAX95xx IEEE 802.16e, 2,5…2,7 ГГц

ZigBee 50 мВ, до 1,5 км

CDMA CDMA-450 1xEV-DO

Поддержка камеры CMOS-датчик до 3 Мп

NFCПоддержка стандартов ISO 14443 A&B, ISO 15693, ISO 18092, дальность работы до 10 см

103

Электронные компоненты №3 2010

угол поворота и правильно сориентирует изображение

на экране.

В таблице 1 представлены более подробные характери-

стики медиаплеера Pegasus.

ПРОЦЕССОР SAMSUNG S3C6410 — СИЛЬНОЕ СЕРДЦЕ

«ПЕГАСА»

Платформа Pegasus работает на основе мобильного

процессора Samsung S3C6410 (см. рис. 2), за счет которого,

собственно, и обеспечивается поддержка всего набора

периферии и воспроизведение кристально чистого видео.

S3C6410 был разработан специально для мобильных

устройств с широкими мультимедийными возможностями.

Он построен на 32-разрядном ядре ARM1176 и обладает

встроенным мультиформатным кодеком (Multi-Format

Codec). Это означает, что процессор успешно справляется

с аппаратным кодированием/декодированием форматов

MPEG4/H.263/H.264/VC1 в стандартных разрешениях, а также

способен обрабатывать сигнал разрешением 640×480 с

частотой 30 кадров в секунду в полнодуплексном режиме

(одновременный захват и воспроизведение). Еще один

бонус — аппаратный 3D-ускоритель с поддержкой OpenGL

ES 1.1/2.0 и D3DM API, который в состоянии просчитывать 4М

треугольников с секунду. В наличии имеется и 2D-ускоритель

с аппаратным масштабированием, JPEG-кодек и 2 порта

доступа к памяти, что позволяет не снижать быстродействие

при одновременном выполнении кода CPU и воспроизве-

дения/захвата видео. И последнее: встроенный аппаратный

ТВ-кодировщик позволяет воспроизводить ТВ-сигнал в фор-

матах NTSC и PAL. К этому добавляются богатый набор интер-

фейсов, периферии и контроллеров памяти.

Процессор S3C6410 выпускается по технологиям 65 нм

и Low Power Process, что позволяет существенно снизить

энергопотребление и использовать его в устройствах с

батарейным питанием.

Итак, сгруппировав список основных характеристик про-

цессора Samsung S3C6410, мы получим следующую картину:

– ядро ARM1176JZF-S;

– частота ядра до 667 МГц;

– поддержка SRAM/NOR, SDRAM, mDDR, NAND,

OneNAND;

– мультиформатный кодек (Multi-Format Codec);

– JPEG-кодек;

– аппаратная поддержка функций поворота изображе-

ния;

– 3D- и 2D-графические ускорители;

– ТВ-кодировщик (NTSC/PAL);

– постпроцессор видео;

– LCD-контоллер;

– интерфейсы I2S (PCM, AC97) x3, I2C x2, SPI x2, UART x4,

HIS, CF+/ATA, IrDA, USB OTG 2.0, USB Host 1.1, HS-MMC/SDIO,

сенсорная панель;

– ADC 8ch, RTC, PLL, PWM, WDT, DMA 32ch, модуль

управления питанием.

ДРУЖНОЕ СЕМЕЙСТВО ПРОЦЕССОРОВ SAMSUNG

S3C6410 — это яркий, но далеко не единственный пред-

ставитель семейства процессоров компании, помимо него

Samsung предлагает разработчикам более десятка раз-

личных по стоимости и производительности устройств.

Знакомство с ними не составит особого труда, т.к. про-

цессоры сгруппированы по трём основным семействам. У

каждого из них — свой «характер» и область применения

(см. табл. 2).

1. ПРОЦЕССОРЫ S5PC1XX

S5PC1xx — семейство новых 32-разрядных высокопро-

изводительных микропроцессоров с малым потреблени-

ем энергии, интегрированным ядром ARM CortexTM-A8 и

векторным сопроцессором NEON. На данный момент его

представителями являются S5PC100 (до 800 МГц, HD 720p)

и S5PC110 (до 1 ГГц, HD 1080p).

Обеспечение высокой производительности решений

для 3G и 3,5G-коммуникации возложено на внутреннюю

Рис. 2. Структурная схема процессора Samsung S3C6410

104

WWW.ELCP.RU

64-разрядную многоуровневую шину, а интегрирован-

ные высокопроизводительные ускорители процессоров

используются для таких задач как обработка, управление

и масштабирование ТВ-изображения; поддержка воспро-

изведения видео в реальном времени; использование ана-

логового ТВ-выхода и выхода HDMI в NTSC и PAL-режимах.

Встроенный кодек (MFC) поддерживает кодирование/деко-

дирование MPEG-1/2/4, H.263, H.264, а также VC1 и Divx.

Для обеспечения высокой пропускной способности

памяти в процессорах используется порт параллельного

доступа к внешней ROM/ флэш-памяти и порт DRAM (дина-

мической памяти), который можно сконфигурировать для

работы с mDDR/DDR2/mDDR2 или LPDDR2. ROM/ флэш-порт

поддерживает внешнюю память NAND-флэш, NOR-флэш,

OneNAND и ROM.

Проверено на практике: широкий набор разнообразной

периферии позволяет удовлетворить любые потребности

и построить мощную систему на кристалле с максималь-

ной эффективностью и по приемлемой цене.

2. ПРОЦЕССОРЫ S3C64XX

Самым ярким представителем является описанный

S3C6410, помимо него в семейство входят процессоры

S3C6430, S3C6431, S5P6440 и др. Они имеют единое ядро

ARM11, отличаются набором поддерживаемой периферии

и, соответственно, возможностями использования в кон-

кретных решениях.

3. ПРОЦЕССОРЫ S3C24XX

Это насыщенное по номенклатуре процессоров семей-

ство получило заслуженное признание во всем мире (во

многом благодаря широким возможностям применения в

самых разных продуктах и решениях).

Процессоры S3C24xx и их основные отличия представ-

лены в таблице 3.

Кроме вышеперечисленных процессоров в список

семейств Samsung также входят узкоспециализированные

устройства, за счет которых разработчики могут успешно

выполнять поставленные задачи и при этом не пере-

плачивать за неиспользуемый функционал. Например,

мультимедийный процессор S5L2010 был спроектирован

специально для применения в фоторамках, он обладает

достаточной для этого производительностью и нужным

набором периферии (ARM9, декодирование JPEG в 15 Мп

за 3 секунды, поддержка интерфейсов SD/MMC/SM/MS/CF/

xD и USB 2.0 OTG). Список других возможностей внедрения

процессоров Samsung показан на рисунке 3.

4. ОТЛАДОЧНЫЕ ПЛАТЫ

Отдельно стоит отметить такой важный компонент как

отладочные наборы, созданные специально для разработ-

ки продуктов на базе процессоров Samsung. Существуют

как оригинальные решения, так и платы сторонних ком-

паний. Вначале кратко рассмотрим первые: компанией

Samsung представлены аппаратные платформы SMDK

(Samsung Mobile Development Kit) и SMRP (Samsung Mobile

Reference Platform).

SMDK — это плата предназначена для проверки про-

цессоров и решений, а также для последующей разработ-

ки собственных продуктов на ее базе (возможна работа с

памятью, дисплеем, аудиокодеком и другими встроенными

в эту плату модулями). SMRP — референс-платформа,

которую можно встраивать в собственные решения в виде

дочерней платы. В данный момент на рынке доступны

следующие средства разработки от компании Samsung:

SMDK2416, SMDK2443, SMRP2443, SMDK2450, SMDK6410 и

SMDKC100 на базе соответствующих процессоров.

Все наборы разработчика сопровождаются каче-

ственной документацией, включающей в себя схемы с

описанием применяемых компонентов и решений, исхо-

дными кодами Firmware и демонстрационных приложе-

ний. Как уже было отмечено, подобные наборы пред-

лагаются и сторонними производителями, они имеют

некоторые отличия от оригинальных плат, но при этом

Рис. 3. Возможности использования процессоров Samsung

Таблица 2. Семейства мобильных процессоров Samsung

Семейство Сегмент Характеристики Области применения

S5PC1xxПоследнее поколение высокопроизводительных микропроцессоров для мультимедийных продуктов

ARM Cortex-A8, 667/833/1000 МГц, HD (1080p)Нетбуки, игровые консоли, планшеты с поддержкой 3G, Wi-Fi и HD-видео, мультимедиа и навигационные системы премиум-класса

S3C64xxСредний ценовой сегмент, высокая производитель-ность

ARM1176, 533/667/800 МГц, 3D Accelerator, HW Multimedia

Электронные книги с Wi-Fi и 3G, смартфоны и навига-торы, мультимедийные системы

S3C24xxШирокая линейка, оптимальны по цене и производи-тельности, широкая область применения

ARM920T/926EJ, 200-533 МГц, большой набор поддер-живаемых интерфейсов (в зависимости от конкретной модели)

Электронные книги, КПК, GPS-навигаторы

106

WWW.ELCP.RU

более доступны по цене. В качестве примера недорого-

го (в сравнении с SMDK6410) и качественного решения

можно привести Idea6410, эта плата может быть исполь-

зована для разработки готового решения или прототипа

изделия (возможна поставка с OC Win CE 6.0, Android,

Linux и Ubuntu).

В качестве PDK (Platform Development Kit) для реализа-

ции собственных продуктов может применяться и модуль

Pegasus, российская компания Semidevices предлагает его

в качестве базы для разработки.

Таким образом, разработка мультимедийных продуктов

на основе SoC Samsung — это реальная возможность

перехода к качественно новому уровню своих решений.

И это не просто теория, а отражение успешного опыта

компаний в разработке востребованных электронных

продуктов. Тем более в этом году в России появился

первый русскоязычный центр технической поддержки

процессоров Samsung. Он был запущен инженерами

дизайн-центра электроники Promwad при участии MT

System, поставщика электронных компонентов Samsung

на российском рынке (см. рис. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процессоры Samsung действительно могут приме-

няться не только в мобильных устройствах, но и в других

решениях, где требуется работа c видео- и аудиоданными.

Это обусловлено тем, что их мультимедийные способности

дают широкое поле для новых идей и необычных вне-

дрений. Пример успешного российского проекта должен

Таблица 3. Основные представители семейства S3C24xx

Процессор Ядро/частота, МГц Отличительные характеристики

S3C2410ARM920T/200, 266

MMU начальный загрузчик из NAND флэш-памяти, управление ROM/SRAM/SDRAM, управление STN/TFT LCD, управление сенсорной панелью, поддержка карт памяти MMC/SD, USB, АЦП 10 бит

S3C2412ARM926EJ/

200,266Характеристики S3C2410s + поддержка mSDRAM

S3C2413ARM926EJ/

266Характеристики S3C2410s + поддержка mSDRAM, mDDR, OneNAND; интерфейс камеры

S3C2416ARM926EJ/

400Характеристики S3C2410s + графический ускоритель 2D, поддержка DDR2

S3C2440ARM920T/300, 400

Характеристики S3C2410s + интерфейс камеры

SC32442ARM920T/300, 400

Характеристики S3C2440s + MCP (Multi Chip Package)

S3C2443ARM920T/400, 533

Характеристики S3C2440s + поддержка USB2.0, CF-ATA I/F, HS MMC, SPI, MLC

S3C2450ARM926EJ/

400, 533Характеристики S3C2416s + интерфейс камеры; поддержка CF-ATA

вдохновлять инженеров. Действительно, не стоит бояться

использовать решения, которые успешно внедряются

мировыми лидерами. Малые и средние компании вполне

могут освоить простые и эффективные решения на базе

модулей Pegasus и операционной системы Linux.

Более подробную информацию можно получить в

русскоязычном центре технической поддержки Samsung:

http://samsung.promwad.com

Рис. 4. Взаимодействие компаний на российском рынке электронных компонен-тов Samsung

СОБЫТИЯ РЫНКА

| «СКАНТИ РУС» СОВМЕСТНО С КОРПОРАЦИЕЙ TEXAS INSTRUMENTS ОТКРЫВАЕТ КОНСУЛЬТАЦИОННЫЙ ЦЕНТР «ТЕХЦЕНТР

СКАНТИ — Texas Instruments» (ТехЦентр) | Основная задача ТехЦентра — повышение уровня квалификационной подготовки

технических специалистов, в первую очередь разработчиков, занятых в различных областях электронной промышленности.

Форматы занятийСеминары — практическая работа с отладочными комплектами и построение типовых электрических схем на базе

электронных компонентов TI. Вы освоите методику работы с отладочными комплектами TI и сможете применить получен-

ные знания в собственной разработке.

Лекции — общая техническая информация по заданной тематике, анонс новинок, демонстрация работы с отладочными

средствами. Вы получите полезную информацию в компактном виде на русском языке, сможете структурировать и систе-

матизировать имеющиеся знания, получить ответы на интересующие вас вопросы.

Все занятия проводятся специалистами «Сканти Рус» или Texas Instruments. Слушатели обеспечиваются материалами

на русском языке.

Первая лекция «Микроконтроллеры С2000 от TI для систем управления реального времени» состоится 22-го апреля

2010 г. по адресу Варшавское ш., 125. В честь открытия ТехЦентра посещение этой лекции для слушателей бесплатно.

Подробная информация по адресу www.scanti.ru/TechCenter/techcenter.php или по тел. (435) 781-49-45.

www.scanti.ru

3 июня 2010 г.

УЧАС ТНИКИ:

руководители отделов разработки, инженеры, ведущие разработчики.

КО М П А Н И И :

производители компонентов и разработчики решений для мультимедиа • и телекома, сетей и интерфейсов, беспроводных технологий;

контрактные разработчики.•

П Р Е Д В А Р И Т Е Л Ь Н А Я П Р О Г РА М М А КО Н Ф Е Р Е Н Ц И И

09:00—10:00

Регистрация участников. Приветственный чай/кофе. Работа выставки.

10:00—13:00

П Л Е Н А Р Н А Я Ч АС Т Ь

мировой рынок программно-аппаратных средств мультимедиа и телекома;• мировой рынок компонентов и решений для беспроводных технологий: • продукция компаний – мировых лидеров;

с• тандарты МЭК для промышленных сетей;

построение абонентских сетей;• обзор современных беспроводных технологий;• тенденции развития мультимедиа и телекома;• опыт разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС. Перспективы развития.•

13:00 —14:00

Обед. Работа выставки

14:00 – 18:00

РА Б О ТА С Е К Ц И Й

Телеком и мультимедиа (разработчикам оборудования связи, оборудования приема цифрового I. телевидения, мультимедиа, гаджетов).

Беспроводные технологии (разработчикам беспроводных модулей и систем, в том числе II. ГЛОНАСС).

Сети и интерфейсы (разработчикам модулей и компонентов проводных III. и беспроводных сетей, в том числе промышленных сетей).

18:00 Фуршет

Производителям, поставщикам компонентов и интеграторам мы предлагаем представить свою продукцию, новые технологии, возможности и планы их компаний.

ПЕРВАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

За более подробной информацией

обращайтесь в оргкомитет Форума.

Тел./факс: (495) 741-7701, доб. 2233;

741-7702

Контактное лицо: Динара Бараева

E-mail: conf@ecomp.ru

П Е Р Е Д А Ч А Д А Н Н Ы Х

ПО

СЛ

Е Р

АБ

ОТ

Ы

109

Электронные компоненты №3 2010

В статье дано общее описание двухчастотного металлоискателя и при-

ведена процедура настройки прибора перед работой.

Двухчастотный металлоискатель

BM8043 — «КОЩЕЙ»АНДРЕЙ ЩЕДРИН (г. Москва)

ЮРИЙ КОЛОКОЛОВ (г. Донецк)

Предлагаемый двухчастотный

ин дук ционный металлоискатель

ВM8043 — «КОЩЕЙ» по своим харак-

теристикам не уступает заводским

металлоискателям, однако стоит

дешевле и доступен широкому кругу

радиолюбителей. Поскольку формат

статьи не позволяет дать полное опи-

сание устройства, то рекомендуется

ознакомиться с инструкцией по экс-

плуатации [2] и работой [1].

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Структурная схема металлоискате-

ля ВM8043 — «КОЩЕЙ» изображена на

рисунке 1. Видно, что рассматриваемый

металлоискатель имеет два принципи-

альных отличия от классических одно-

частотных приборов:

1. Передающий и приемный тракты

имеют широкую полосу пропускания.

2. Для детектирования сигнала

используется единственный коммути-

руемый синхронный детектор.

Самостоятельное изготовление

«с нуля» данного металлоискате-

ля достаточно проблематично даже

для опытных радиолюбителей из-за

дефицита многих деталей, сложности

SMD-монтажа и невозможности каче-

ственного изготовления механических

узлов. Учитывая перечисленные при-

чины, компания «Мастер Кит» выпусти-

ла набор BM8043, который состоит из

электронного блока заводской сборки,

всех необходимых разъемов и корпуса

датчика (см. рис. 2). Несмотря на то, что

все узлы уже собраны, набор оставляет

большое поле для творчества — само-

стоятельное изготовление датчика и

последующая настройка прибора пред-

ставляют собой весьма кропотливую

работу. Именно эти вопросы мы и рас-

смотрим ниже.

ПИТАНИЕ

Для питания металлоискате-

ля КОЩЕЙ-ВМ8043 рекомендуется

использовать либо кислотный акку-

мулятор 12 В емкостью 1,2 А/ч, либо

10 пальчиковых NiMH-аккумуляторов

емкостью 1000…2000 мА/ч. С одной

стороны, кислотный аккумулятор

гораздо дешевле, однако он весит в

два с лишним раза больше, чем набор

аккумуляторов АА.

Источник питания следует поме-

стить в корпус. Пальчиковые аккумуля-

торы рекомендуется предварительно

спаять между собой (не перегревая!)

для повышения надежности. Далее

через предохранитель 2 А необходимо

подключить шнур питания с сечением

проводников не менее 0,5 мм2.

ШТАНГА

Штанга должна быть достаточ-

но прочной и легкой. Она не должна

содержать металлических деталей, рас-

положенных на расстоянии менее 40 см

до датчика. Из подручных материалов

для штанги можно порекомендовать

детали от пластикового водопровода

или пластиковой удочки.

Батарейный отсек рекомендует-

ся располагать на противоположном

относительно датчика конце штанги. В

этом случае он будет служить противо-

весом датчику, и рука будет меньше

уставать при поисках.

Конструкция крепления электрон-

ного блока произвольна. Например, ее

можно совместить с рукояткой.

ДОРАБОТКА И НАСТРОЙКА

Для работы металлоискателя необ-

ходим датчик, реагирующий на при-

сутствие металла. Поскольку его изго-

товление — довольно кропотливый

процесс, то мы отсылаем читателя к

уже опубликованным руководствам и

инструкциям. Например, подробное

описание процесса изготовления дат-

чика можно найти на сайте [2].

Когда датчик будет готов, останется

только отрегулировать металлоиска-

тель.

Фазовая калибровка тракта про из-

водится для учета всех фазовых сдви-

гов, вносимых трактом в принимаемый

сигнал.

Для выполнения калибровки необхо-

димо расположить датчик кверху крыш-

кой и удалить от него все металличе-

ские предметы на расстояние не менее

0,5 м. В меню «Параметры» для первого

профиля установить усиление 8, рабо-

чую частоту 7 кГц и номер датчика 1.

Перейти в меню «Калибровка тракта»

(см. рис. 3). Для калибровки потребуется

эталонная мишень, например феррито-

вое кольцо с проницаемостью 2000 НМ.

Методика настройки заключается в

медленном передвижении эталонной

Рис.1. Структурная схема металлоискателя Рис. 2. Набор BM8043

110

ПО

СЛ

Е Р

АБ

ОТ

Ы

WWW.ELCP.RU

мишени вверх-вниз относительно цен-

тра датчика и наблюдении за индика-

цией. Если сигнал по шкале dX при этом

отклоняется влево, то нужно нажать

клавишу « ». Если сигнал отклоняется

вправо, то нужно нажать клавишу « ».

Процедура продолжается до тех пор,

пока сигнал по шкале dX не перестанет

изменяться, а по шкале dY сигнал будет

отклоняться только влево. После кали-

бровки канала 7 кГц следует откалибро-

вать канал 14 кГц. Ориентировочные

значения фазовых сдвигов для датчика,

описанного в материалах [2], состав-

ляют 150…160° для частоты 7 кГц и

170…180° для частоты 14 кГц.

Калибровка цепи автоподстройки

измерительного усилителя на входе

АЦП производится в меню «Калибровка

ADC». Напомним, что вблизи датчика

не должно быть металлических пред-

метов.

При нажатии клавиш « » и « »

значение калибровочного коэффици-

ента, выводимое на верхней строке

ЖКИ, будет изменяться с шагом 0,001.

Необходимо подобрать такое значе-

ние калибровочного коэффициента,

при котором сумма двух нижних чисел

(с учетом знака) будет минимальной.

Ориентировочное значение коэффици-

ента лежит в пределах 0,980—1,020.

И, наконец, последняя сервисная

настройка — калибровка измерителя

напряжения батареи. Металлоискатель

подключается к лабораторному блоку

питания через кабель, который впо-

следствии будет использоваться для

питания от аккумуляторов. На лабора-

торном блоке питания выставляется

напряжение 12 В.

Далее включается металлоискатель.

В меню выбирается пункт «Калибровка

Uбат». На экране появится число

406 ± 8. Необходимо запомнить этот

калибровочный коэффициент, нажав

клавишу «Ввод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания «Мастер Кит» предла-

гает готовый набор BM8043, в состав

которого помимо электронного блока

входят два разъема, держатель штанги

и подробная инструкция по работе с

прибором и изготовлению поисковой

катушки.

Более подробно ознакомиться с

ассортиментом продукции «Мастер

Кит» можно с помощью катало-

га «Мастер Кит — 2010» и на сайте

www.masterkit.ru, где представлено

много полезной информации по элек-

тронным наборам и модулям «Мастер

Кит», а также приведены адреса магази-

нов, где их можно купить.

ЛИТЕРАТУРА

1. Щедрин А., Колоколов Ю. «Схемо тех-

ника многочастотного металлоискате-

ля»//РАДИОХОББИ, 2005, №2.

Рис. 3. Примерный вид меню «Калибровка тракта»

2. Инструкция по эксплуатации

ме тал лоискателя КОЩЕЙ-BM8043 http://

www.metdet.ru/IB.htm.

Звоните бесплатно с мобильного или

городского телефона на горячую линию

Мастер Кит 8-800-200-09-34 и заказывай-

те товар по почте наложенным плате-

жом ( по рабочим дням с 9-00 до 18-00 ).

Таблица 1. Основные технические характеристики

Параметр Значение

Визуальная индикацияграфическая и текстовая, ЖКИ 132×32 точек

Звуковая индикация есть, многотональная

Режимы поиска селективный и неселек-тивный

Рабочие частоты 7 и 14 кГц

Потребляемый ток (7 кГц), не более

180 мА

Потребляемый ток (14 кГц), не более

100 мА

Диаметр датчика (в ком-плект не входит)

195 мм

Максимальная глубина обнаружения объектов (по воздуху)

Монета диаметром 25 мм до 30 см

Каска до 1 м

Максимальная глубина до 2 м

АНОНС НОВИНОК МАСТЕР КИТ

| УСТРОЙСТВО KIT MT1030: СИГНАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ БАНКОВСКИХ КАРТ + КОШЕЛЕК В ПОДАРОК | Устройство представляет

собой компактный вкладыш для кошелька, рассчитанный на хранение 5 банковских карт. При извлечении карты из вкладыша

устройство будет напоминать своему владельцу о ее отсутствии вибросигналом каждые 10 с. Через 30 с сигнализатор пере-

ходит в интенсивный режим и сообщает об отсутствии карточки каждые 3 с до тех пор, пока она не будет вставлена обратно.

Теперь всем обладателям банковских карт забыть их где-либо станет сложно. Устройство просто и надежно вкладывается в

любой кошелек.

| USB-ИОНИЗАТОР ВОЗДУХА MT1080 | Устройство представляет собой небольшой ионизатор воздуха, работающий от

USB-разъема компьютера. Ионизатор испускает отрицательно заряженные ионы, которые обладают бактерицидным действи-

ем. USB-ионизатор просто подключается к компьютеру, не требует специальной установки и работает абсолютно бесшумно.

Ионизатор воздуха воссоздает природную атмосферу, испуская поток анионов, полезных для здоровья человека.

| ШАГОМЕР С АНАЛИЗАТОРОМ ЖИРОВОЙ ТКАНИ MT4060 | В компактном корпусе этого легкого прибора содержится сразу

несколько устройств: счетчик шагов, измеритель количества жировой ткани в организме, измеритель пройденной дистанции,

счетчик сожженных калорий, часы и будильник. Устройство поддерживает до 5 профилей.

Многие болезни происходят от малоподвижного образа жизни. Поэтому врачи рекомендуют проходить в день не

менее 10 тысяч шагов (8 км). С шагомером Вы будете знать не только количество пройденных шагов и расстояние, но

и объем сожженных калорий и жировой ткани, которую сжечь еще предстоит. В профилях можно измерять различные

параметры: расстояния при беге, расход калорий при ходьбе и т.п.

| КАЛЬКУЛЯТОР УЧЕТА РАСХОДОВ MT4080 | Это легкое карманное устройство создано для учета расходов. Занесите расходы

в устройство сразу же в момент совершения покупки в одну из 8-ми категорий (еда, транспорт и т.п.), задайте лимит и при его

превышении устройство предупредит вас значком на экране и звуковым сигналом.

Калькулятор учета расходов подключается к компьютеру через USB-порт и отображает статистику расходов по катего-

риям и временным интервалам, не требуя установки дополнительного ПО.

| СВЕРКАЮЩИЙ СТАКАН MT5002 | Сверкающий стакан емкостью 400 мл имеет 7 вариантов подсветки, а также режим пере-

лива цветов. Стакан имеет съемную подставку, в которой расположена батарейка и кнопка включения подсветки. С помощью

нее также переключаются цвета подсветки. Сняв подставку, вы можете вымыть стакан вручную или в посудомоечной машине,

а также заменить батарейку.

Напитки с подсветкой будут выглядеть необычно и внесут разнообразие в ваше веселье, а кроме того, станут поводом

для шуток и разговоров.

ПО

СЛ

Е Р

АБ

ОТ

Ы

111

Электронные компоненты №3 2010

В статье описано устройство, предупреждающее водителя при паркова-

нии в гараже о близости препятствия.

Заехать в гараж? Легко!

ТОН ГИСБЕРТС (TON GIESBERTS), инженер, Elektor

Многие водители признаются, что

ехать вперед им гораздо проще, чем

на заднем ходу. Облегчить ориентиро-

вание помогает предлагаемый в дан-

ной статье электронный прибор (см.

рис. 1), который оценивает расстояние

до объекта и сигнализирует водителю

о том, что машина находится слиш-

ком близко от того или иного объекта.

Устройство крепится на неподвижной

поверхности, например задней стене

гаража.

Основа устройства – датчик рас-

стояния GP2D120 компании Sharp. Он

определяет расстояние до объекта

с помощью ИК-светодиода с длиной

волны 850 нм. Выходное напряжение

сенсора уменьшается с увеличением

расстояния.

Устройство имеет светодиодную

панель, которая начинает мигать при

приближении объекта. Чем ближе

машина подъезжает к датчику, тем чаще

происходят вспышки. При достижении

минимальной разрешенной дистанции

светодиоды станут гореть постоянно.

СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ

УСТРОЙСТВА

Принципиальная схема устройства

приведена на рисунке 2. Как мы уже

говорили, датчик MOD1 реагирует на

приближение объекта. Однако зависи-

мость между выходным напряжением

и расстоянием до датчика не является

линейной и обратно пропорциональ-

ной. Учитывая этот факт, сигнал необхо-

димо инвертировать в IC1A, прежде чем

подать его на ГУН IC1B. Потенциометр

Р1 необходим для регулировки выход-

ного напряжения IC1A, чтобы оно всег-

да оставалось в пределах допустимого

для ГУН диапазона.

Когда транзистор Т1 открывается,

включается ГУН. Чтобы светодиоды

горели постоянно, выходное напряже-

ние IC1A следует ограничить на уровне

0,5 В с помощью P1 (объект приблизил-

ся на минимально разрешенное рас-

стояние), после чего Т1 закрывается, и

ГУН выключается.

Принцип действия ГУН очень прост.

Когда Т1 открыт, конденсатор С3 заря-

жается через R3. Когда напряжение на

инвертирующем входе IC1B становит-

ся ниже, чем на неинвертирующем,

выходное напряжение становится

высоким, и С3 разряжается через D1 и

R4. Резисторы R5 и R6 задают диапазон

работы.

Резистор R8 выбирается так, чтобы

гистерезис составлял около 0,5 В, тогда

ГУН переключается при 3,4 В и 3,9 В, а

максимальное входное напряжение —

3 В. Для охвата всего выходного диа-

пазона датчика необходимо установить

движок потенциометра P1 (ножка 3 на

IC1A) в положение 1,45 В. Благодаря

описанной конструкции, меняется не

только частота, но и ширина импульса

ГУН. На высоких частотах через R3 и

R4 идет больший ток, поэтому С3 раз-

ряжается дольше, и IC1B переключается

реже.

Потенциометр Р2 регулирует напря-

жение на R11 в пределах 0,1…0,32 В. В

нижнем положении движка зона дей-

ствия датчика составляет примерно

1 м. Выходное напряжение датчика кон-

тролируется компаратором на опера-

ционном усилителе IC1D. Он управляет

частотой мигания панели так, чтобы

когда объект (автомобиль) входит в

зону действия датчика, частота мига-

ния была минимальной. Когда выход-

ное напряжение датчика минимально,

выходное напряжение IC1D — макси-

мально, поэтому диод D2 не дает кон-

денсатору С3 заряжаться. Напряжение

на IC1B остается низким.

Когда автомобиль припаркован,

светодиоды горят еще около 5 мин, а

затем отключаются схемой IC1C. Это

нужно для того, чтобы определить,

мигают ли светодиоды. Когда выход-

ное напряжение IC1B мало, С4 быстро

заряжается, и на выходе IC1C устанав-

ливается высокий сигнал, запирающий

D4. Светодиоды выключаются. Если

выходной сигнал IC1B остается высо-

ким в течение некоторого времени,

конденсатор С4 медленно разряжается

через R13. По истечении 5 мин выход-

Рис. 2. Принципиальная схема

Рис. 1. Внешний вид устройства

112

ПО

СЛ

Е Р

АБ

ОТ

Ы

WWW.ELCP.RU

ное напряжение IC1C уменьшается

настолько, что базовый ток Т2 начина-

ет течь через диод D4. Светодиодная

панель остается в выключенном

состоянии до тех пор, пока автомо-

биль не сдвинется. Как только машина

тронется, светодиоды начнут мигать,

пока он не выйдет из радиуса действия

датчика.

На максимальном чувствительном

расстоянии до датчика период мига-

ния светодиодов равен 240 мс, а длина

импульса — 50 мс. На минимальном

расстоянии период мигания 160 мс, а

длительность импульса 95 мс. Разница

частот (4 и 6 Гц) не особо заметна на

глаз, зато разница длительностей

импульсов ощутима.

ВЫБОР ОПЕРАЦИОННОГО

УСИЛИТЕЛЯ

В схеме используется счетверен-

ный операционный усилитель (IC1)

MCP6004-I/P производства Microchip,

но его при желании можно заменить.

Следует лишь иметь в виду, что опре-

деляющие параметры выбора — не

пропускная способность или скорость

нарастания выходного тока, а макси-

мальное входное дифференциальное

напряжение. Два усилителя использу-

ются в качестве компараторов, поэтому

разница напряжений между их входа-

ми может достигать нескольких вольт.

Усилитель должен выдерживать раз-

ницу, равную напряжению питания. В

нашей схеме оно лежит в диапазоне

от 1,8 до 5,5 В (максимально возможно

7 В).

Во многих усилителях стоят защит-

ные диоды, ограничивающие входное

дифференциальное напряжение до

1 В. Такие ОУ также можно использо-

вать в схеме. На этот случай на инвер-

тирующий вход IC1D поставлен рези-

стор R9. Мы пробовали использовать

усилитель TS924IN, но тогда оказалось,

что входы компаратора влияют друг

на друга, а постоянная времени С4 и

R13 уменьшается из-за добавления R14

и R15.

Таблица 1. Перечень элементов

РезисторыR1 – R3, R14, R15 = 100 кОм, R4, R7 = 22 кОм, R5 = 68 кОм, R6 = 220 кОм, R8 = 470 кОм; R9, R10 = 39 кОм, R11 = 2,7 кОм, R12 = 1 кОм, R13 = 1 МОм; R16, R17 = 4,7 кОм,R18 = 1,5 кОм; R19, R22 = 330 кОм Р1, Р2 = 100 кОм (производитель Piher)

Конденсаторы

C1 = 100 мкФ (25 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 8 мм), C2 = 100 нФ (МКТ, с шагом 5 мм или 7,5 мм), C3 = 4,7 мкФ (63 В, с радиальными выво-дами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 6,3 мм), C4 = 470 мкФ (25 В, с радиальными выводами, шаг 5 мм, макс. диам. 10 мм), C5 = 100 нФ (керам., с шагом 5 мм), C6 = 10 мкФ (63 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 6,3 мм), C7 = 220 мкФ (25 В, с ради-альными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 8 мм)

Полупроводниковые компоненты

D1—D4 = BAT85, D5—D24 = красные светодиоды (5 мм, ), D25 = зеленый светодиод (5 мм), D26 = стабилитрон (3,6 В, 1,3 Вт) T1 = BC550C, T2 = BD139 IC1 = MCP6004-I/P, IC2 = 78L05

Другое

K1 = 3-выводной SIL держатель, K2 = 3-выводной прямоугольный держатель SILMOD1 (не на плате) = датчик GP2D1202 разъема BPH-002T-P0.5S, 2 разъема PHR-32 печатные платы слот для держателя (SIL, 3 вывода)

Рис. 3. Печатная плата

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Датчик и схема со светодиодной

панелью питаются от источника 78L05.

На входе регулятора стоит стабили-

трон, чтобы рассеяние было минималь-

ным, иначе перепад напряжения на

регуляторе может достигать 7 В, что

крайне нежелательно. Светодиодная

панель подключается к сети через

адаптер 12 В. Этого напряжения доста-

точно для питания 5 последователь-

но включенных красных светодиодов.

Потребление в неактивном режиме

составляет 39 мА. При включении всех

светодиодов потребляется 76 мА.

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

Схема располагается на двух одно-

сторонних печатных платах (см. рис. 2).

Светодиоды крепятся на отдельной

плате, чтобы их было удобнее распола-

гать на видном месте. Датчик и схема

должны монтироваться на объекте,

который надо объехать или расстояние

до которого водителю трудно оценить

из салона.

Для универсальности датчик можно

установить на держателе, чтобы его

можно было легко перемещать. При это

дополнительно потребуется 3-вывод-

ной слот с шагом выводов 2 мм (под-

ходят слоты компании Japan Solderless

Terminals).

Более подробную информацию о ком-

плекте можно найти на сайте Elektor

www.elektor.com. По вопросам приобре-

тения образцов или сотрудничества с

Elektor обращайтесь к Антону Денисову:

anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.

Обзор журнала Elektor №3, 2010

Тема мартовского номера Elektor — открытые исходные коды. Вокруг этого вопроса не угасают споры, однако пока одни обсуждают целесообразность раскры-тия «секретов», другие активно используют открытое ПО. В итоге даже таким про-тивникам Open Source, как Microsoft, приходится идти на поводу у разработчиков и предлагать бесплатные продукты.

Для радиолюбителей, работающих со встраиваемыми системами, приводится большой список из 20 интернет-ресурсов по различным видам Open Source со ссылками и описанием. Другая статья позволяет ознакомиться с открытыми ОС для встраиваемых систем на основе 8-разрядных МК. На примере проекта Linux on a Chip подробно описывается процесс установки ОС Embedded Linux. Также в номере даются ценные советы по более эффективному использованию открытого ПО.

В нетематической части журнала советуем обратить внимание на обширный сравнительный обзор основных шин (SPI, MicroWire и др.) с примерами их исполь-зования. Для тех, кто только начинает работать с микроконтроллерами, полезны будут опубликованные в номере советы по снижению энергопотребления схем на основе МК AVR.

Среди наиболее интересных проектов в номере можно найти закон-ченный миниатюрный звуковой усилитель класса D размером чуть больше спичечного коробка; трехцветный контроллер DMX512-A для светомузыки на основе МК MSP430 (Texas Instruments); устройство, оповещающее водителя о приближении автомобиля к препятствию (полезно при парковке в гараже или при въезде на садовый участок); автоматический выключатель для раз-личных бытовых устройств, работающий в трех режимах: инфракрасном (для дистанционного выключения телевизора и подобных устройств, переходящих по умолчанию не в выключенное состояние, а режим ожидания), «сумерки» (включение и выключение светильников в доме или саду в соответствии с уровнем естественного освещения) и «обратный отсчет» (выключение через заданное время).

Также приводится оригинальное устройство для запоминания и автоматиче-ского ввода паролей, подключающееся к ПК через интерфейс USB. Примечательно, что в него можно записывать не только компьютерные пароли, но и ключи от электронных замков. Само устройство защищено PIN-кодом.

Помимо этого в номере имеются другие не менее интересные устройства, а также новости, советы инженеров и т.д.

113

Электронные компоненты №3 2010

Новые компоненты на российском рынке

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Новый приемник прямого преобразования от CML Microcircuits

CML Microcircuits, одна из ведущих мировых ком-паний в области проекти-рования и производства маломощных аналоговых,

цифровых и гибридных интегральных микросхем для теле-коммуникационных систем, анонсировала выпуск микросхе-мы приемника прямого преобразования CMX994.

Микросхема содержит широкополосный малошумящий усилитель, понижающий преобразователь частоты, а также квадратурный демодулятор c широким динамическим диа-пазоном.

Входная секция микросхемы содержит усилители, а также прецизионные фильтры основной полосы частот. Непосредственно за фильтрами следуют высоколинейные смесители-преобразователи. Затем следует каскад поло-совых фильтров, обеспечивающий подавление сигнала вне основной полосы частот. После фильтров следует усилитель с управляемым коэффициентом усиления для I- и Q-канала.

Гетеродин смесителя построен на основе ФАПЧ с цело-численным коэффициентом деления частоты в петле обратной связи и ГУНа. Возможно подключение внешнего гетеродина.

Ключевые особенности микросхемы.– Прямое преобразование обеспечивает подавление

зеркального канала.– Малошумящие усилители в составе микросхемы обла-

дают регулируемым коэффициентом усиления.– Рабочая полоса частот квадратурного демодулятора

100 МГц…1 ГГц.– Прецизионное фильтрование сигнала основной часто-

ты.– Напряжение питания 3,0…3,6 В. – Режим гетеродина с возможностью деления опорной

частоты на 2, 4 и 6. – Компактный корпус Q4 (40-выводной VQFN).CML Microcircuits

www.cmlmicro.com

Дополнительная информация:см. «Макро Групп», ЗАО

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Новая промышленная плата от Avalue способна воспроизводить видео качества Full HD

Компания Avalue выпу-стила новую промышлен-ную плату форм-фактора Mini ITX — ACP-GM45DS.

Отличительная особенность платы — наличие интегриро-ванной видеокарты Intel GM 4500MHD, имеющей встроен-ные функции HD-декодирования, благодаря которым воз-можно воспроизведение видео в формате Full HD.

Кроме того, в качестве центрального процессора используется Intel Core 2 Duo T946M, а оператив-

ная память DDR2 способна достигать 4 Гбайт.Благодаря мощному процессору и производительной

видеокарте, а также возможности подключения дополни-тельных дисплеев по интерфейсам VGA, LVDS, DVI и HDMI, новая плата ACP-GM45DS идеально подходит для построе-ния систем визуализации с интенсивной обработкой дан-ных, например:

– информационно-развлекательных систем;– систем видеонаблюдения и безопасности;– в медицинском приборостроении.Поддержка платой разрешения 2028 × 1536 пикселов

позволяет подключать плазменные панели и ЖК-панели качества Full HD.

Плата поддерживает множество интерфейсов, среди которых 5 SATA-, 8 USB- и 5 COM-портов.

Новая плата имеет микроконтроллер TPM, который позволяет надежно защищать пользовательские данные от взлома со стороны вредоносного программного кода. Кроме того, имеющийся контроллер Gigabit Ethernet с под-держкой технологии iAMT позволяет удаленно управлять настройкой сети и дает возможности для развертывания служб управления IT-инфраструктурой.

Технические характеристики платы:– ОЗУ: до 4 Гбайт DDR2 800 МГц;– интерфейсы: 1 Mini PCIe, 1 PCIe x1;– 2×Gigabit Ethernet;– разъем CompactFlash;– 8 GPIO;– слот PCI;– встроенный усилитель звука 6 Вт;– 2×24-разрядный LVDS.Плата позволяет обойтись одним источником питания,

так как работает в диапазоне напряжений 19…24 В.Аvalue

www.avalue.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ

Синтезатор частоты с ФАПЧ и пря-мой модуля-цией сигнала от Analog Devices

Компания Analog Devices предлагает ADF4158 — новый синтезатор частоты с ФАПЧ и дробным коэффициентом деления с воз-можностью прямой модуляции сигнала в диапазоне частот до 6 ГГц.

Микросхема содержит встроенный 25-разрядный делитель частоты, позволяющий получать сетку частот с шагом менее одного Гц, малошумящий цифровой частотно-фазовый детектор, прецизионную схему подкачки заряда и программируемый делитель опорной частоты.

114

WWW.ELCP.RU

Синтезатор может производить частотную или фазовую модуляцию сигнала, а также однократное и постоянное качание по частоте по пилообразному или треугольному закону. Управление и контроль работы микросхемы осу-ществляется по шине SPI.

Основное назначение синтезатора — измерительное оборудование, а также радары на основе непрерывного ЧМ-сигнала для определения скорости и расстояния до цели (автомобильные радары).

Основные характеристики:– диапазон рабочих частот: 0,5…6,0 ГГц ;– частота опорного сигнала: 10…250 МГц;– нормализованный фазовый шум: –207 дБн ;– фазовый шум: -87 дБн (на частоте 5800 МГц,

fREFIN = 100 МГц, fPFD = 25 МГц, off set frequency = 2 кГц, N = 232, loop bandwidth = 20 кГц);

– напряжение питания: 2,7…3,3 В;– ток потребления: 32 мА (макс.);– диапазон рабочих температур: –40…125°С

(ADF4158YCPZ);– тип корпуса: 24-выводной LFCSP.Микросхемы доступны в образцах. Серийное производ-

ство запланировано на второй квартал 2010 г.Analog Devices Inc.

www.analog.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Модули AC/DC-преобразователей серии МАА от ООО «Александер Электрик ИЭП»

ООО «Александер Электрик источники электропитания» под контролем военного представительства начало про-изводство модулей МАА БКЮС.430610.007 ТУ для работы в сети 3-фазного переменного тока выходной мощностью 900 и 1500 Вт.

Модули серии МАА предназначены для электропитания цифровой и аналоговой аппаратуры специального и про-мышленного назначения и представляют собой стабилизи-рованные AC/DC-преобразователи с гальванической развяз-кой между входом и выходом.

Отличительной особенностью модулей является возмож-ность параллельной работы, открывающая перспективы для наращивания мощности и резервирования.

Диапазон рабочих температур модулей -40…85°С. Модули имеют выносную обратную связь, подстройку выходного напряжения, датчик выходного тока, дистанци-онное включение, защиту от короткого замыкания, перена-пряжения и тепловую защиту.

ООО «Александер Электрик ИЭП»

www.aeip.ru

Дополнительная информация:см. «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Новое семейство микросхем для построения импульсных источников питания от Power Integrations

Компания Power Integrations, мировой лидер в производстве высоко-вольтных аналоговых микросхем для построения импульс-ных источников питания, объявила о выпуске нового семей-ства — TOPSwitch-JX.

Семейство микросхем TOPSwitch-JX состоит из 16 пред-ставителей, содержащих силовой ключ с рабочим напря-жением до 725 В для использования в обратноходовых источниках питания. Инновационный алгоритм управления

TOPSwitch-JX позволяет добиться максимальной эффектив-ности во всем диапазоне нагрузок.

При больших нагрузках высокая энергетическая эффек-тивность микросхем позволяет минимизировать потери энергии, а также упростить и удешевить систему рассеива-ния тепла.

Высокая энергетическая эффективность обеспечивает-ся инновационным многоцикловым режимом модуляции, который снижает среднюю частоту переключения, неста-бильность выходного напряжения и аудиошумы. Все это позволяет преобразователю на базе микросхем TOPSwitch-JX соответствовать таким стандартам энергосбережения, как ENERGY STAR и EC EuP Ecodesign Directive.

Увеличенное напряжение пробоя ключа (до 725 В) повышает надежность системы и позволяет ей работать с увеличенными отраженными напряжениями, что во мно-гих случаях снижает стоимость выпрямительного диода на вторичной стороне. Новое семейство микросхем также включает схему сброса.

Представители микросхем семейства TOPSwitch-JX доступны в новом низкопрофильном корпусе eDIP, который оптимизирован для рассеивания тепла в компактных при-ложениях (LCD-мониторы, ТВ, ноутбуки и пр.). Кроме того, микросхемы прекрасно подходят для построения преобра-зователей для принтеров, ПК, ТВ-приставок, аудио-/видео- и другой электроники с энергопотреблением до 177 Вт в уни-версальном диапазоне входного напряжения.

Power Integrations Inc.

www.powerint.com

Дополнительная информация:см. «Макро Групп», ЗАО

Семейство микросхем LinkSwitch-II в новом корпусе от Power Integrations

Компания Power Integrations объявила о выхо-де семейства микросхем LinkSwitch-II в более компакт-ном корпусе SO-8C (индекс D в обозначении элемента), что позволит разработчикам соз-давать еще более компакт-ные зарядные устройства и светодиодные драйверы мощностью до 5 Вт.

Семейство LinkSwitch-II значительно упрощает про-ектирование маломощных

CV/CC-преобразователей благодаря тому, что микросхемам семейства не требуется оптопара и цепь контроля выходно-го напряжения. Представители семейства используют новую технологию, которая позволяет контролировать с высокой точностью выходное напряжение и ток.

Микросхема включает в себя силовой 700-В транзистор, контроллер с релейным способом управления силовым ключом, внутренний источник тока, частотный джиттер, цепь ограничения тока и тепловую защиту.

Теперь таблица представителей семейства выглядит сле-дующим образом:

Микросхема

85…265 ВAC

Адаптер Печатный узел

LNK603PG/DG, LNK613PG/DG 2,5 Вт 3,3 Вт

LNK604PG/DG, LNK614PG/DG 3,5 Вт 4,1 Вт

LNK605PG/DG, LNK615PG/DG 4,5 Вт 5,1 Вт

LNK606PG/GG/DG, LNK616PG/GG/DG 5,5 Вт 6,1 Вт

LNK632DG 3,1 Вт 3,1 В

Power Integrations Inc.

www.powerint.com

Дополнительная информация:см. «Макро Групп», ЗАО

115

Электронные компоненты №3 2010

Новый синхронный повы-шающий импульсный стабилизатор от Microchip

Компания Microchip анонсировала повы-шающие стабилизаторы MCP1640, которые рабо-

тают от минимального напряжения 0,35 В. Ток потребления в рабочем режиме составляет менее 19 мкА, в дежурном режиме — менее 1 мкА. Два интегрированных FET, частота переключений 500 кГц и выходной ток до 350 мА позволяют использовать импульсный стабилизатор MCP1640 в миниа-тюрных устройствах с батарейным питанием и длительным сроком службы.

Рабочее напряжение 0,35 В и напряжение старта менее 0,65 В обеспечивают питание устройства от одной щелоч-ной, NiMh- или NiCd-батареи, которые могут быть сильно разряжены. Режимы PWM/PFM позволяют обеспечить низ-кий рабочий ток и ток в дежурном режиме, а также эффек-тивность до 96%, что также позволит продлить срок службы элемента питания. Два встроенных FET уменьшают количе-ство внешних элементов, что позволяет создать более ком-пактное устройство.

Кроме того, компания Microchip анонсировала отладоч-ную плату MCP1640EV-SBC, наглядно демонстрирующую использование стабилизатора MCP1640 с минимумом внеш-них компонентов для питания схемы от одной, двух или трех щелочных батарей или NiCd/NiMH-батарей, а также одной батареи типа Li-Ion или Li-Polymer. Отладочная плата представляет собой пример оптимальной разводки под ста-билизатор MCP1640 в двух исполнениях: 6-выводный корпус SOT-23 и корпус DFN (2×3 мм).

Импульсный стабилизатор MCP1640 имеет широкий диапазон рабочих напряжений (0,35…5,5В), низкое напря-жение старта (0,65 В) и выходные напряжения 2,0; 3,0 и 5,0 В. В отключенном состоянии MCP1640 обеспечивает полное отключение входных и выходных выводов друг от друга. Более подробная информация на сайте www.microchip.com.

Microchip Technology

www.microchip.com

Дополнительная информация:см. Microchip Technology

МК И DSP

Комплект средств разработки для процессора Blackfi n дешевле на 70%!

Компания Analog Devices объявила о начале акции, в соответствие с которой можно приобрести со скидкой 70% комплект из полной лицензии VisualDSP++ и бюджетного JTAG-эмулятора (ADZS-ICE-100B) или же полной лицензии VisualDSP++ и высокопроизводительного JTAG-эмулятора (ADZS-HPUSB-ICE).

С 1 марта по 31 мая при покупке в компании «Элтех» любого из участвующих в акции комплектов Вы заплатите всего лишь 30% от суммарной стоимости входящих в ком-плект средств разработки:

– экономия более 70%: ADZS-100B-BUNDLE за $995 (без стоимости доставки и налогов);

– экономия более 70%: ADZS-BLKFN-BUNDLE за $1995 (без стоимости доставки и налогов).

Напоминаем, что компания Analog Devices в начале 2010 года объявила о выпуске новой серии бюджетных процессоров BF50X/F, недорогой оценочной платы и дешевого JTAG-эмулятора. Весенняя акция является разумным продолжением политики, позволяющей рос-сийским разработчикам максимально снизить затраты на разработку проектов с использование процессора Blackfin.

Analog Devices Inc.

www.analog.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Сверхмощные SMD-светодиоды Shiao от ком-пании Everlight

Развитие перспектив-ных типов светодиодов связано с оптимальным сочетанием мощности и компактных размеров. В

последнее время появились образцы светодиодов, отве-чающие этим требованиям. Новая серия светодиодов Shiao, представленная известной компанией Everlight, благодаря применению современных материалов позволяет исполь-зовать кристалл мощностью до 20 Вт в однокорпусном исполнении поверхностного монтажа с размерами корпуса 9×7×4,2 мм.

Расширенный диапазон температур –40…135°С дает воз-можность использовать светодиоды Shiao в таких жестких условиях, при которых эксплуатация других светодиодов попросту невозможна. Экологически чистое безсвинцовое исполнение, герметичность конструкции и широкая цве-товая гамма делает светодиод универсальным средством воплощения дизайнерских идей при создании энергосбере-гающих источников основного освещения, а также разноо-бразных элементов внутренней и внешней архитектурной или ландшафтной подсветки.

Everlight Electonics

www.everlight-electronics.ru

Дополнительная информация:см. «Политекс», ООО

Драйвер Macroblock MBI5039 с контролем све-тодиодных линий

Современные свето-диоды отличаются повы-шенной надежностью. Но существуют различные приложения, напри-

мер, сигнальная индикация, в которых важен постоянный контроль работоспособности светодиодных линий. В этом случае поможет новая разработка компании Macroblock — микросхема MBI5039.

Она представляет собой 16-канальный светодиодный драйвер с контролем выходных линий и программной кор-рекцией тока. Последовательный интерфейс, подобный SPI, позволяет посредством минимального числа линий управ-лять многоканальной каскадной нагрузкой и одновременно считывать состояние выходов. Микросхема включает в себя 16-битный сдвиговый регистр с параллельной защелкой, который производит последовательно-параллельное пре-образование данных. Одновременно с записью данных в выходную защелку, в сдвиговый регистр записывается 16-битовая последовательность статуса выходных линий, что позволяет диагностировать работоспособность свето-диодной нагрузки в режиме реального времени.

Номинальный ток для всех каналов задается в пределах 5...90 мА при помощи одного внешнего резистора и может быть скорректирован программно. Каждый канал способен управлять цепочкой светодиодов с напряжением питания до 17 В. Высокая базовая частота (30 МГц) позволяет управ-ляющему контроллеру осуществить высокоскоростной обмен данными с одним или несколькими последовательно подключенными микросхемами.

Macroblock Inc.

www.macroblock.ru

Дополнительная информация:см. «Политекс», ООО

116

WWW.ELCP.RU

Светодиодные трубчатые лампы Nationstar

Трубчатые люминес-центные лампы по сей

день широко применяются в освещении бытовых и обще-ственных помещений. При этом пользователи идут на неоправданный компромисс с собственным здоровьем и безопасностью людей, используя эти взрывоопасные све-товые источники со значительным содержанием ртути, а также вредным для глаз мерцанием и ультрафиолетовым спектром свечения. Замена этих ламп на светодиодные лампы стандартного трубчатого типоразмера позволила бы решить эту проблему самым простым и нетрудоемким способом.

Компания Nationstar, известная как производитель высококачественных сверхъярких светодиодов, пред-лагает светодиодные лампы типовых стандартов Т10, T8 и T5 для светильников различной длины. Благодаря стандартным разъемам, лампы можно устанавливать в имеющиеся конструкции без необходимости полного демонтажа, а встроенный блок питания позволяет изба-виться от неэффективных и ненадежных дроссельных элементов светильника. Корпус светодиодной лампы сочетает прочную поликарбонатную колбу и алюми-ниевую подложку для оптимального теплообмена, что обеспечивает безотказную работу в различных условиях эксплуатации.

Nationstar

www.nationstar.ru

Дополнительная информация:см. «Политекс», ООО

Драйвер Macroblock MBI6030 для создания полноцветных кластеров.

Полноцветные свето-вые решения перестали быть экзотикой благодаря

разнообразию и доступности мультикристалльных све-тодиодов. Красочное ландшафтное освещение, насы-щенная цветовая реклама, динамическая интерьерная подсветка и многоцветные светильники вытесняют своих монохромных предшественников из всех сфер приме-нения. Основной проблемой при создании подобных приложений является определение оптимального кон-троллера, который бы сочетал в себе функции выбора цветности, стабилизации рабочего тока и обеспечения эффективной коммуникации в многоразрядном кластере таких же устройств. Созданный специалистами компании Macroblock драйвер MBI6030 позволяет решить все эти задачи. В состав драйвера входит трехканальный про-граммируемый ШИМ-генератор, 16-битные регистры дан-ных для каждого канала и управляющая логика каскадной передачи пакета последующим элементам цепочки. Двухпроводный синхронный интерфейс дает возмож-ность объединить до 1024 элементов кластера, уменьшая число межплатных соединений. Функциональная само-достаточность микросхемы и простота формирования пакета данных снижает требования к вычислительной мощности управления кластером до самых простейших микроконтроллеров.

Macroblock Inc.

www.macroblock.ru

Дополнительная информация см. «Политекс», ООО

Полноцветные WRGB-светодиоды ProLight Opto серии Hornet

Полноцветные светодиоды интенсивно внедряются во все

новые сферы повседневной жизни и профессионального применения. Многообразие цветовых оттенков обычных RGB-светодиодов расширяет новый класс изделий ком-пании ProLight Opto – четырехкристалльные светодиоды Hornet. Обычное однокорпусное сочетание красного, зеленого и синего цвета дополнено белой составляющей. Высокоточная биновка белого кристалла позволяет добить-ся светлых тонов такого качества, которое недостижимо для цветового смешения традиционных полноцветных светодиодов. Наряду с уникальными функциональными возможностями отдельное внимание заслуживают техниче-ские характеристики изделия, выполненного в компактном SMD-конструктиве повышенной надежности, с высококаче-ственной силиконовой линзой и керамическим корпусом с удобной теплоотводной площадкой. Что является зало-гом долговременной и надежной работы этих сверхярких световых источников мощности до 10 Вт. Повышенная герметичность уровня JEDEC 1 и широкий диапазон рабо-чих температур (–40…90°С) позволяют не ограничиваться внутренней интерьерной или сценической подсветкой, а использовать светодиоды в любую погоду для качественно нового уровня полноцветных решений архитектурного, рекламного и ландшафтного оформления.

ProLight Opto

www.prolightopto.ru

Дополнительная информация см. «Политекс», ООО

«Александер Электрик ИсточникиЭлектропитания», ООО

129226, Москва, пр-т Мира, д.125Тел.: +7 (903) 156-54-97, +7 (499) 181-26-04Факс: +7 (499) 181-05-22, +7 (916) 950-87-53alecsan@aeip.ruwww.aeip.ru

«Макро Групп», ЗАО196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12Тел.: +7 (812) 370-6070Факс: +7 (812) 370-5030sales@macrogroup.ru,support@macrogroup.ruwww.macrogroup.ru

«Политекс», ООО123308, Москва, Хорошевское ш., 43-ВТел./факс: (495) 755-91-15box@radiodetali.ruwww.radiodetali. ru

«Элтех», ООО198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6АТел.: +7 (812) 635-50-60Факс: +7 (812) 635-50-70info@eltech.spb.ruwww.eltech.spb.ru

Microchip TechnologyТел.: +7 (812) 325-5115sale@gamma.spb.ruwww.microchip.com