Page 1


содержание

№11/2010 7 «Ангстрем» сегодня и завтра. Интервью 10 «Российская неделя электроники-2010». Итоги 11 СОБЫТИЯ РЫНКА

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 13 Иван Горяев Между строк datasheet, или как расширить возможности ИС

ЭЛЕКТРОПРИВОД 17 Дмитрий Изосимов, Николай Гнездов, Сергей Журавлев Проектирование асинхронных тяговых электродвигателей и синтез векторного управления тяговыми приводами 23 Анатолий Виноградов, Дмитрий Изосимов, Станислав Флоренцев, Александр Коротков Станция автономного электроснабжения 30 Байонгчул Чо, Сангил Йонг Вентильно-индукторные двигатели в «зеленых» системах

32 Майк Брогли Программируемые ИС смешанного сигнала для управления приводом 35 Роберт Калман, Алексей Глубоков SH2A — новое слово в промышленной автоматизации 38 Олег Сергеев Решения на основе электропривода maxon motor и Harmonic Drive для космического применения

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 42 Пробир Саркар Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 2

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 46 Слободан Кук Безмостовой ККМ-преобразователь с КПД выше 98% и коэффициентом мощности 0,999. Часть 2

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель 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 подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (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». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному 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 03.12.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13..

Электронные компоненты

www. elcp.ru


ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И УЧЕТ РАСХОДА РЕСУРСОВ

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 74 Евгений Маркелов Преимущества биполярных транзисторов перед полевыми

57 Тони Армстронг Системы с накоплением энергии. Информация для начинающих

76 Максим Соломатин Эволюция IGBT International Rectifier

МК И DSP 52 Владимир Трасковский, Юрий Трухан ИС передатчика и приемника последовательных данных стандарта LVDS

4

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 81 Владимир Кондратьев Преимущества и недостатки резисторов стандартного типа

СОДЕРЖАНИЕ

61 Хилад Шейнер Сетевая и хост-обработка данных: что лучше?

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПЛИС И СБИС 64 Майкл Паркер Как достичь скорости 1 триллион операций в секунду с плавающей запятой на FPGA?

84 Михаил Смирнов Современные методы передачи данных

ПОСЛЕ РАБОТЫ 88 Крипасагар Венкат Датчик разбития стекла — всё под контролем

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 69 Виктор Охрименко OFDM-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты

WWW.ELCOMDESIGN.RU

90

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ


contents # 1 1 / 2 0 1 0 E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #11 2010 MARKET

MSU AND DSP

7 Angstrem Today and Tomorrow. Interview

52 Vladimir Traskovsky and Yury Trukhan Transmitter/Receiver IC for LVDS Serial Data

10 Russian Week of Electronics-2010. Summary 11 MARKET EVENTS

61 Gilad Shainer Network-Based Processing versus Host-Based Processing

DESIGN AND DEVELOPMENT 13 Ivan Goryaev Reading Between Datasheet Lines, or How to Enhance IC Features

FPGA AND VLSIC 64 Michael Parker How to Achieve 1 Trillion Floating-Point Operationsper-Second in an FPGA

MOTOR DRIVE 17 Dmitry Izosimov, Nikolay Gnezdov and Sergey Zhuravlev Designing Asynchronous Traction Engines

NETWORKS AND INTERFACES 69 Victor Okhrimenko OFDM Modems for PLC: Standards, Manufacturers and Components

23 Anatoly Vinogradov, Dmitry Izosimov, Stanislav Florentsev and Alexander Korotkov Station for Self-Contained Supply 30 Byoungchul Cho and Sungil Yong How Switched Reluctance Motors enable green designs

DISCRETE POWER COMPONENTS 74 Evgeny Markelov Advantages of Bipolar Transistor over FETs

32 Mike Brogley Mixed-Signal Programmable ICs Enable 1-Chip Motion Control 35 Robert Kalman and Alexey Glubokov SH2A – A New Word in Industrial Automation

76 Maxim Solomatin Evolution of International Rectifier’s IGBTs

PASSIVE COMPONENTS 81 Vladimir Kondrat’ev Advantages and Drawbacks of Standard Resistors

38 Oleg Sergeev maxon motor and Harmonic Drive Solutions for Space Applications

THEORY AND PRACTICE WIRELESS TECHNOLOGIES

AT LEISURE 88 Kripasagar Venkat A Simple Glass Breakage Detector Using the MSP430

POWER SUPPLIES 46 Slobodan Cuk Bridgeless PFC Converter Achieves 98% Efficiency, 0.999 Power Factor. Part II

90

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

ENERGY SAVING AND METERING 57 Tony Armstrong Energy Harvesting Systems. Information for Beginners

Электронные компоненты №11 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

42 Probir Sarkar How Throughput Enhancements Dramatically Boost 802.11n MAC Efficiency. Part II

84 Michael Smirnov Modern Methods of Data Transfer


«АНГСТРЕМ» СЕГОДНЯ И ЗАВТРА Обычно мы публикуем интервью с представителями частных, относительно небольших компаний. Однако они представляют лишь часть российского рынка электроники. Другую, возможно, большую часть, представляют крупные предприятия, история которых началась многие десятилетия назад. У этих компаний и сегодня госзаказ составляет значительную долю выпускаемой продукции. В прошлом номере журнала мы рассказали о компании ГК «Азимут», а сегодня представляем ОАО «Ангстрем». В июне этого года акционеры ОАО «Ангстрем» практически полностью поменяли состав Совета директоров. Обновленный Совет назначил генеральным директором компании Алексея Таболкина, а бывший генеральный директор предприятия Валерий Дшхунян возглавил Совет директоров. Мы встретились с Алексеем Таболкиным, чтобы обсудить нынешнее положение дел на «Ангстреме», задачи предприятия и его перспективы на ближайшие несколько лет.

— Валерий Дшхунян является признанным авторитетом в микроэлектронной отрасли. По сообщениям прессы, его новая позиция будет способствовать выработке эффективной стратегии научно-технического развития компании. Какие задачи он будет решать на новом посту? С целью наиболее полного использования своих знаний и понимания рынка Валерий Леонидович фактиче-

ски совмещает работу в должности председателя Совета директоров и руководителя проекта, связанного с перспективными научными разработками, в т.ч. создания прорывных технологий в области электроники для жестких условий эксплуатации. Валерий Леонидович собрал уникальный коллектив экспертов в этой области, полностью обеспечивающий решение задач проектирования приборов и создания технологий их производства в России. — Можно ли оценить, какая часть продукции «Ангстрема» идет на открытый рынок, а какая на рынок, регулируемый государством? Какова доля экспортных поставок? — Около 25% оборота компании — это экспортные контракты. Около 40% — внутренний рынок, цены на котором определяются договорами. Оставшиеся 35% — это госзаказы, где различные министерства и ведомства, а также государственные предприятия жестко контролируют структуру цены. Конечно, есть еще и определенные условия по ценообразованию, но в целом по этому сегменту маржа не очень большая. — «Ангстрем» работает на рынках стран ЮВА. Каковы его особенности? — Рынок ЮВА очень цивилизованный и конкурентный. Клиенты требовательны к качеству продукции и к срокам поставки. При этом самая большая конкуренция — ценовая. С другой стороны, для рынка ЮВА характерно наличие большого количества «клонов». Это электронные изделия, т.н. private labels, которые в точности копируют продукцию крупных компаний, но стоят значительно дешевле из-за отсутствия наценки «за имя» и подтвержденных гарантий качества.

— За счет чего изделия «Ангстрема» конкурируют с зарубежными аналогами на открытом рынке? Ведь по основным техническим характеристикам, кроме расширенного температурного диапазона, продукция «Ангстрема» существенно отстает. Во-первых, на «Ангстреме» производится ряд изделий, в т.ч. для эксплуатации в жестких условиях, у которых нет аналогов по ряду показателей, или же иностранный аналог стоит намного дороже и не экспортируется. Что касается качества и технических характеристик массовых продуктов, то, согласитесь, если бы продукция «Ангстрема» отставала по каким-то характеристикам, ее не покупали бы. Но ее покупают, поскольку она полностью соответствует заявленным спецификациям заказчика. Мы поставляем за рубеж довольнотаки широкий спектр продукции: светодиодные драйверы, высоковольтные транзисторы, схемы управления питанием, другие изделия общим числом до 100 наименований. Наличие устойчивого спроса на нашу продукцию как раз говорит о ее конкурентных технических характеристиках и соответствии высоким стандартам качества. — «Ангстрем» в равной мере развивает всю линейку продукции, или какому-то направлению отдается предпочтение? — В настоящее время мы специализируемся на ряде перспективных направлений: электроника для жестких условий эксплуатации, силовая электроника, светодиодные и ЖКИдрайверы, микросхемы управления питанием литий-ионных аккумуляторов. В этих областях мы сможем и отечественный рынок обеспечить продукцией, и получить неплохие перспективы для ее экспорта. Преимущества нашей продукции в ее стоимости, совместимости с зарубежными аналогами, уни-

Электронные компоненты №11 2010

7 РЫНОК

— Вас называют эффективным менеджером, который должен оптимизировать работу компании. Какие меры Вы принимаете, чтобы повысить эффективность производства и сократить его издержки? — Для понимания, в каком состоянии находится предприятие, мы провели несколько специальных аудитов бизнес-процессов и производства, в т.ч. с привлечением ведущих мировых экспертов в области микроэлектроники. Основной их рекомендацией была модернизация производственной линейки, замена изношенных элементов инфраструктуры и оптимизация управления компанией. Мы уже пересмотрели стратегию обеспечения предприятия материалами и ресурсами, поступающими как с внешнего, так и с внутреннего рынков, а сейчас пересматриваем стратегию закупок под конкретные заказы. Все эти меры позволят существенно сократить расходы на производство. Параллельно мы работаем над повышением выхода годных кристаллов. Что касается маркетинга и продаж, то мы решили пересмотреть продуктовую линейку, убрав из нее нерентабельные изделия и увеличив долю высокорентабельных продуктов (экспорт и внутренний рынок). По внутреннему рынку сейчас идет пересмотр отпускных цен на ряд ключевых продуктов в сторону их повышения.


кальности. Целый ряд изделий силовой электроники, например, сверхвысоковольтные транзисторы, радиационностойкие схемы, запрещен к импорту в Россию. Наша продукция используется в аппаратуре специальной радиосвязи, транспортной инфраструктуре РЖД (сверхвысоковольтные транзисторы), энергетике (переключатели), в продукции предприятий Минобороны, Роскосмосе (аппаратура для жестких условий эксплуатации) и т.д. Дополнительно мы развиваем интеллектуальную составляющую, которая является уникальной и создает добавочную стоимость. Мы внимательно следим за мировыми трендами и готовим ряд перспективных разработок, с которыми выйдем на рынок в ближайшие годы. — Дизайн-центр компании работает только на нужды компании или выполняет заказы сторонних организаций? Какие средства тратятся на разработку? — В настоящее время наш дизайнцентр загружен разработкой исключительно собственной продукции. Вложения в R&D обычно зависят от реализуемого проекта. К примеру, на развитие электроники для жестких условий эксплуатации в рамках проекта «Ангстрем-плюс» (строительство линии с топологическими нормами 0,25…0,35 мкм) на дизайн направлено около 30% бюджета проекта — мы уже сейчас занимаемся разработкой продукции под новую линию, которая будет запущена в 2012 г.

РЫНОК

8

— Расскажите, пожалуйста, подробнее об этом проекте. — За последние 10 лет «Ангстрем» накопил огромный опыт по разработке и производству радиационно-стойких компонентов и стал признанным российским лидером в этой области. Проект «Ангстрем-плюс» — это создание современной линии производства электронно-компонентной базы (ЭКБ) для жестких условий эксплуатации по технологии «кремний на сапфире» и топологии 0,35…0,25 мкм на пластинах диаметром 200 мм. Расчетная стоимость проекта, включающего проектирование и строительство новой линии, составляет 1,3 млрд руб. По 50% от этой суммы в проект вложат акционеры «Ангстрема» и государство через дополнительную эмиссию акций предприятия. В результате эмиссии доля государства в акционерном капитале «Ангстрема» увеличится до 40%. В рамках технической реализации уже ведется проектирование чистых помещений и необходимой для производства инженерии. Технический этап завершится к концу этого года, а чистые помеще-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ния и вся необходимая инженерия будут построены весной 2011 г. В октябре будущего года мы планируем запустить производство. Его мощность составит 50 тыс. пластин диаметром 200 мм в год. В производстве будут использоваться российские технологические материалы. Предприятия Роскосмоса уже ориентируются на этот проект и рассчитывают с его помощью полностью удовлетворить свои потребности в современной ЭКБ, применяющейся в жестких условиях эксплуатации. Технологию «кремний на сапфире» начали использовать в космических и специальных изделиях 25 лет назад. Сапфир, применяемый в качестве изолирующей подложки, имеет целый ряд преимуществ по сравнению с используемым в обычных изделиях кремнием, кремний-германием и арсенидом галлия. Микросхемы получаются более долговечными и имеют высокую устойчивость к радиации, что делает их наиболее подходящими для оборудования космической связи и навигации, а также инфраструктуры атомной промышленности. Кроме того, у этих микросхем очень малый ток утечки, что обеспечивает высокое быстродействие и малое потребление. Проект получил полную поддержку государства: он был одобрен на заседании научно-технического совета Минпромторга, его поддержали отраслевые предприятия Роскосмоса. В соответствии с поручением замминистра промышленности и торговли Юрия Борисова департамент радиоэлектронной промышленности Минпромторга рассмотрел и поддержал проект «Ангстрем-плюс», предусмотрев его бюджетное финансирование на 2011— 2012 гг. в рамках ФЦП «Развитие ЭКБ и радиоэлектроники». — А как это направление развито на мировом рынке — насколько ваша компания будет конкурентоспособна? — Новая линия будет отвечать самым современным мировым стандартам в области разработки и производства ЭКБ для жестких условий эксплуатации. В настоящий момент на мировом рынке существует всего несколько компаний, освоивших подобное производство. Мировой лидер в этой области — корпорация Peregrine Semiconductor (Сан Диего, Калифорния) — сегодня выпускает изделия по топологии 0,25 мкм на пластинах диаметром 150 мм. Их совместный проект с IBM по строительству новой линии с топологией 0,18 мкм, о котором было объявлено в мае, выйдет на проектную мощность лишь через 2—3 года. Плюс еще несколько лет они будут подтверждать тестами надежность изделий, про-

изведенных по новым нормам. Все это время наше производство будет на уровне самых современных в мире. — Каково, на Ваш взгляд, состояние рынка микроэлектроники в России? — Темпы роста электронной промышленности в последнее десятилетие увеличились: Минпромторг даже рапортует о том, что в кризис рынок микроэлектроники показывает плюсовую динамику. Вот только достигается это в основном за счет роста рынка госзаказов, куда закрыт доступ зарубежным компаниям, а также из-за исключительно низкого стартового уровня. При этом объем самого рынка электроники в России по-прежнему пренебрежимо мал. В основном, из-за того, что российским микроэлектронным заводам работать не для кого: в России практически не осталось тех производств электронной техники, которые были в СССР. По различным оценкам, доля России на мировом рынке электроники не превышает 1%, составляя около 9 млрд долл. Это оценка Минпромторга всей электронной аппаратуры, включая потребительскую электронику. Если говорить о российском рынке полупроводниковых компонентов, его объем составляет около 1,2–1,3 млрд долл. Даже если принять во внимание, исходя из официальной статистики, что производство электронных компонентов в России ежегодно увеличивается примерно на 10%, российские ЭК в денежном выражении составляют только 40% от общего потребления данного вида продукции в ВПК и лишь 5% — в гражданской продукции. Таким образом, в обоих сегментах налицо преобладание импортной электроники. По сложившейся традиции крупные предприятия имели свою компетенцию и не конкурировали между собой, участвуя в единой цепочке производства электронной техники и приборов. Появившийся рынок заставил всех конкурировать, в частности, в экспорте. Всего в России существует не более 10 полупроводниковых производств, включая опытные линейки. Все они пытаются закрепиться в своей нише и инвестируют в техническую модернизацию. Позиции российских дизайн-центров традиционно сильны на мировом рынке: обладая современным инструментарием САПР, они способны разрабатывать любые дизайны приборов на конкурентных условиях (в схемотехнике и топологии). Уже сложилась практика, когда зарубежные производители электроники (Израиль, США, Тайвань, КНР и др.) заказывают в России разработку интегральных схем, а также библиотек элементов для проектирования и IP-блоков.


— Какова примерно должна быть серия микросхем, выпускаемых на таких линиях, чтобы производство было рентабельным? — Для поточного производства самым эффективным способом загрузки является выпуск монопродукции. Например, любому автозаводу всегда будет гораздо эффективнее выпускать одну марку автомобиля одного цвета в одной комплектации. Яркий пример — «Форд-Т». С тех пор законы массового производства не изменились. Таким образом, для микроэлектроники самым эффективным является выпуск монопродукции на всю производственную мощность. Рентабельность зависит не от серии, а от количества маршрутов, которое проходит изделие при изготовлении. На «Ангстреме» примерами рентабельного производства являются схемы криптографической защиты; линейка «кремний на сапфире» («Ангстрем» — единственный в России производитель по этой технологии); продукция на БМК, а также другие уже упоминавшиеся изделия. — Практически все российские производители конечных изделий предпочитают по возможности использовать зарубежные компоненты. Как Вы думаете, отставание в качестве преодолимо или мы отстали навсегда? — Вопрос качества также связан с объемами производства. Дело в том, что приемлемый уровень качества намного проще поддерживать на больших сериях, чем на малых. А для российского рынка характерна как раз малосерийность продукции. Выйдем на большие объемы — сможем эффектив-

нее поддерживать необходимый уровень качества. — Существует ли внятная государственная концепция развития российской электроники? Создается впечатление некоторой ее хаотичности. Например, планируется вложить миллиарды в Сколково, но при этом прозябают ВУЗы, где готовятся кадры, в т.ч. для Сколково. Государство не инвестирует компании, уже разрабатывающие микросхемы. — Прежде всего, необходимо создать «среду обитания», пригодную для развития микроэлектроники, которая будет стимулировать развитие остальных связанных с ней звеньев: производство материалов, сборку и пр. Пока еще самым ценным ресурсом у нас является интеллект разработчиков, которые могут создавать конкурентную продукцию. Следовательно, необходимо, в первую очередь, создавать им условия для работы, патентовать их изобретения и использовать в современных электронных изделиях. Нашим разработчикам негде применить свои навыки: в России нет серийных производств с топологической нормой менее 0,5 мкм. При этом, как правило, самые лучшие дизайн-центры как раз и возникают вокруг фабов, обеспечивая также их загрузку. В условиях, когда российское производство отстает от разработки, требуется дополнительная программа по его развитию. Нигде в мире микроэлектроника не существует без госвложений и господдержки. Необходима скорейшая реализация конкретных экономических шагов, поддерживающих и стимулирующих развитие отрасли. Очень сложно убедить чиновников в необходимости серьезных вложений с большим сроком возврата инвестиций. Но если этого не делать, микроэлектроники у нас просто не будет. А только тот, кто обладает технологией полупроводникового производства, способен обеспечивать все потребности собственной промышленности. В противном случае многие приборы в России купить или произвести скоро будет просто невозможно либо затраты на их приобретение превысят все разумные пределы. К примеру, блок памяти орбитального аппарата, состоящий фактически из нескольких микросхем, которые потенциально могут быть спроектированы и произведены в России, иностранные компании сейчас продают нам за десятки тысяч долларов. И мы покупаем, т.к. собственное производство отсутствует. — С одной стороны, процесс глобализации, похоже, необратим, в т.ч. в электронике. К тому же, по всей видимости, неотвратимо и вступление

России в ВТО. С другой стороны, часто приходится слышать о поддержке и формировании национальной, российской электроники. Как одно увязывается с другим? — Нет никакого противоречия: в странах, которые вступили в ВТО, есть своя микроэлектроника, которая активно развивается. Просто там создан и стимулируется соответствующий рынок сбыта продукции, чего у нас пока не сделано. Вступление в ВТО поможет нам активнее выходить на внешние рынки, что станет стимулом выпуска и конечных изделий, особенно с высокой добавленной стоимостью за счет интеллектуального вклада. Так что мы как раз заинтересованы в открытии рынка. — «Ангстрем» вкладывает средства в подготовку кадров? Работают ли на вашем предприятии студенты, и каковы формы их участия в его деятельности? — «Ангстрем» традиционно поддерживает отношения с МИЭТом — мы ежегодно заключаем трехсторонние договора («Ангстрем» — МИЭТ — студент) на обучение десятков студентов по разным специальностям и формам обучения за счет «Ангстрема». А это — миллионы рублей. На самом предприятии уже давно существует аспирантура, благодаря которой обучающиеся получают максимальный эффект в результате сочетания учебы и производственной деятельности. Сегодня «Ангстрем» оплачивает обучение более 40 студентов МИЭТа, которые будут работать на предприятии после окончания ВУЗа. Студенты профильных факультетов уже работают на кристальном производстве, в управлении главного технолога предприятия, в дизайн-центре. Мы ведем переговоры об оплате обучения и привлечении студентов и аспирантов к нам на завод из МГУ, МАТИ, МФТИ, МИЭМ, МГТУ им. Баумана, МИРЭА. — Каким видит себя «Ангстрем» в долгосрочной перспективе — скажем, через 5 лет? — Через 5 лет «Ангстрем» станет крупным научно-производственным центром с системой производственных линеек, охватывающей весь спектр технологий от 1 до 0,065 мкм (65 нм). У нас появится широкий ряд технологических процессов, а также мощные дизайн-центры, производящие продукцию для всех сегментов рынка в России и за рубежом. «Ангстрем» будет оказывать производственные услуги как интеллектуальная полупроводниковая фабрика-партнер российских дизайнцентров. Материал подготовили Владимир Фомичев и Леонид Чанов

Электронные компоненты №11 2010

9 РЫНОК

— Сегодня на отечественных предприятиях внедряются линии для производства микросхем по проектным нормам 130 и 90 нм. Где обучается персонал для работы на этих производствах? Какова стоимость освоения производства по технологиям 130 или 90 нм? — Обучение персонала производится, как правило, на предприятии, продающем лицензии и технологии. Так, часть наших сотрудников прошла дополнительное обучение в Дрездене на одной из фабрик AMD. Стоимость освоения производства — десятки миллионов долларов. Стоимость покупки лицензии и оборудования — свыше 1 млрд долл. Для подготовки к производству необходимо покупать средства разработки и платить за их использование, обучать персонал и т.д. Этот процесс сродни запуску автозавода большой мощности.


«Российская неделя электроники-2010» С 26 по 28 октября 2010 г. в московском Экспоцентре на Красной Пресне проходила «Российская неделя электроники» — комплекс специализированных выставок и конференций по разработке, производству, поставкам электронных компонентов и модулей, подготовке инженерных кадров и продвижению российской электроники на отечественном и зарубежном рынках.

10

Главная задача «Недели электроники» — способствовать инновационному развитию страны через обновление отечественного радиоэлектронного комплекса. В рамках «Российской недели электроники-2010» прошли выставки: – «Производство электроники» (оборудование, технологии, материалы для производства радиоэлектронной техники); – ChipEXPO (электронные компоненты и микроэлектроника); – DISPLAY (средства и системы отображения информации); – Mobile&Wireless (мобильные и беспроводные технологии связи); – «Промышленная и встраиваемая электроника» (средства автоматизации, электронные модули и системы для жестких условий эксплуатации); – «Потенциал» (экспозиция вузов — подготовка кадров для радиоэлектронного комплекса); – «Другая электроника» (вернисаж удивительных решений). Были организованы и отдельные экспозиции: «Комплексы отечественного технологического оборудования», «Оборудование спутниковой навигации, модули и электронные компоненты», «Современные системы освещения», а также сводная экспозиция «Лучшие изделия российской электроники и микроэлектроники 2009–2010 гг.», где была представлена информация о победителях конкурса «Золотой чип». Центральное место занял стенд Министерства промышленности и торговли РФ и стенд компании ОАО «Российские космические системы». В выставках приняли участие более 400 компаний из 19 стран мира. На открытии выставки и пресс-конференции «Технологическая модернизация — основа повышения конкурентоспособности радиоэлектронной промышленности» присутствовали руководители Министерства промышленности и торговли РФ, Комитета по промышленности Госдумы ФС РФ, представители Министерства обороны РФ, администраций Москвы и Московской области, Федерального агентства по атомной энергии, Федерального космического агентства, ГК «Ростехнологии», Российской академии наук, ряда ведущих предприятий отрасли. Председатель оргкомитета — заместитель министра промышленности и торговли РФ Ю. Борисов сказал на открытии выставки: «Комплекс выставок «Российской недели электроники» отражает наши общие усилия по обеспечению государственной поддержки отрасли, решению задач импортозамещения, росту кадрового потенциала отрасли, развитию частногосударственного партнерства, совершенствованию мате риально-технической базы разработки и производства электроники. «Российская неделя электро-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ники» будет способствовать продвижению продукции отечественных предприятий на внутреннем и мировом рынках, увеличению объемов реализации отечественной электронной продукции и уменьшению доли импортных составляющих в производстве радиоэлектронных изделий». Заместитель руководителя Федерального космического агентства С. Пономарев отметил значимость «Российской недели электроники», т.к. она способствует развитию радиоэлектронной промышленности, а Роскосмос, как никто другой, заинтересован в отечественной компонентной базе для создания современных космических аппаратов. На церемонии торжественного открытия выставки со словами приветствия выступили также заместитель руководителя Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ А. Суворов, директор Департамента развития научно-производственной базы ядерного оружейного комплекса С. Власов, начальник службы по активам радиоэлектронного комплекса ГК «Ростехнологии» А. Якунин, префекты административных округов Москвы и руководители ведущих предприятий отрасли. Выставки и деловую программу «Российской недели электроники» посетили около 12 тыс. специалистов предприятий ВПК, энергетики, приборостроения, связи и телекоммуникаций, авиационно-космической и судостроительной промышленности, транспорта, городского хозяйства. Оргкомитет выставки признал целесообразным ежегодное проведение «Российской недели электроники» и назначил дату следующего мероприятия на 1—3 ноября 2011 г.

www.RussianElectronicsWeek.ru


СОБЫТИЯ РЫНКА | «ЭЛЕКТРОНИКА-ТРАНСПОРТ-2011» | С 6 по 8 апреля 2011 г. в Москве пройдет 5-я российская специализированная выставка информационных технологий и электроники для транспорта и транспортных коммуникаций «Электроника-Транспорт-2011». Целевая аудитория проекта — руководители и специалисты предприятий автомобильного, городского, железнодорожного транспорта и метро. Основные темы экспозиции и деловой программы в 2011 г.:

‚ «Навигация, управление транспортным парком» (современные навигационные системы для транспорта, средства связи, системы управления транспортным парком, контроль грузо- и пассажиропотока). ‚ «Оплата проезда: от кондуктора к единой транспортной карте» (современные технологии оплаты проезда и учета финансовых потоков). ‚ «Транспортное приборостроение: комплектующие, технологии, решения» (электронные и электротехнические компоненты для жестких условий эксплуатации, модули электронной аппаратуры, производство транспортной электроники). Планируется, что каждой теме выставки будет посвящена отдельная конференция. Выставка пройдет при поддержке Фонда развития социальных программ — общественной транспортной премии «Золотая колесница». В подготовке мероприятий примут участие специалисты Международной ассоциации «Метро», Общероссийского общественного объединения работодателей «Городской электротранспорт» (ОООР «ГЭТ), Министерства промышленности и торговли РФ, ряда отраслевых ассоциаций. К участию приглашаются отечественные и зарубежные поставщики электронных модулей, приборов и системных решений для транспортной инфраструктуры. Одновременно с выставкой «Электроника-Транспорт» пройдет техническая конференция ОООР «ГЭТ» и первая специализированная выставка продукции и услуг для городского электротранспорта «ЭлектроТранс-2011». www.e-transport.ru | FREESCALE SEMICONDUCTOR НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ | 30 ноября 2010 г. в Москве в рамках серии международных семинаров Designing with Freescale, охватывающих 6 стран Европы, включая Россию, компания Freescale Semiconductor провела пресс-конференцию, на которой представила последние достижения и разработки 2010 г. На пресс-конференции выступили Стив Вайнрайт (Steve Wainwright), генеральный директор по странам EMEA и вицепрезидент по продажам и маркетингу, и Андрей Абрамов, глава представительства Freescale Semiconductor в России. Компания специализируется на четырех фокусных направлениях.

‚ Автомобильная электроника. Freescale является мировым лидером этого рынка. По данным компании, более 3 млрд. микроконтроллеров Freescale работают в настоящее время на автомобилях во всем мире. ‚ Сетевое оборудование и инфраструктура. Базовые станции сотовой связи, контроллеры, маршрутизаторы, ключи и др. ‚ Промышленная электроника. Встраиваемые системы, системы управления, интеллектуальные счетчики и др. ‚ Бытовая электроника. По итогам III кв. 2010 г. доход компании достиг 1,15 млрд долл. Стив Вайнрайт представил новую серию самых мощных микроконтроллеров для автомобильных приложений — Qorivva, которая включает как одноядерные, так и многоядерные модификации. Новая серия микроконтроллеров производится по 55-нм технологии и представляет собой высокоинтегрированное решение. Архитектура МК Qorivva использует резервные ядра и систему мониторинга отказов, что позволяет применять их в критичных, с точки зрения безопасности, приложениях. Еще одно семейство микроконтроллеров компании Freescale — Kinetis характеризуются одним из самых низких в своем классе уровней энергопотребления, а интегрированная аналоговая периферия позволяет говорить о них как о микроконтроллерах обработки смешанных сигналов. Линейка Kinetis состоит из нескольких семейств микроконтроллеров на базе ядра ARM Cortex-M4. Микроконтроллеры семейства изготавливаются по 90-нм технологии TFS (Thin-Film Storage — тонкопленочная флэш-память). Для сетевых и телекоммуникационных технологий компания предлагает высокопроизводительные одно- и многоядерные процессоры семейства QorIQ на базе Power Architecture. Мультимедийные процессоры Freescale семейства i.MX отличаются высокой производительностью и малой потребляемой мощностью и предназначены, в первую очередь, для мобильных приложений. Выступление Андрея Абрамова было посвящено деятельности российского представительства Freescale Semiconductors и стратегическим планам компании на российском рынке. Главными направлениями деятельности московского представительства, офис которого находится в Зеленограде, в настоящее время является разработка в области аналоговых устройств для автомобильной электроники, взаимодействие со многими московскими ВУЗами, обслуживание офиса продаж. Решения компании Freescale Semiconductor на российском рынке используются в продуктах многих производителей, в частности, в системе беспроводного управления уличным освещением и в навигационной системе для автомобилей «Лада». Компания принимает активное участие в разработке устройств для системы GLONASS. www.russianelectronics.ru | PSU ПОКУПАЕТ 1U POWER LLC | Компания Power Sources Unlimited, занимающаяся разработкой и производством источников питания, объявила о намерении приобрести активы 1U Power LLC для расширения клиентской базы и увеличения своей доли на рынке. Сделка состоится в конце декабря 2010 г., а первую прибыль Power Sources Unlimited планирует получить уже в середине следующего финансового года. Американская компания 1U Power LLC основана в декабре 2002 г. и занимается производством AC/DC- и DC/DC-преобразователей 1U (высотой 1,75 дюйма) различного назначения, в том числе для промышленных и медицинских устройств, систем связи, безопасности и освещения. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №11 2010

11


МЕЖДУ СТРОК DATASHEET, ИЛИ КАК РАСШИРИТЬ ВОЗМОЖНОСТИ ИС ИВАН ГОРЯЕВ, технический консультант, «ИД Электроника» В статье описаны приемы, позволяющие использовать «скрытые» возможности ИС и варьировать их параметры. Технологии изготовления ИС различны. Наиболее распространены сейчас нормы 180, 130 и 90 нм. Производительность ИС зависит от характеристик технологического процесса, однако не все изготовленные схемы в пределах партии имеют номинальные характеристики — одни из них хуже («холодные»), другие лучше («горячие»). Типичное соотношение между ними показано на рисунке 1. Поскольку производитель гарантирует качество и надежность своей продукции, документированные характеристики являются худшим случаем, т.е. указанное в технической документации быстродействие определяется самой медленной ИС, самой «холодной». Устройства с характеристиками хуже средних составляют лишь часть партии. Соответственно, остальные ИС имеют лучшие параметры, чем указано в технической документации. Рабочая частота устройства увеличивается с понижением температуры (см.

рис. 1) и с ростом напряжения питания (см. рис. 2). Таким образом, параметры ИС взаимосвязаны и их можно варьировать путем изменения условий работы или регулирования других параметров. Например, на рисунке 2 требуемое быстродействие достигается при напряжении питания Va. При повышении напряжения быстродействие увеличивается (Vd > Vc > Vb > Va). Однако нельзя забывать, что при этом растет и мощность рассеяния. Как и быстродействие, она зависит от температуры, параметров технологического процесса, тактовой частоты, напряжения питания и степени использования ресурсов. При работе на высоких температурах общее потребление в значительной степени (50%) определяется током утечки. Таким образом, для повышения быстродействия ИС можно либо снизить рабочую температуру, либо повысить напряжение питания. Путем снижения напряжения питания или температуры удается уменьшить мощность потребле-

13 Рис. 1. Соотношение между холодными и горячими ИС РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

В конце прошлого века развитие ИС подчинялось закону Мура, но теперь эти времена прошли. Фактически темпы повышения тактовой частоты отстают от прогноза уже на 10 лет, а темпы снижения мощности потребления — на 5 лет. Производительность уже не может расти только за счет технологического прогресса, нужны новые способы ее повышения, позволяющие одновременно уменьшить мощность рассеяния или хотя бы оставить ее на прежнем уровне. Многие разработчики пытаются использовать «скрытые» возможности ИС. Так, в отдельных устройствах ИС работают при температурах выше допустимых или на более высоких тактовых частотах. Нередко бывают ситуации, когда прямые измерения параметров ИС выявляют, что данные образцы обладают характеристиками, превосходящими заявленные производителем. Однако не всегда подобные эксперименты приводят к положительному результату. Выход за допустимые пределы может обернуться потерей работоспособности и привести к отказу устройства. В первую очередь необходимо понять, как быстродействие и потребляемая мощность зависят от других факторов, которыми мы можем управлять. Имеются в виду технологический процесс, рабочая температура и напряжение питания (см. табл. 1). Исходя из приведенных зависимостей, производители проводят испытания каждого устройства, чтобы гарантировать его соответствие заявленным характеристикам. При этом необходимо устранить: – расхождение в калибровке различных блоков оборудования; – возможные противоречия в условиях проведения испытаний; – разброс параметров устройств; – другие несоответствия. Обычно с этой целью производители проводят испытания немного за пределами допустимого диапазона, указанного в технической документации, в так называемой защитной полосе. Например, если устройство предназначено для работы при напряжении питания 1,1…1,2 В, то испытания проводятся при 1,05 и 1,25 В.

Рис. 2. Зависимость тактовой частоты от напряжения питания

Электронные компоненты №11 2010


если устройство не предназначено для работы в экстремальных условиях. При сравнении строк 1 и 4 легко заметить, что увеличение напряжения питания позволяет существенно увеличить тактовую частоту. В большинстве случаев именно этот параметр стараются повысить — чем выше частота работы процессора, тем выше быстродействие или разрешающая способность устройства, обеспечивается больше каналов и требуется меньше ИС на плате. При этом чем более функциональна ИС, тем шире область ее применения и выше спрос на рынке. На рисунке 3 приведена зависимость быстродействия внутренней памяти сигнального процессора от напряжения питания при работе в условиях высокой температуры. На рисунке 4 — та же зависимость, но при комнатной температуре. Видно, что внешние условия в значительной степени влияют на максимальное значение тактовой частоты процессора. Соответственно, параметры ИС можно варьировать для каждого конкретного применения.

Рис. 3. Быстродействие модуля памяти при высокой температуре

Рис. 4. Быстродействие модуля памяти при комнатной температуре

НАДЕЖНОСТЬ И ПОТРЕБЛЕНИЕ

Рис. 5. Зависимость потребляемой мощности от температуры

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

14

ния и т.д. Однако при этом важно помнить, что выход за допустимые режимы может привести к потере работоспособности устройства. В этом случае производитель не несет ответственности. Соответственно, необходимо проводить более тщательные испытания таких ИС, чтобы удостовериться в их надежности и оправдать ожидания потребителей. ПРИМЕР

В таблице 2 приведены различные характеристики сигнального процессоТаблица 1. Вид зависимости параметров ИС от условий работы и технологии изготовления

Технологический процесс

Быстродействие

Рассеиваемая мощность

Линейная

Линейная

Температура

Обратная Экспоненциальная логарифмическая

Напряжение питания

Экспоненциальная Экспоненциальная

WWW.ELCP.RU

ра в зависимости от условий работы. Если приоритетной задачей является обеспечение максимального срока службы батарей, то оптимальными являются характеристики, указанные в строке 2. Если устройство предназначено для использования в помещении, можно сузить диапазон рабочих температур, благодаря чему сократится мощность потребления (строка 1). Для увеличения производительности процессора можно уменьшить диапазон рабочих температур (строки 3 и 4),

Обычно для устройств указывается два значения мощности потребления: типичное и максимальное. Каким бы ни было типичное значение, при расчете необходимо учитывать наихудший случай. С другой стороны, если прибор надежно работает при худших условиях, при нормальных условиях его ресурсы расходуются не полностью. Из рисунка 5 видно, что зависимости попарно параллельны. Это говорит о том, что потребляемая мощность растет экспоненциально с температурой и линейно с активностью процессора. Значит, выгоднее оптимизировать рабочий диапазон температур, напряжение питания или технологический процесс, чем понижать рабочую частоту. В технической документации обычно указываются два типа предельных показателей: абсолютные, превышение которых приводит к выходу устройства из строя, и рекомендуемые, к которым относятся температура, рабочее напряжение, паразитные выбросы (электростатический разряд). Как было показано выше, в некоторых случаях допустимо выходить за рамки рекомендуемых зна-

Таблица 2. Характеристики процессора при различных условиях Напряжение ядра, В

Частота процессора, МГц

Частота внешней памяти, МГц

Рабочая температура, °С

1,20

500

100

0…90

1,25

500

100

–40…105

1,40

600

133

–40…105

1,40

720

133

0…90


чений, если это не сказывается на работоспособности и надежности схемы. На рисунке 6 показана зависимость надежности ИС от температуры работы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

15 Рис. 6. Зависимость надежности ИС от температуры работы

3. Снизить мощность потребления можно за счет сокращения диапазона рабочих температур или снижения напряжения питания. Устройства, в которых ИС используются вне разрешенных режимов, следует испытывать более тщательно, чтобы удостовериться в их работо-

способности и оправдать ожидания пользователя. ЛИТЕРАТУРА 1. Frantz G. и др. Push Performance and Power Beyond the Data Sheet//white paper TI. 2. Garcia I. и др. Go beyond the datasheet// www.eetimes.com/

Таблица 3. Характер зависимости между параметрами ИС Параметр Температура Напряжение Прямая Температура – Тактовая частота Прямая

Рассеиваемая мощность Прямая Прямая Прямая

Тактовая частота Надежность Прямая Обратная Обратная Обратная – –

Электронные компоненты №11 2010

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

В большинстве случаев фактические параметры ИС превосходят заявленные производителем, что дает возможность дополнительно повысить быстродействие или снизить потребление схемы. В технической документации для таких параметров как напряжение питания или рабочая температура указывается диапазон допустимых значений. Соответственно, сдвигая значение одного параметра к нижней или верхней границе, можно повлиять на другой параметр (см. табл. 3). В то же время при некоторых условиях допускается выходить за рамки указанного диапазона, однако в этом случае вся ответственность ложится на плечи разработчика, производитель не гарантирует надежную работу ИС. Так, при повышении температуры или напряжения питания сокращается срок службы устройства. Общие практические выводы. 1. Большинство ИС имеет более высокое быстродействие и более низкую мощность рассеяния, чем заявлено. 2. Для увеличения быстродействия можно понизить температуру или увеличить напряжение питания.


ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И СИНТЕЗ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ ПРИВОДАМИ ДМИТРИЙ ИЗОСИМОВ, НИКОЛАЙ ГНЕЗДОВ, СЕРГЕЙ ЖУРАВЛЕВ, ООО «Русэлпром-электропривод»

В статье рассматриваются методы оптимизации асинхронных электродвигателей. Синтез векторного управления включает идентификацию параметров электродвигателей, оптимизацию статического режима работы. Приводятся технические данные тягового оборудования гибридного автобуса и трактора с электромеханической трансмиссией, созданных в корпорации «Русэлпром».

транспортных средств это приводит к недопустимому удорожанию системы привода. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЯГОВОГО ПРИВОДА

Вопросы оптимизации электродвигателей для транспортного применения далеко не тривиальны. Они связаны не только с оптимизацией самого двигателя, но и с его охлаждением, конструкцией, выбором режимов его работы во всех областях частот вращения и нагрузок. В «Русэлпром-электропривод» разработана методика оптимизации геометрии активных частей асинхронного двигателя. Оказалось, что имеются значительные, носящие прорывной характер, резервы. Для уменьшения массы и повышения КПД активные части статора и ротора должны быть сосредоточены на окружности двигателя, а в центральной части, не участвующей в формировании электромагнитного момента, активные материалы должны отсутствовать. Оптимизации подлежат: геометрические размеры пазов статора и ротора; число пазов статора на полюсном делении; ширина ярма статора и ротора; зазор; активная длина. Основные показатели: КПД, индукция в зазоре, плотность тока, масса активных материалов. Из проведенной оптимизации вытекает следующий нетривиальный вывод: – при заданной мощности электродвигателя, фиксированной частоте питания и примерно одинаковых уровнях потерь его масса не зависит (точнее, слабо зависит) от частоты вращения ротора.

Что может дать методика оптимального проектирования? В качестве примера приведем основные показатели оптимизированного асинхронного тягового двигателя: – область реализуемых мощностей: до 60 кВт (гипербола мощности 60 кВт сохраняется в диапазоне частот вращения ротора 1:16); – максимальная частота вращения: 5000 об./мин; – длительный момент на валу двигателя: 700 Нм; – максимальный момент на валу двигателя (кратковременно): 1800 Нм. Оптимизированный двигатель при потенциально развиваемой длительной мощности около 300 кВт имеет массу активных материалов менее 60 кг (в т.ч. масса меди обмотки статора — 5,3 кг), длину активной части 11 см, наружный диаметр 42 см, внутренний — около 35 см. Температура обмоток в расчетах принималась равной 75°С. Плотность тока в обмотке статора не превышает 20 А/мм2, что вполне допустимо для длительных режимов при жидкостном (масляном) охлаждении двигателя. МЕТОДЫ СИНТЕЗА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Для функционирования системы привода необходимо использовать качественную систему управления, частотную или векторную. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.д. Однако для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде

Электронные компоненты №11 2010

17 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

ВВЕДЕНИЕ

Применение электропривода на транспорте предъявляет жесткие требования по основным показателям и определяет использование передовых достижений в области проектирования, материалов, технологий изготовления, управления. Исходным моментом перед разработкой тягового электропривода в концерне «Русэлпром» явилась разработка идеологии проектирования тягового электропривода, включающая рассмотрение следующих систем устройств: «электрическая машина — механический редуктор», «электрическая машина — коробка передач», «электрическая машина — силовой преобразователь» и т.д. [1, 2]. В диапазоне мощностей 20…200 кВт наибольшее развитие получили асинхронный электропривод и электропривод с синхронным двигателем на основе постоянных магнитов. Имеются отдельные (не очень удачные) примеры использования вентильноиндукторного привода. Из перспективных типов двигателей отметим также синхронно-реактивный. Асинхронный электропривод характеризуется наилучшим соотношением цена/качество. Привод на базе синхронных двигателей имеет некоторое преимущество в КПД, но стоит дороже. В асинхронном приводе работа с ограничением мощности обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления поля. В синхронном приводе с постоянными магнитами поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в 3—10 раз. Для приводов легких транспортных средств это приемлемо; для средних и тяжелых


ЭЛЕК ТРОПРИВОД

18

всего максимальных напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя. К точности регулирования момента или частоты вращения и к динамике протекания процессов в транспортном приводе жестких требований обычно не предъявляется. Длительность переходных электромагнитных процессов в тяговых приводах, как правило, намного меньше, чем длительность переходных процессов режима движения транспортного средства, и даже меньше, чем типовое время изменения тягового момента. Это дает основание для того, чтобы рассматривать двигатель как статический объект (с соответствующими требованиями к системе управления, устанавливающей оптимальный статический режим его работы). При векторном управлении раздельно управляют двумя компонентами вектора тока: током намагничивания и активным током. Векторное управление характеризуется более сложным алгоритмом регулирования из-за необходимости векторных преобразований переменных (впрочем, для современных процессорных контроллеров сложность вычислений не представляет трудностей). Поскольку каналы регулирования момента и поля при векторном управлении разделены, то можно организовать любую желаемую связь между этими регулируемыми величинами. Векторное управление, несомненно, более перспективно для любых применений, в т.ч. в тяговом приводе. Кратко синтез векторного управления состоит в использовании: 1. Модели изменения поля ротора. 2. Векторного преобразования измерений тока статора во вращающуюся систему координат, ориентированную по направлению вектора поля ротора. 3. Задания активной компоненты тока в соответствии с требуемым; задания компоненты тока намагничивания в соответствии с желаемым характером изменения величины поля (критерием формирования тока намагничивания является минимизация потерь, или реализация предельных значений момента при ограничениях тока и напряжения двигателя). 4. Формирования компонентов напряжения, обеспечивающих заданные значения компонент токов. 5. Обратного векторного преобразования сформированных значений компонентов вектора напряжения из вращающейся в неподвижную систему координат и реализации последних в автономном инверторе напряжения в качестве среднего (эквивалентного) напряжения на периоде ШИМ. Частота

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ШИМ выбирается исходя из минимума потерь в комплексе «двигатель — силовой преобразователь», а алгоритмы переключения соответствуют максимальному использованию напряжения звена постоянного тока (векторная ШИМ). В реализованных асинхронных приводах применяется интегральный силовой модуль SKAI фирмы SEMIKRON. Максимальный эффективный фазный ток модуля 300 А (длительно), максимальное напряжение звена постоянного тока 900 В. Управление ТАД и МГ реализовано на контроллерах на базе процессоров серии TMS 320. В приводе используются датчики тока и напряжения силовых модулей и датчик частоты вращения ротора GEL-248 Х2 M200, которых достаточно для реализации модели изменения магнитного поля двигателя. Принципы синтеза цифрового (процессорного) управления тяговым приводом: a) использование разностной модели процессов; б) оценка не измеряемых непосредственно переменных с соответствующей фильтрацией; в) асимптотическое регулирование для снижения влияния шумов в измерениях; г) использование прогнозаторов переменных для компенсации запаздывания, возникающего из-за конечной скорости вычислений в микропроцессорном контроллере; д) идентификация параметров двигателя. УРАВНЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Общепринятой модели электромагнитных процессов, в которой бы учитывалось насыщение, гистерезис, вихревые потери, и т.д., в настоящее время не существует. Насыщенный магнитный материал анизотропен. Его поведение при вариациях внешнего поля по направлениям вдоль поля и при повороте вектора поля (т.е. без изменения его величины) имеет качественные различия. Следовательно, строго говоря, заведомо несправедлив принцип суперпозиции, на использовании которого основан переход к эквивалентной обобщенной электрической машине и вывод уравнений Парка. В ориентированной по направлению вектора потокосцепления ротора системе координат (d.q) уравнения асинхронного двигателя принимают вид:

(1)

,

где Rs, Rr — активные сопротивления обмоток статора и ротора; Ls, Lr, Lh — индуктивность обмоток статора, ротора и взаимоиндуктивность; J — момент инерции ротора. Компоненты напряжения ud, uq являются управлениями: они могут выбираться произвольно из диапазона, реализуемого силовым преобразователем. Уравнения (1) записаны относительно компонентов тока статора (компонента тока намагничивания i d и компонента активного тока i q), величины вектора потокосцепления ротора Ψ, его углового положения Θ Ψ и угловой скорости вращения ротора ω. Введем в уравнениях Парка переменную im, пропорциональную величине потокосцепления ротора, но не зависящую от параметров схемы замещения (по сути, это означает изменение масштаба потокосцепления; поскольку im имеет размерность тока, будем называть новую переменную током потокосцепления ротора). В установившемся режиме величина тока потокосцепления im совпадает с величиной тока намагничивания статора i d. Введем новые обозначения параметров коэффициентов в уравнениях: ,

.


,

Из выражений исчезло значение взаимоиндуктивности LH. Что же с выражением для электромагнитного момента? И в этих выражениях взаимоиндуктивность не фигурирует: . (3)

,

получаем:

,

,

, (2)

.

Изменение любого из четырех параметров RS, LS, σ или TR приводит к некомпенсируемому другими параметрами изменению коэффициентов уравнений. Это означает, что индуктивность ротора, взаимоиндуктивность и сопротивление ротора «внешне» (по измерениям напряжения, тока, частоты вращения и электромагнитного момента асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) вполне характеризуются обобщенным рассеянием σ и постоянной времени TR, т.е. не тремя, а двумя параметрами. В дальнейшем будем использовать полученные уравнения в качестве базовых для синтеза векторного управления. Задача идентификации традиционно понималась как задача определения по результатам измерений пяти параметров схемы замещения. Из полученных уравнений следует, что такая постановка несостоятельна: одним и тем же измеряемым значениям напряжений, токов, моментов и частот вращения соответствует не один асинхронный двигатель (в смыс-

ле конкретных значений параметров схемы замещения), а множество двигателей с отличающимися значениями индуктивностей рассеяния и взаимоиндукции (при сохранении значения обобщенного рассеяния), а также значениями сопротивления ротора (при сохранении значения постоянной времени ротора). Видимо, именно этим обстоятельством объясняется отсутствие общепринятой методики экспериментальной идентификации параметров асинхронного двигателя. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Параметры схемы замещения могут определяться разработчиками и изготовителями двигателей по геометрии активной части, характеристикам материалов и обмоточным данным по расчетной модели двигателя. Однако изготовители двигателей, как правило, не предоставляют таких сведений. Разработчикам регулируемых приводов, которым необходима информация о параметрах асинхронного двигателя как объекта управления, ничего не остается, как создавать методы экспериментальной идентификации параметров по измерениям напряжения, тока, электромагнитного момента и частоты вращения ротора.

Электронные компоненты №11 2010

19 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

Исключая LR и RR через введенные обозначения,


Не все идентифицируемые параметры одинаково важны для построения модели поведения двигателя. Сопротивление статора RS и индуктивность рассеяния σ (или величина (σ LS) — обобщенная индуктивность рассеяния, определяющая динамику изменения тока статора) относительно малы (в том смысле, что их влияние и влияние их изменений на значения токов, напряжений и моментов можно считать пренебрежимо малыми). Значения RS и (σ LS) достаточно просто измеряются (сопротивление обмоток статора — омметром, обобщенная индуктивность рассеяния — коммутационной составляющей токов при ШИМ). Таким образом, экспериментальной идентификации подлежат: 1. Постоянная времени ротора TR (необходимо для ориентации векторной системы по полю ротора). 2. Параметры оптимального по КПД статического режима работы двигателя (необходимо для минимизации потерь в двигателе). 3. Минимальная допустимая величина поля, при которой сохраняется работоспособность системы векторного управления. 4. Максимальная величина потокосцепления ротора в функции частоты вращения (необходимо для работы во второй зоне регулирования). 5. Индуктивность статора (необходимо для получения достоверной оценки требуемого напряжения и электромагнитного момента). Постоянная времени ротора TR является «скрытым» параметром. Для ее

идентификации необходима разработка специальной процедуры. Идея получения оценки постоянной времени ротора заключается в следующем. Если установленное в контроллере привода значение постоянной времени ротора соответствует фактическому, то, в соответствии с уравнениями Парка, значения электромагнитного момента при фиксированной величине поля ротора im будут пропорциональны величине активной компоненты тока: . В противном случае, т.е. если установленное значение постоянной времени ротора отличается от фактического, угловое положение вектора поля, получаемое в контроллере на модели ротора, будет отличаться от фактического углового положения поля, что приведет к отличным от нуля проекциям как активного тока на направление поля (т.е. активная компонента будет изменять величину фактического поля), так и тока намагничивания на направление, ортогональное полю. Это приведет к нарушению пропорциональной зависимости момента от величины активного тока. Следовательно, вопрос заключается в нахождении такого установленного в контроллере значения постоянной времени ротора, при котором имеется пропорциональная зависимость (измеряемого) момента от активного тока. К настоящему времени в «Русэлпромэлектроприводе» закончены экспериментальные (стендовые) исследования настройки тяговых приводов.

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

20 Рис. 1. Совокупный КПД МГ-ТАД в функции частоты вращения на предельной характеристике

Рис. 2. Требуемые и предельные (при ограничении напряжения и тока) электромагнитные моменты асинхронного тягового двигателя при согласовании обмоточных данных двигателя

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Параметры асинхронных тяговых двигателей в различных режимах значительно изменяются: влияет насыщение стали (изменение параметров до 50% в функции величины поля); потери в стали, особенно частотные (изменение параметров до 20% в функции скорости (частоты напряжения питания) и величины тока, в т.ч. активного); температуры (рабочий диапазон температур электрических машин –40°…150° соответствует примерно 50-% изменению параметров). В совокупности диапазон изменения параметров составляет более 1:2,5. Как показывают экспериментальные исследования, получение зависимостей изменения постоянной времени ротора от тока намагничивания представляется абсолютно необходимым этапом наладки систем векторного управления. Дальнейшие эксперименты проводятся после реализации в программном обеспечении контроллера полученной зависимости постоянной времени ротора. Характеристики статического режима асинхронного двигателя при его питании фиксированной амплитудой и частотой хорошо изучены: это т.н. нагрузочная характеристика асинхронного двигателя — зависимость момента от частоты вращения ротора. Рабочие (целесообразные) режимы асинхронного двигателя соответствуют значениям скольжения в диапазоне от нуля до критического скольжения. Если ориентироваться на математическое описание асинхронного двигателя в виде уравнений Парка с постоянными параметрами, то оптимальный по потреблению тока режим при данных моменте и частоте вращения характеризуется постоянным значением скольжения s, равным обратной величине постоянной времени ротора, s=1/TR (закон М.В. Костенко). Режим минимального потребления тока позволяет реализовать максимальный момент при заданном ресурсе тока. Казалось бы, при учете описанной выше зависимости изменения постоянной времени от насыщения магнитного материала и других факторов указанное соотношение должно сохраниться. Однако это не так: из-за насыщения магнитного материала максимум момента при данной величине тока достигается при скольжении большем, чем определяется соотношением s=1/TR. Связано это с тем, что из-за эффекта насыщения увеличение момента за счет соответствующего увеличения тока намагничивания нерационально. Определение оптимального по потреблению тока, или по КПД скольжения при векторном управлении в установившемся режиме эквивалентно определению соответствующего опти-


Таблица 1. Основные характеристики силового оборудования КТЭО автобуса ЛИАЗ 5292ХХ Наименование параметра

Величина

Мощность не выходе генератора, кВт, не более

132,5

Номинальное напряжение звена постоянного тока, В

750

Максимальная мощность на валу ТАД, кВт, не более

250

Максимальная скорость вращения ТАД, об/мин (при скорости 90 км/час)

4975

Таблица 2. Параметры асинхронных генератора (МГ) и тягового двигателя (ТАД) Наименование параметра

МГ, значение

ТАД, значение

Мощность, кВт

220

183

Номинальная частота вращения, об./мин

1750

1450

Диапазон частот вращения, об./мин КПД (совместно с силовым преобразователем)

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

22

мального соотношения компонентов активного и намагничивающего токов. Данные экспериментов и полученные зависимости изменения параметров использованы в практических системах приводов. На рисунке 1 приведены данные стендовых испытаний комплекта тягово-энергетического оборудования трактора мощностью 300 л.с. на предельных режимах работы тягового привода (максимальный момент 1200 Нм, максимальная мощность 183 кВт, максимальная мощность асинхронного мотор-генератора 220 кВт при моменте 1200 Нм и скорости 1700 об./мин). Приведен совокупный КПД (КПД определялся от вала ДВС до вала тягового двигателя). Максимальный КПД (около 0,86) сохраняется в широком диапазоне частот вращения. В тяговом приводе важно добиться снижения стоимости комплектного оборудования при обеспечении требуемых тяговых характеристик. Стоимость силового преобразователя, которая составляет основную часть стоимости тягового привода, определяется ценой силовых приборов, пропорциональной установленной мощности преобразователя. Значение гиперболы мощности, ограничивающей область реализуемых моментов и часто понимаемое как мощность тягового двигателя, обычно существенно меньше, чем значение установленной мощности двигателя. Возникает вопрос, какому из этих двух значений должна соответствовать установленная мощность силового преобразователя? При использовании асинхронного двигателя ближе к истине второе утверждение, что позволяет существенно снизить стоимость силового преобразователя. Принцип рационального выбора мощности преобразователя почти очевиден. Целесообразно реализовать максимальный момент в режиме минимального потребляемого тока. Однако

WWW.ELCOMDESIGN.RU

800–2500

–3600…3600 0,93

при этом должна быть реализована вся область требуемых моментов на тяговой характеристике. В результате получится двигатель, в котором при максимальной частоте вращения реализуется близкое к критическому скольжение. Такой алгоритм выбора обмоточных данных позволяет «с запасом» обеспечить заданные тяговые характеристики. Пример расчета предельных режимов (асинхронный тяговый двигатель трактора) приведен на рисунке 2. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

На Международном автотранспортном форуме, который состоялся в Москве 9—12-го сентября 2008 г., был представлен городской автобус ЛИАЗ 5292ХХ с гибридной энергоустановкой [3]. По итогам форума этот автобус был признан лучшим автобусом года в России. Автобус ЛИАЗ 5292ХХ — результат совместной работы концерна «Русэлпром» и Ликинского автобусного завода. Основные характеристики силового оборудования КТЭО автобуса ЛИАЗ 5292ХХ приведены в таблице 1. Специалистами ООО «Русэлпромэлектропривод» проведены тяговодинамические расчеты и оценки характеристик основных силовых узлов КТЭО для ряда различных городских автобусов, выпускаемых предприятиями России и Белоруссии: – 9м — ПАЗ-3237, Богдан; – 12м — 4202А (Белкоммунмаш), МАЗ-203; – 15м — 627006 (Волжанин); – 18м — ЛиАЗ-6292, МАЗ-205. Совместно с производственным объединением «Минский тракторный завод», являющимся одним из крупнейших предприятий в мире по выпуску колесных тракторов, концерн «Русэлпром» создал трактор с

электромеханической трансмиссией переменно-переменного тока [4]. Макет с КТЭО прошел всесторонние стендовые и полигонные испытания в составе трактора МТЗ3022Э (включая сопоставительную пахоту). Параметры асинхронных генератора (МГ) и тягового двигателя (ТАД) приведены в таблице 2. Опытная партия тракторов МТЗ 3023 (5 шт.) прошла тестирование на машино-испытательных станциях в России, Белоруссии и Украине. Широкому потребителю трактор «Беларус-3023» представлен на крупнейшей сельскохозяйственной выставке AGRITECHNICA-2009, которая состоялась в Ганновере 8—14-го ноября 2009 г. Трактор удостоен серебряной медали организатора этого показа — немецкого сельскохозяйственного общества DLG [5]. Разработки тракторов с электромеханической трансмиссией не ограничиваются моделью трактора с дизельным двигателем мощностью 300 л.с. Достаточно упомянуть ведущиеся в настоящее время работы концерна «Русэлпром» по колесным и гусеничным сельскохозяйственным и промышленным тракторам мощностью 150, 160, 450 л.с. Эти тракторы имеют отличающуюся от описанной выше компоновку, содержат ряд принципиально новых технических решений. ЛИТЕРАТУРА 1. Stanislav N. Florentsev, Dmitry B. Izosimov. Traction Drive in hybrid vehicles. Part 1//Elektrotehnika. № 7. 2009. Part 2// Elektrotehnika. № 8 (in Russian). 2. С.Н. Флоренцев, Д.Б. Изосимов. Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Идеология проектирования комплектного тягово-энергетического оборудования для гибридных транспортных средств. Часть 1. Электротехника. №7. 2009. Часть 2. Электротехника. №8. 2009. 3. Stanislav N. Florentsev. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles//Proceedings of International Exhibition & Conference “Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality (PCIM-2009). 12—14 May 2009. Nurenberg. Germany. P. 625—627. Stanislav N. Florentsev. From Russia with Automotive. AC electric drive-train of a hybrid city bus//Power System Design Europe (PSDE). July/August 2009. P. 50—51. 4. S. Florentsev, D. Izosimov, L. Makarov, S. Bayda, A. Belousov: Complete Traction Electric Equipment Sets of Electro-Mechanical Drive Trains for Tractors. IEEE R8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering. Irkutsk. Russia. 2010. P. 611—616. ISBN 978-1-42447624-4. 5. Exklusiver Fahrbericht Prototyp Belarus 3023: Stufenlos mit dem Strom//PROFI. June 2010. P. 34—37.


СТАНЦИЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АНАТОЛИЙ ВИНОГРАДОВ, ДМИТРИЙ ИЗОСИМОВ, СТАНИСЛАВ ФЛОРЕНЦЕВ, АЛЕКСАНДР КОРОТКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Станция автономного электроснабжения (АСЭ) предназначена для автономного электропитания стабилизированным трехфазным напряжением 380/220 В, 50 Гц, потребителей общего назначения (технологическое и промышленное оборудование, компьютерное и телекоммуникационное оборудование, охранные и противопожарные системы и т.д.) при питании от первичного источника. Максимальный эффективный выходной ток каждой фазы АСЭ составляет 300 А, максимальная активная мощность — 180 кВт. В качестве первичного источника рассматривается звено постоянного тока, имеющее номинальное напряжение 800 В и позволяющее производить отбор мощности до 200 кВт. Конкретно АСЭ проектируется для использования в составе опционного устройства трактора с электромеханической трансмиссией ЭТ-300 ЦП (производство РУПП МТЗ, Минск), в котором звено постоянного тока образованно двигателем внутреннего сгорания и мотор-генератором комплекта тягового электрооборудования. Схема автономного источника питания (см. рис. 1) включает следующие элементы: – двигатель внутреннего сгорания (ДВС); – асинхронный мотор-генератор (МГ), питаемый от 3-фазного мостового

IGBT-выпрямителя с системой векторного управления (СУ МГ); – емкостный фильтр звена постоянного тока (ЗПТ); – 3-фазный мостовой IGBTинвертор с системой векторного управления автономной станцией энергоснабжения (СУ АСЭ); – выходной синус-фильтр; – датчики выходных фазных токов и напряжений АСЭ; – систему управления верхнего уровня. Датчики напряжения ЗПТ и фазных токов IGBT-преобразователей являются внутренними элементами преобразователей и на схеме не показаны. Выход АСЭ подключается к электроприемникам (трехфазным или однофазным). Характерными особенностями АСЭ ЭТ-300 ЦП являются: – возможность 3-проводного и 4-проводного подключения нагрузки; – сохранение высоких качественных показателей выходного напряжения при различных типах нагрузок: линейной и нелинейной, активного, индуктивного и емкостного характера, симметричной и несимметричной; – высокая устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям; – возможность прямого пуска асинхронного двигателя мощностью, соизмеримой с номинальной мощностью АСЭ;

– стационарное и мобильное исполнение; – высокий КПД (>95%). ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Система управления приводом МГ характеризуется следующим особенностями [1]: – требование оптимизации управления по критерию минимизации потерь в силовом электрооборудовании транспортного средства приводит к необходимости широкого диапазона регулирования потокосцепления, практически от нуля в режиме холостого хода до существенного перемагничивания в режимах работы с предельным моментом; – широкий диапазон изменения потокосцепления электрических машин и рабочих температур приводит к значительным вариациям их электромагнитных параметров, что предполагает наличие алгоритмов адаптации системы управления к этим изменениям в реальном времени работы системы; – система измерения скорости/ положения получает исходную информацию с достаточно грубого датчика перемещения (зубчатого колеса с небольшим числом зубцов — 128 шт.), что предполагает наличие специальных алгоритмов обработки сигналов, поступающих с датчика, на основе построения наблюдателей состояния механической части привода.

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

23

Рис. 1. Структурная схема автономного источника питания на основе КТЭО транспортного средства с электромеханической трансмиссией

Электронные компоненты №11 2010


В дополнение к этим особенностям привода МГ, практически универсальных для большинства транспортных средств с электромеханической трансмиссией, можно добавить ряд уникальных требований, которые предъявляются к приводу МГ со стороны АСЭ, т.е. напрямую связанных с показателями качества электроэнергии, поступающей потребителям: – относительно малая емкость ЗПТ (3…8 мФ) предъявляет повышенные требования к динамическим характеристикам привода МГ. Необходимое быстродействие привода, главным образом, определяется суммарной емкостью ЗПТ и допустимой величиной динамических пульсаций напряжения ЗПТ в связи с возможными резкими изменениями нагрузки; – при работе в 4-проводной 3-фазной системе питания с нейтраль-

ным проводом, который подключен к общей точке статорных обмоток МГ, соединенных «в звезду», предъявляются дополнительные требования к стабильности среднего за цикл модуляции потенциала общей точки, т.е. к способу формирования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В отличие от широко распространенного в современном цифровом электроприводе переменного тока векторного формирования ШИМ [2], в системах питания применяется ШИМ на основе сравнения трехфазных сигналов задания с пилообразным опорным сигналом. Таким образом, приходится мириться с некоторым недоиспользованием автономного инвертора привода по напряжению, получаемым в рамках такого подхода при синусоидальном законе модуляции. При переходе КТЭО в основной (тяговый) режим работы в приводе МГ осуществляется

возврат к векторному формированию ШИМ, что обеспечивает максимальное использование напряжения ЗПТ. Блок-схема алгоритмов работы моментного контура МГ с адаптивновекторным управлением представлена на рисунке 2. Внешним по отношению к моментному контуром системы управления МГ является контур регулирования напряжения ЗПТ, работающий в режиме стабилизации напряжения. Система управления верхнего уровня согласует работу отдельных элементов автономного источника питания (ДВС, приводы МГ, АСЭ) во всех режимах: рабочих и аварийных. Система управления АСЭ (см. рис. 3) выполнена на основе модального регулятора, реализованного в синхронной системе координат (dqo) с учетом компенсации внешних воздействий и перекрестных связей, с астатизмом 1-го порядка по выходному напряжению АСЭ. Ось d синхронной системы координат ориентирована по вектору UC выходного напряжения АСЭ. Дополнительно в систему управления входят координатные преобразования (АВС) → (dqo) [2] фазных токов инвертора If, выходных фазных токов Ii и напряжений АСЭ, обратное координатное преобразование (dqo) → (АВС) заданных напряжений инвертора U, алгоритмы компенсации запаздывания, ограничения заданного напряжения и двухуровневого ограничения выходного тока. Регулятор АСЭ вычисляет заданные напряжения инвертора в системе координат (dqo) по выражениям:

(1) Рис. 2. Блок-схема алгоритмов работы моментного контура МГ с адаптивно-векторным управлением

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

24

Рис. 3. Структурная схема системы управления АСЭ

WWW.ELCOMDESIGN.RU


где PiRegLim — функция ПИ-регулятора с ограничением, параметрами которой являются коэффициенты пропорциональной (ku1) и интегральной (ku2) составляющих регулятора и отклонение регулируемого компонента выходного напряжения АСЭ от его заданного значения; Ud, Uq, Uo — компоненты вектора выходного напряжения АСЭ; Ifd, Ifq, Ifo, Iid, Iiq, Iio — компоненты векторов выходных токов инвертора и АСЭ; Lf, Rf — индуктивность и активное сопротивление дросселя LC-фильтра; Cf — емкость LC-фильтра; Ki — коэффициент обратной связи по току; ω — частота выходного напряжения АСЭ. Коэффициенты регулятора выбираются исходя из желаемого расположения корней характеристического полинома системы [3]. В частности, при настройке процессов в каждой фазе АСЭ на биномиальное распределение 3-го порядка имеем следующие значения коэффициентов регулятора:

(2) где ωo — модуль кратного корня характеристического полинома системы.

Для эффективного ограничения напряжений и токов АСЭ в регуляторе реализована многоуровневая система ограничений, включающая ограничение ПИ-регулятора выходного напряжения, ограничение задания на модуль ШИМ, двухуровневое ограничение выходного тока инвертора. Уровень ограничения ПИ-регулятора выбирается из максимально возможного отклонения вычисленного в регуляторе значения выходного напряжения инвертора от его заданного значения и в большой мере зависит от точности задания параметров LC-фильтра. Первый уровень токоограничения реализует «мягкое» ограничение амплитуды заданного напряжения пропорционально превышению модуля тока значения уставки I max1. Дополнительным параметром является коэффициент наклона характеристики токоограничения (k OT ). Время реакции этого ограничения определяется быстродействием регулятора, т.е. величиной ωo. Второй уровень токоограничения реализует «жесткое» релейное ограничение фазных напряжений непосредственно на входе модуля ШИМ при превышении модуля мгновенного тока фазы значения уставки I max2 . Время реакции этого ограничения определяется полупериодом модуляции (при частоте модуляции 5 кГц оно составляет 100 мкс). Рассмотренные ограничения переменных в системе управления допол-

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

26

Рис. 4. Временные диаграммы АСЭ в режиме коммутации активной нагрузки в одной фазе

WWW.ELCOMDESIGN.RU

няются программными и аппаратными защитами АСЭ от сверхтоков, аппаратными защитами АСЭ и электроприемников от перенапряжений. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АСЭ

Моделирование процессов в автономном источнике питания выполнялось в среде MATLAB с учетом ШИМ и алгоритмов управления преобразователями АСЭ и МГ. При моделировании динамики принято допущение, что быстродействие процесса обмена энергии между ДВС и МГ с учетом динамики ДВС, кинетической энергии вращающихся масс, электромагнитной энергии, запасенной в обмотках МГ, определяется главным образом настройкой регуляторов МГ. Учет динамики ДВС выполнялся с помощью инерционного звена 1-го порядка на основе данных натурного эксперимента. Представленные ниже результаты получены при следующих параметрах системы автономного питания: – период модуляции привода МГ: 200 мкс; – период модуляции инвертора АСЭ: 200 мкс; – постоянная настройки контура регулирования напряжения ЗПТ в приводе МГ: 0.001 с; – постоянная настройки регулятора АСЭ: T0 = 1/ ωo = 200 мкс; – номинальное напряжение ЗПТ: 800 В; – суммарная емкость ЗПТ: 7000 мкФ; – параметры схемы замещения МГ: LS = 0,003137 Гн; Lm = 0,00302 Гн; L S = 0,003137 Гн; RS = 0,0227 Ом, Rr = 0,0091 Ом; – параметры синус фильтра АСЭ: Lf = 200 мкГн; Cf = 360 мкФ. Заметим, что ниже специально представлены диаграммы работы АСЭ в наиболее тяжелых режимах работы, приводящих к наибольшим отклонениям в регулируемых переменных. В основных типовых режимах работы АСЭ эти отклонения несущественно малы. На рисунке 4 приведены временные диаграммы выходных фазных напряжений АСЭ, выходных фазных токов инвертора АСЭ (токов в индуктивностях LC-фильтра), напряжения ЗПТ в режимах отключения и последующего включения номинальной активной нагрузки в одной из фаз АСЭ. Исходное и конечное состояние АСЭ соответствует его симметричной активной нагрузке, близкой к номинальной. Величина пульсаций напряжения ЗПТ главным образом определяется величиной асимметрии токов нагрузки, величиной емкости ЗПТ и быстродействием контура регулирования напряжения ЗПТ. Пульсации снижаются при увеличении емкости


и быстродействия контура регулирования. В результате моделирования были определены рациональные соотношения между динамическими характеристиками систем управления приводом МГ, инвертором АСЭ и параметрами системы: емкостью ЗПТ, индуктивностью и емкостью LC-фильтра при условии действия физических ограничений на напряжения, токи и частоту переключений преобразователей. Последнее связано с оптимизацией всех силовых устройств по КПД, одной из составляющих которой являются коммутационные потери в преобразователях. Выполнена оценка качества функционирования источника питания при различных типах нагрузки активной, активно-индуктивной, активноемкостной как симметричной, так и несимметричной, а также при работе источника на нелинейную нагрузку в виде неуправляемых выпрямителей. Оценка проводилась по следующим критериям качества: 1) динамика оценивалась по амплитуде и продолжительности отклонения модуля вектора выходного напряжения от его заданного значения при ступенчатом изменении нагрузки в диапазоне от холостого хода до номинальной. В качестве интегрального критерия оценки динамики использовалось также

среднеквадратическое значение этого отклонения; 2) статическая точность оценивалась по относительному отклонению среднего значения модуля вектора выходного напряжения от его заданного значения; 3) величина отклонения мгновенных значений выходного напряжения АСЭ от идеальной симметричной трехфазной синусоиды (интегральный показатель несинусоидальности) оценивался по относительному среднеквадратическому отклонению мгновенных значений компонентов вектора выходного напряжения от их заданных значений, соответствующих идеальной трехфазной синусоиде. Сравнительный анализ качественных показателей работы автономного источника питания проводился для трех вариантов реализации регулятора АСЭ: 1) с модальным регулятором, построенным в естественной системе координат (АВС), при компенсации внешних воздействий (изменения задания и нагрузки); 2) с модальным регулятором, построенным в синхронной системе координат (dqo), при компенсации внешних воздействий и перекрестных связей; 3) с модальным регулятором, построенным в синхронной системе

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

28

Рис. 5. Временные диаграммы АСЭ в режиме однофазного короткого замыкания

WWW.ELCOMDESIGN.RU

координат (dqo), с учетом компенсации внешних воздействий и перекрестных связей, с астатизмом 1-го порядка по выходному напряжению АСЭ. Сравнительный анализ показал, что по совокупности указанных показателей качества наилучшими характеристиками обладает вариант 3. Он же показал наименьшую чувствительность характеристик источника к вариациям параметров выходного синус-фильтра относительно своих базовых значений, введенных в систему управления. Для варианта 3 регулятора получены следующие показатели качества функционирования автономного источника питания при указанных выше параметрах и работе на RL-нагрузку: – статическая точность регулирования выходных напряжений АСЭ при изменении нагрузки в пределах от ХХ до номинальной, включая несимметричные режимы нагрузки: менее 0,5%; – динамическая ошибка при ступенчатом сбросе/набросе номинальной нагрузки АСЭ (без учета работы супрессора, аппаратно подавляющего перенапряжения в фазах АСЭ): менее ±80 В, продолжительностью менее 1,5 мс; – интегральный показатель несинусоидальности выходных фазных напряжений АСЭ при максимальной асимметрии (нагрузка одной фазы — номинальная, двух других — близкая к ХХ): не более 1%. – амплитуда пульсаций напряжения ЗПТ в установившемся режиме при симметричной номинальной нагрузке: менее 1 В; – амплитуда пульсаций напряжения ЗПТ в установившемся режиме при максимальной несимметричной нагрузке (нагрузка одной фазы — номинальная, двух других — близкая к ХХ): менее ±35 В. – динамическая ошибка напряжения ЗПТ при ступенчатом сбросе/ набросе номинальной нагрузки АСЭ: менее 65 В. Выполнена проверка качества функционирования автономного источника питания в аварийных режимах при входе и выходе из короткого замыкания различных видов: однофазного на землю, межфазного, трехфазного замыкания на землю. Основными критериями является ограничение выходного тока фаз инвертора на желаемом уровне, безопасном для применяемого типа силовых ключей, и отсутствие недопустимых перенапряжений в режиме выхода из короткого замыкания. Предполагается, что если действие аварийного режима не прекращается в течение заданного интервала времени, то за этим следует блокировка


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана структурная схема и алгоритмы векторного управления автономной станцией энергоснабжения, предназначенной для работы в составе транспортного средства с электромеханической трансмиссией. Сформулированы повышенные требования к динамическим характеристикам систем управления приводом мотор-генератора и автономной станцией энергоснабжения при условии работы со звеном постоянного тока относительно небольшой емкости. Выполнено математическое моделирование процессов, протекающих в рабочих и аварийных режимах функционирования автономного источника питания с учетом ШИМ и алгоритмов управления преобразователями АСЭ и МГ, что позволило: – в результате сравнительного анализа по сформулированным критериям качества определить оптимальную структуру регулятора: модальный, построенный в синхронной системе координат (dqo), с учетом компенсации внешних воздействий и перекрестных связей, с астатизмом 1-го порядка по выходному напряжению АСЭ; – определить рациональное сочетание параметров источника питания:

параметров системы управления приводом МГ, емкости ЗПТ, параметров системы управления АСЭ, параметров синус фильтра, обеспечивающее желаемые характеристики системы автономного энергоснабжения; – выполнить исследования работы АСЭ при различных типах нагрузки: активной, активно-индуктивной, активно-емкостной как симметричной, так и несимметричной, а также при работе источника на нелинейную нагрузку в виде неуправляемых выпрямителей, которые удовлетворили предъявляемым к АСЭ требованиям.

ЛИТЕРАТУРА 1. А.Б. Виноградов. Системы управления электроприводами гибридных транспортных средств/А.Б. Виноградов//Сборник материалов конференции «Силовая электроника». Москва. 6 июня 2008 г. С. 89. 2. А.Б. Виноградов. Векторное управление электроприводами переменного тока/А.Б. Виноградов. — Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». 2008. — 318 с. 3. Н.Т. Кузовков. Модальное управление и наблюдающие устройства/ Н.Т. Кузовков. — М.: Машиностроение, 1976. — 184 с.

29 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

инвертора АСЭ с мониторингом причины блокировки. Проверка работы АСЭ в аварийных режимах показала, что во всех аварийных режимах пиковый ток фаз не превышал установленных порогов, а перенапряжения при выходе из КЗ практически отсутствовали. На рисунке 5 приведены временные диаграммы выходного напряжения, выходного тока инвертора АСЭ фазы А, напряжения ЗПТ в режиме замыкания фазы А на нейтральный провод и последующего выхода из этого режима. Все изображенные переменные, как и остальные переменные автономного источника питания, находятся в пределах допустимых значений. На основе представленных результатов моделирования выполнена разработка первого опытного образца автономной станции энергоснабжения. Его основные технические данные: – конструктивное исполнение: в виде шкафа для настенного или напольного монтажа (600×800×250 мм3); – силовая часть преобразователя выполнена на основе модуля SKAI3001GD12-1452W фирмы Semikron; – система управления выполнена на основе микроконтроллера TMS320F2808 фирмы Texas Instruments; – система охлаждения: жидкостная, автономная.

Электронные компоненты №11 2010


ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В «ЗЕЛЕНЫХ» СИСТЕМАХ БАЙОНГЧУЛ ЧО, САНГИЛ ЙОНГ, Fairchild Semiconductor

Электронная промышленность продолжает переход от неэффективных асинхронных двигателей к вентильно-индукторным двигателям (ВИД) с высокой энергоэффективностью и улучшенными массогабаритными показателями — параметрами, которые отвечают нуждам современной электроники. В статье рассматриваются преимущества таких двигателей и вопросы их практического применения.

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ЭКОНОМИЯ РАСХОДОВ

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

30

Для создания высокоэффективных электронных систем требуются компактные эффективные электродвигатели с широким диапазоном регулирования скорости. Воздушный зазор в таких двигателях минимален, за счет чего увеличивается энергоэффективность ВИД. Самый простой способ создать вращающий момент и привести во вращение ротор состоит в последовательном переключении фазы тока в зависимости от положения ротора. При этом ротор будет следовать по направлению переключения, поворачиваясь в сторону фазы с максимальным током. Таким образом, направление вращения не зависит от направления текущего через фазу тока — оно зависит только от последовательности возбуждения обмотки статора. Данный принцип униполярности требует, чтобы только один ключ располагался последовательно фазной обмотке. У ВИД имеется ряд явных преимуществ перед большинством двигателей, в т.ч. над асинхронными двигателями. Поскольку у ВИД явнополюсный ротор не имеет обмотки, затраты на материалы для его изготовления ниже. Кроме того, за счет независимых обмоток реализована отказоустойчивая работа двигателя и устойчивая структура, которая позволяет уменьшить энергопотребление благодаря тому, что питание подается на обмотки и отключается только в случае необходимости. У этого типа двигателя высокое отношение вращающего момента к моменту инерции и большой пусковой момент, причем проблемы с бросками пускового тока отсутствуют. В других типах двигателей ток при их запуске может привести к момен-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

тальному провалу сетевого напряжения, что отрицательно сказывается на качестве электроэнергии. Однако применение технологии ВИД может иметь ряд недостатков, о которых следует знать. Например, для работы ВИД требуется информация о положении ротора. По этой причине ВИД, как правило, должны оснащаться датчиками, что удорожает систему. Еще одним недостатком ВИД является необходимость в управлении звуковым шумом, вызванным вибрациями работающего двигателя, а также в необходимости избежать воздействия пульсаций на систему. ПРИМЕНЕНИЕ ВИД В ПЫЛЕСОСАХ

Одним из потенциальных недостатков ВИД обусловлен его схемой. С появлением высокоскоростных DSP стало возможным установить управление ВИД без использования датчиков. В бытовой технике ВИД, в первую очередь, нашли применение в пылесосах, где требуется высокая скорость вращения (десятки тысяч об./мин), а также большой крутящий момент для всасывания. Вращающийся с большой скоростью ротор играет также роль низкочастотного фильтра пульсаций, что уменьшает недостатки ВИД. Шум ВИД в пылесосах гораздо меньше звукового шума вентилятора. Оптимальный выбор этого типа двигателя для пылесоса должен учитывать указанные требования. Во многих недорогих пылесосах используется простой двухпозиционный переключатель с универсальным двигателем с большой скоростью вращения до 30 тыс. об./мин. Скорость двигателя регулируется с помощью триака и цепи синхронизации с помощью информации, поступающей с датчика положения. При таком управлении фазовым углом на нагрузку подается только часть

сетевого переменного напряжения. Фазовый угол непрерывно меняется, что позволяет изменять форму сигнала напряжения. Недостаток этого простого и недорогого электронного устройства управления состоит в том, что переключение сигнала переменного тока может привести к нежелательным электромагнитным помехам. Таким образом, необходимо предпринять меры по предотвращению воздействия этих помех на сеть электропитания или на схему самого триака. Более того, из-за большого тока снижается эффективность работы двигателя, а высокая температура щеток приводит к сокращению его срока службы. Драйвер ВИД является асимметричным преобразователем с цепью ШИМуправления, обеспечивающей питание и коммутацию. Из-за сложности этой схемы такое решение ограничено применением лишь на рынке дорогостоящей продукции. На самом деле, в приложениях с ВИД используются преобразователи разных

Рис. 1. Эквивалентная схема однофазного ВИД


ВЫБОР ТОПОЛОГИИ СХЕМЫ

Данный преобразователь состоит из двух IGBT-транзисторов и двух диодов. При включении Q1 и Q2 возбуждаются статорные обмотки, а ротор начинает двигаться под действием реактивного момента, создаваемого возбужденным полюсом статора. Незадолго до того как оси статора и ротора совпадут, Q1 и Q2 выключаются, а D1 и D2 включаются. В результате на обмотке фазы появляется отрицательное напряжение, и быстро уменьшается ток, что подавляет генерацию отрицательного крутящего момента. Амплитуда и форма сигнала тока регулируются таким образом, чтобы удовлетворить требованиям к крутящему моменту и скорости вращения. Схема управления вентильноиндукторным двигателем реализуется на печатной плате в виде дискретного или модульного решения. Несмотря на то, что дискретное решение обе-

спечивает большую гибкость монтажа, применение силовых модулей дает выигрыш в занимаемом пространстве, надежности, производительности и стоимости системы при серийном производстве. На рынке предлагаются два модуля для такого типа двигателей — одно- и двухфазные преобразователи. Увеличение числа фаз снижает уровень пульсаций, однако это достигается за счет большего числа электронных компонентов. Для создания пускового момента двигателя требуются, по крайней мере, две фазы. Для задания направления вращения — три фазы. В случае двухфазного модуля ВИД в его состав входят четыре NPT IGBT, четыре диодных модуля FRD, три драйвера ИС, дискретные ограничительные диоды и дополнительный термистор. Благодаря тому, что термистор находится внутри модуля, а не на теплоотводе, фактическая температура кристалла определяется с меньшей постоянной времени и с меньшей погрешностью. Наконец, еще одним преимуществом этого модуля является оптимизация работы кристалла путем снижения потерь мощности, основанного на учете действительных

технических характеристик пылесоса. Энергоэффективность и отличные технические характеристики — обязательные требования к бытовым приложениям. Потребительский спрос традиционно высок на сложную электронную продукцию с развитой функциональностью, однако по мере роста цен на электроэнергию необходимость в снижении мощности, потребляемой изделиями, увеличивается. Именно по этой причине технология ВИД становится более популярной во многих стандартных приложениях, в т.ч. бытовых. Использование силового модуля в вентильно-индукторных двигателях, по всей видимости, станет широко распространенным решением. Технология ВИД будет совершенствоваться и далее в направлении уменьшения шума и пульсаций за счет модернизации самого двигателя, повышения точности бездатчикового алгоритма и собственно алгоритма управления.

ЛИТЕРАТУРА 1. w w w. e e t i m e s . co m /d e si g n /sm a r te n e rg y - d e si g n /4 013583/ H o w -Switc h e d Reluctance-Motors-enable-green-designs.

Электронные компоненты №11 2010

31 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

типов. Выбор определенного устройства зависит от предполагаемой стоимости системы, схемы управления и технических характеристик. На рисунке 1 представлена эквивалентная однофазная цепь.


ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ИС СМЕШАННОГО СИГНАЛА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ МАЙК БРОГЛИ (MIKE BROGLEY), менеджер отдела маркетинга, Actel В статье рассматриваются преимущества однокристального решения на базе новой технологии SmartFusion компании Actel, которое предназначено для использования в промышленном оборудовании.

ЭЛЕК ТРОПРИВОДЫ

32

Параметры семейства SmartFusion компании Actel полностью отвечают потребностям многих коллективов разработчиков, которые стремятся улучшить характеристики систем управления приводом в приложениях промышленной электроники. Разработчикам встраиваемых систем редко удается найти однокристальное решение этой задачи. Так, у выбранного ими микроконтроллера может не оказаться необходимого интерфейса или потребуется добавить заказную логику для наращивания его функциональности. Кроме того, интерфейсам, на входы которые поступают сигналы с датчиков, а с выходов подаются сигналы управления на исполнительные механизмы, может понадобиться аналоговая цепь для преобразования сигнала и управления питанием. Для таких приложений компания Actel выпустила высокопроизводительный компонент семейства SmartFusion — однокристальное устройство со встроенным ядром микроконтроллера ARM Cortex-M3, ПЛИС на базе технологии программируемой логики pASIC3 и конфигурируемыми аналоговыми функциями с высоким быстродействием. Ядро Cortex-M3 представляет собой 100-МГц (125 DMIPS) устройство с флэшпамятью до 512 Кбайт и 128-Кбайт SRAM. Это аппаратное ядро, реализованное на кристалле для эффективного использования его площади. БОЛЬШАЯ МОЩНОСТЬ

Рассматриваемое устройство обладает достаточно большой вычислительной мощностью для работы со сложными алгоритмами. Например, оно легко осуществляет прецизионное управление приводом или даже многоосное управление несколькими двигателями и имеет набор периферийных устройств, включая 10/100 Ethernet MAC и другие интерфейсы, в т.ч. SPI, I2C, UART и RS485.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Цифровые порты ввода-вывода работают на частотах вплоть до 350 МГц, поддерживают уровни вводавывода таких интерфейсных стандартов как LVDS, PCI и PCI-Express при токе до 24 мА. Аналого-цифровые линии вводавывода работают на частоте до 180 МГц и токе до 6 мА. Количество вентилей ПЛИС достигает 500 тыс., объем памяти SRAM — 108 Кбайт, тактовая частота — до 350 МГц. ПЛИС SmartFusion, выполненная по флэш-технологии, обеспечивает готовность к работе непосредственно по включению питания. Отсутствие дополнительных конфигурационных устройств у ПЛИС этого семейства устраняет возможность несанкционированного копирования дизайна, повышает защиту интеллектуальной собственности за счет блокирования доступа к памяти конфигурации после программирования. Семейство SmartFusion поддерживает до трех 12-разрядных АЦП последовательного приближения, работающих с частотой дискретизации до 500 Квыб./с. У каждого АЦП имеется соответствующий 1-бит сигма-дельта ЦАП с 5-с обновлением и 12-бит разрешением. Такие аналоговые функции как датчики высокого напряжения и тока, датчики температуры и быстродействующие (50-нс) компараторы сгруппированы в блоках преобразования сигнала (Signal Conditioning Blocks). Эти блоки могут масштабировать биполярный сигнал. Ширина полосы частот входного сигнала у активных предварительных делителей биполярного сигнала составляет 1 МГц при входном импедансе 1 МОм. С работой аналоговых блоков тесно связан аналоговый вычислительный блок ACE (Analog Compute Engine). Это совершенно новый полуавтономный блок, выполняющий масштабную предварительную и последующую обработку аналоговых данных, в т.ч. дискретизацию и установление последовательно-

сти выборки сигнала без помощи ARMпроцессора. ОДНОКРИСТАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ

Семейство SmartFusion в полной мере отвечает потребности разработчиков улучшить характеристики систем промышленной электроники. Эта потребность продиктована различными соображениями, и наиболее существенным из них является необходимость повысить энергоэффективность решений. Постепенно растет понимание того, что более сложные схемы управления приводом позволяют в значительной мере усовершенствовать характеристики системы, а также ее энергоэффективность при лучших массогабаритных параметрах. Для менее требовательных приложений вполне пригодны простые режимы управления, а в случае со сложными системами необходимы усовершенствованные алгоритмы. Например, для бесщеточного двигателя постоянного тока следует обеспечить высокую степень точности управления. Очень часто эти системы являются многоосными, т.е. требуют одновременного управления несколькими двигателями, например, для перемещения руки робота в пространстве. Семейство SmartFusion позволяет в реальном времени установить такое управление с помощью решения на одном кристалле. ОПТИМИЗАЦИЯ ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

На рисунке 1 представлены основные функциональные блоки системы управления движения с высокой точностью. На этой схеме показана шкала времени, характеризующего выполнение каждой функции. В систему поступает команда, после чего формируются сигналы управления двигателем по изменению положения или скорости. Система должна среагировать


Рис. 1. Основные функциональные блоки системы прецизионного управления приводом

Благодаря ресурсам каждого типа — МК, ПЛИС и аналоговому блоку — на едином кристалле реализуется решение, оптимизированное во временной области, а каждая функция контроллера привода выполняется в наиболее подходящей среде. Ядро ARM-процессора осуществляет функции интерфейса, выдает сообщения и выполняет управление системой; критичные ко времени логические функции могут кодироваться в ПЛИС; наконец, в широкополосной аналоговой цепи происходит преобразование сигнала данных датчика в реальном времени путем аналогоцифрового преобразования. Таким образом, отпадает необходимость из экономических или каких-то иных соображений назначить тому или иному блоку кристалла не вполне подходящие для него функции. СОПРЯЖЕНИЕ БЛОКОВ

Рис. 2. Блок-схема управления приводом

ЭЛЕК ТРОПРИВОДЫ

34

на входящий сигнал за минимальное время и продолжить отслеживание всех последующих командных входных сигналов. Изображенная на рисунке 1 система управления принимает команды и сообщает об их исполнении через сетевой интерфейс или считывает настройки управляющих сигналов и выводит их на дисплей. На этом уровне вполне приемлемо значение времени отклика порядка нескольких миллисекунд. Время реагирования соответствующих внутренних контуров регулирования убывает на шкале рисунка 1слева направо. Например, время реакции контура управления скоростью составляет порядка сотен мкс, т.е. его частота обновления — несколько кГц. Ядро микроконтроллера, работающего на частоте 100 МГц, может выполнять вычислительные операции для нескольких таких контуров, а также управлять функциями верхнего уровня, скажем, интерфейсами шины. БОЛЕЕ КРИТИЧНЫЕ КО ВРЕМЕНИ АЛГОРИТМЫ

Фиолетовым цветом на рисунке 1 выделено несколько более критичных

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ко времени алгоритмов, составляющих основу высокопроизводительных схем управления: например, к ним относятся регулирование крутящего момента и расчет магнитного потока внутри привода. Алгоритмы рассчитывают величины, которые нельзя измерить непосредственно (или, как в случае с крутящим моментом, эти значения редко измеряются напрямую). Обеспечить указанный на рисунке 1 расчет времени довольно-таки непросто, и потому разработчики, как правило, используют высокопроизводительные DSP или внутреннюю логику ПЛИС. В программно-реализуемой среде это область кодирования в жестком реальном времени, где у внутренних контуров регулирования имеется высший приоритет над всеми другими задачами. Вентильная структура ПЛИС, поддерживающая тактовые частоты порядка нескольких сотен МГц, является, однако, естественной средой для аппаратного ускорения усовершенствованных алгоритмов управления. На выход системы управления, показанной на рисунке 1, поступают аналоговые сигналы — входные сигналы датчиков и выходные сигналы на силовые переключатели.

Однокристальное устройство обеспечивает существенную экономию стоимости материалов и компонентов, из которых изготавливаются изделия для стандартных систем управления приводом. Современная плата по управлению приводом может содержать, например, микроконтроллер (или DSP), а также автономную ПЛИС и большой массив аналоговых микросхем с соответствующими пассивными компонентами. Однако помимо меньшей стоимости и занимаемой на плате площади у однокристального решения имеется еще и неявное преимущество. В каждой технологической дисциплине существует свой круг специалистов, к которым относятся программисты, разработчики RTL-библиотек и специалисты по линейным цепям. Если каждый блок оборудования разрабатывается как отдельный объект, интерфейсы между ними могут оказаться недостаточно правильно организованными и подвергаться частым доработкам. Этими недостатками не страдает однокристальная система SmartFusion, поскольку каждый из указанных специалистов имеет возможность работать в единой среде, для которой существуют полный набор средств разработки. Так например, система SmartFusion обеспечивает эффективную связь между аналоговыми компонентами с портами ввода-вывода или между матрицей ПЛИС и шинами МК, что сокращает количество итераций проектирования и время выхода продукта на рынок. ЛИТЕРАТУРА 1. Mike Brogley. Mixed-signal programmable ICs enable 1-chip motion control// w w w. e e t i m e s . co m /d e si g n /p r o g ra m mable - logic /4199401/Mixed-signal- pro g ra m m a b l e - I C s- e n a b l e -1- ch i p - m o ti o n control?pageNumber=0.


SH2A — новое слово в промышленной автоматизации РОБЕРТ КАЛМАН, инженер-маркетолог, Renesas Electronics Europe АЛЕКСЕЙ ГЛУБОКОВ, руководитель направления продаж в РФ, Renesas Electronics

В статье рассказывается о возможностях быстродействующего микроконтроллера (МК) SH7216 из семейства SuperH от Renesas, который идеально подходит для задач автоматизации производства, особенно в области управления двигателем и создания однокристальных приводов. Мировая экономика постепенно выходит из рецессии. Началось восстановление в отрасли автоматизации производства, которая наиболее сильно пострадала из-за кризиса. Восстановление в этом сегменте идет с заметным отставанием, поскольку велика зависимость от крупных капиталовложений конечных пользователей. В отдельных отраслях промышленности спад достиг 80%, появился избыток производственных мощностей и незанятых ресурсов. Некоторые компании направляют свободные ресурсы на инновации, создание дочерних предприятий, выпускающих качественную конкурентоспособную продукцию или предлагающих уникальные устройства. Именно сейчас настало время новых рыночных возможностей и расширения сферы деятельности. Их нельзя упустить. СТИМУЛЫ РАЗВИТИЯ

В последние годы главным стимулом развития рынка промышленной автоматизации было повышение эффективности производства. Учитывая, что 97% эксплуатационных расходов идет на энергию, становится ясно, почему эта тема настолько актуальна. При увеличении эффективности энергопотребления всего на 10% покупная стоимость двигателя увеличивается на 400%. Тем не менее такой двигатель оказывается дешевле в эксплуатации. Вторым стимулом, отмеченным в исследовании ассоциации ZVEI, является новое законодательство Германии, которое требует, чтобы все «средние двигатели» соответствовали классу энергопотребления IE2. В Германии около 35 млн двигателей не соответствуют этому стандарту. Такое масштабное замещение выгодно производителям, поскольку они будут обеспечены заказами на годы вперед, а энергопотребление в стране будет снижаться на 10% ежегодно. Экономичный расход энергии — главный стимулятор рынка. Речь идет не только о системах автоматизации, но и так называемых «зеленых» технологиях, которые уже перешли в другие сегменты. Производители, которые использовали спад для разработки инверторов для солнечных элементов и ветроэлектростанций, например, вышли из кризиса раньше других и получили большую прибыль. Другая идея, волнующая рынок промышленной автоматизации, — это создание инвертора «на одном чипе», чтобы снизить стоимость и повысить выгодность преобразования. В стандартных инверторах приходится в среднем по 2,5 МК на управление двигателем и другими элементами и модулями системы. Для создания однокристального решения необходимо решить две задачи: обеспечить достаточные ресурсы для подключения устройств и вместить весь программный код в память одного МК, чтобы при этом сохранялась надеж-

ность системы и возможность работы в масштабе реального времени. Первая проблема уже преодолена. Для решения второй задачи требуется новый тип МК — с высоким быстродействием, чтобы обеспечивать работу в масштабе реального времени, и широким набором возможностей подключения периферийных устройств, который обычно требуется в стандартных приложениях. ИННОВАЦИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Инновации затронули не только отрасль промышленной автоматизации, но и производство двигателей и полупроводниковых приборов. Одна из наиболее заметных новинок — семейство SuperH от Renesas. Микроконтроллер SH7216 является лучшим в семействе. Его рабочая частота превышает предыдущее достижение Renesas на 20% и составляет 200 МГц. Доступ к флэш-памяти осуществляется за один цикл. На сегодня это самый быстрый в мире флэш-МК. SH7216 содержит дополнительные IP-блоки, что делает его идеальным для задач автоматизации производства, особенно в области управления двигателем и создания однокристальных приводов. ЯДРО SH2A С FPU

Ключевая особенность ядра SH2A — его суперскалярная архитектура. В нем имеется два исполнительных устройства, которые могут одновременно выполнять две независимые команды. Таким образом, ЦП на частоте 200 МГц достигает быстродействия более 400 DMIPS. Микроконтроллер SH7216 содержит блок вычислений с плавающей запятой (FPU), что обеспечивает производительность 400 MFLOPS с двойной точностью. Это особенно важно для приложений, работающих в режиме реального времени, когда выполняются громоздкие математические вычисления. Заметим, что в отличие от других архитектур с FPU в SH2A, этот блок не является внешним, поэтому для пересылки в него команд не требуется участия ЦП. Блок с плавающей запятой в SH2A является частью конвейера и работает по тому же принципу, не допуская перегрузок при обработке задач. На рисунке 1 показан конвейер ядра SH7216. Высокое быстродействие ядра и наличие блока вычислителя с плавающей запятой позволяют использовать для функций сигнальной обработки стандартный МК вместо более сложного сигнального процессора (DSP). Кроме того, ядро SH2A имеет 16-разрядные инструкции и 32-разрядные данные, что позволяет плотнее упаковать код. ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ

Еще одна особенность ядра SH2A — быстрый отклик на прерывание. Быстродействие в промышленных приложе-

Электронные компоненты №11 2010

35


ниях зависит не только от того, насколько быстро выполняется тот или иной алгоритм, но и от того, насколько быстро реагирует МК на команды или изменение входных данных. В типичной стандартной архитектуре ЦПУ первая задача, которая может запускаться до процедуры обработки прерывания — это сохранение «контекста» текущей задачи. Значения всех внутренних регистров сохраняются в стеке и после окончания обработки прерывания извлекаются из него для продолжения работы. В МК SH2A не требуются процедуры пересылки данных в стек и извлечение их из него. Вместо стека используется набор из 15 «банков регистров». В результате SH2A может отвечать на запрос прерывания всего за 30 нс. ФЛЭШ-ПАМЯТЬ MONOS

Третий фактор, влияющий на производительность, после времени отклика на прерывание и тактовой скорости ЦП — это время доступа к флэш-памяти. Недостаточно иметь быстрый ЦПУ, если он постоянно ждет данные из памяти. Однако на рынке встречаются такие модели, в которых доступ к памяти осуществляется в 5 раз медленнее скорости работы ЦП. В этом случае в работе будут простои, или ЦП будет работать с ОЗУ. Такой проблемы в семействе SuperH нет. Микроконтроллеры семейства SH7216 обладают самой быстрой в отрасли встроенной флэш-памятью MONOS — Metal Oxide Nitride Oxide Silicon (металл-оксид-нитридоксид-кремний). Высокая скорость работы обусловлена присутствием слоя нитрида в середине структуры. Время доступа при чтении составляет 10 нс. Это значит, что можно выполнять код, записанный во флэш, так же быстро, как из ОЗУ. ПЕРИФЕРИЯ

Система автоматизации производства состоит из множества связанных модулей, поэтому МК должен не только обеспечивать высокую скорость работы ядра, но и иметь широкий набор периферии: Ethernet MAC 10/100, CAN, USB, UART, SPI и IIC. В этом случае он представляет

36

Рис. 1. Структура конвейера SH7216

WWW.ELCOMDESIGN.RU

собой очень хорошее решение для приложений общего назначения. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ

Одной из наиболее крупных задач в автоматизации производства является управление двигателем. МК SH7216 отлично справляется с этой задачей благодаря таймерам MTU2 и MTU2S. MTU2 представляет собой шестиканальный 16-разрядный таймер. Комбинация каналов конфигурируется в режиме «дополняющий ШИМ», в котором генерируются три сигнала с ШИМ для управления инвертором и вставляется интервал «мертвого» времени. Всего можно получить три пары на двух каналах MTU2. У таймера имеется режим «счета фазы», который используется для декодирования квадратурного сигнала датчика вращения двигателя. Аналоговые сигналы неидеальны, поэтому часто появляется задержка между командой на переключение ШИМ-сигнала и фактическим выходом силового каскада. В результате оба транзистора в инверторе могут открыться одновременно. В таймере MTU2 предусмотрена дополнительная функция определения разницы между желаемым и фактическим мертвым временем. Она реализована с помощью введения обратной связи с выхода H-моста в силовом каскаде. На следующем импульсе ШИМ эта погрешность может быть компенсирована. На рисунке 2 в упрощенном виде показана схема подключения МК для управления двигателем и компенсации мертвого времени. Таймер MTU2S представляет собой подмножество периферийных устройств, выполняющих только функцию управления двигателем. Таким образом, SH7216 может управлять двумя промышленными инверторами. Микроконтроллер имеет внутренний 12-разрядный АЦП для управления двигателем. Время преобразования равно 1 мкс. АЦП выполняет все стандартные функции преобразования. Запуск может осуществляться по команде ЦП, внешнего сигнала и аппаратно от MTU2 или MTU2S. Это свойство особенно полезно при измерении фазных токов и напряжений.


Рис. 2. Схема подключения МК ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Микроконтроллер SH7216 и семейство SuperH представила компания Renesas. SH7216 идеально подходит для включения в промышленную сеть и выполняет

все функции, требуемые для управления двигателем. Микроконтроллер является подходящей основой для управления инверторами. Кроме того, это самый быстрый МК в отрасли.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ | AGILENT TECHNOLOGIES ПРЕДСТАВИЛА ВЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗАТОР ЦЕПЕЙ ВЫСШЕГО КЛАССА С ДИАПАЗОНОМ ЧАСТОТ ДО 67 ГГц | Первое среди промышленных анализаторов четырехпортовое решение для СВЧ-измерений с диапазоном одного свипирования 110 ГГц Компания Agilent Technologies представила векторный анализатор цепей серии PNA-X с диапазоном 67 ГГц. Новый прибор N5247A PNA-X имеет выходную мощность +10 дБм, динамический диапазон 110 дБ; для приемника на частоте 67 ГГц значение точки компрессии на 0,1 дБ составляет +11 дБм. Эти характеристики лучше, чем у других анализаторов на 8 дБ по выходной мощности и на 7 дБ — по динамическому диапазону. Как и все модели Agilent PNA-X, N5247A оснащен внутренними сдвоенными источниками, встроенным сумматором и коммутаторами сигналов, что позволяет легко осуществить уникальный принцип «одно подключение — комплекс измерений» для измерения S-параметров, распределения шума и интермодуляционных искажений. Это дает возможность проводить также импульсные измерения, измерения точки компрессии, коэффициента гармоник и спектра усилителей, смесителей и преобразователей частоты. Ключевой особенностью N5247A PNA-X является возможность расширения диапазона одного свипирования с 10 МГц до 110 ГГц для двух или четырех портов. N5247A может тестировать смесители/преобразователи частоты и дифференциальные устройства, проводя непрерывные измерения во всем диапазоне рабочих частот. Программное обеспечение нелинейного векторного анализатора цепей позволяет измерять Х-параметры — новую категорию нелинейных параметров цепей для детерминированных радиочастотных разработок, которые могут быть использованы для оценки поведения линейных и нелинейных компонентов. Данные, полученные в результате измерений X-параметров, также могут быть импортированы в различные программные продукты компании Agilent, такие как ADS, Genesys или SystemVue, для точного моделирования или проектирования. www.home.agilent.com

37 НОВОСТИ CИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | ПРОМЫШЛЕННЫЕ НОВИНКИ ОТ ON SEMICONDUCTOR | Первая новинка, AMIS-30523, содержит в одном корпусе QFP-52 две ИС: шаговый электропривод и передатчик CAN. Устройство предназначено для управления несколькими однотипными двигателями в автомобильной, промышленной, медицинской или морской технике. Интерфейсные микроконтроллеры NCP1090, NCP1091 и NCP1092 с питанием через Ethernet (PoE-PD — Power over Ethernet Powered Device) обеспечивают детектирование, классификацию и управление «на лету» в таких приложениях как беспроводные точки доступа, передача голоса (VoIP) и видео по IP-протоколу. www.elcomdesign.ru | ОДНОКРИСТАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА | Компания STMicroelectronics представила технические характеристики контроллера L6470 для шаговых двигателей. Это первая модель в семействе монолитных ИС dSPIN, уже доступная для заказа в корпусах HTSSOP28 с повышенной температурной стойкостью. Пиковый выходной ток составляет 7 А, диапазон рабочих напряжений 8…45 В. ИС имеет встроенный стандартный интерфейс SPI, характеризуется низким током утечки и малым сопротивлением RDS(ON) = 0,28 Ом. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №11 2010


Решения на основе электропривода maxon motor и Harmonic Drive для космического применения ОЛЕГ СЕРГЕЕВ, инженер по технической поддержке, ЗАО «Авитон» Электропривод в настоящее время распространён повсеместно. Не является исключением и космическая техника. Как и остальные области применения приводов, она нуждается в современных компактных и надёжных решениях, соответствующих условиям работы и предъявляемым требованиям. Среди мировых производителей, предлагающих решения такого уровня, — компании maxon motor (Швейцария) и Harmonic Drive (Германия). Мы рассмотрим вопросы, связанные с применением продукции этих компаний в космических приложениях. Космические аппараты — это одна из самых сложных областей применения приводов по жёсткости предъявляемых требований. Используемые в космосе технические средства должны работать в очень специфических условиях: вакуум, невесомость или небольшая сила тяжести, экстремальные температуры, вибрации, удары и перегрузки, ионизирующие излучения. К оборудованию предъявляются и иные требования, такие как компактность, малый вес, высокая надёжность, высокий КПД, низкое потребление энергии. Большинство перечисленных факторов отсутствует в наземных применениях или не действует одновременно, что влечёт необходимость применения специализированных комплектующих изделий, изготовленных с учётом указанных требований. Чтобы очертить круг задач, которые можно решить при помощи изделий, предлагаемых компаниями maxon motor и Harmonic Drive, рассмотрим ассортимент их продукции. Компания maxon motor производит коллекторные двигатели мощностью до 250 Вт с диаметрами от 6 мм и бесколлекторные мощностью до 400 Вт с диаметрами от 6 мм. Двигатели могут поставляться в сборе с редукторами и энкодерами. Имеются винтовые передачи и широкий ассортимент контроллеров. Компания Harmonic Drive производит волновые редукторы в различных исполнениях с выходным моментом до 6 кНм и планетарные редукторы высокой точности с

38

выходным моментом до 8 Нм. Также выпускаются синхронные серводвигатели и сервоприводы на их основе с мощностью до 3 кВт и ряд контроллеров. Широкий ассортимент продукции позволяет решать многие задачи построения приводов различной мощности и точности. Большинство серийных изделий может стать основой для исполнения, соответствующего требованиям космических применений. Соответствие двигателей и редукторов требованиям космических применений обеспечивается путём внесения в конструкцию ряда существенных изменений, основные из которых приведены ниже. Смазка. В редукторах смазка является одним из самых критичных компонентов для космических применений. В двигателях смазка используется в подшипниках, установленных на вал двигателя. Используются специальные сорта смазок — консистентные и твёрдые. В подшипниках качения используются специальные покрытия дорожек и шариков, вкладыши из специальных материалов (фенол, ПЭЭК) [1]. Стойкость к радиации также является важным фактором для выбора смазки. Конструкционные материалы. Чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур влечёт необходимость тщательного подбора материалов по коэффициентам теплового расширения. Работа в условиях вакуума добавляет ряд ограничений на выбор материалов. Для клеевых соединений применяются специальные марки клеев. Изоляционные материалы выбираются стойкие к газовыделению и радиации (тефлон). Оптимизация массы изделия. Изделия, предназначенные для эксплуатации в космосе, могут разрабатываться на основе облегчённых серийных продуктов или специально разработанных конструкций со сниженной массой [2]. Для таких задач могут применяться двигатели с высокой удельной мощностью, что обеспечивается применением высококачественных магнитов и рядом конструктивных решений. Контроль качества. При изготовлении изделий для космических проектов применяется специальная программа

Рис. 2. Редуктор CPL Harmonic Drive Рис. 1. Модельный ряд продукции maxon motor

WWW.ELCOMDESIGN.RU


Рис. 3. Марсоход Spirit

контроля качества продукции, в которую включаются специальные проверки и испытания в составе и с требованиями, согласованными с заказчиком. Подобный комплекс мероприятий требует плотного сотрудничества потребителя и производителя. Хорошим примером такого сотрудничества может служить изготовление двигателей для марсоходов Spirit и Opportunity, выполненное компанией maxon motor для JPL (Лаборатория реактивного движения, НАСА). Важным условием для такого сотрудничества является предоставление потребителем максимально полной информации о приложении, в котором будет использован привод, и об условиях его работы. Специальный порядок изготовления изделий для космического применения увеличивает их стоимость по сравнению со стандартным исполнением, но затраты оправдываются

надёжностью получаемого решения, от чего зависит успех космической экспедиции. Компания Harmonic Drive (Германия) имеет большой опыт по поставке изделий для космической отрасли. Практически с самого основания компании её изделия использовались в космических аппаратах в экспедиции на Луну — «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17» (1971— 1972 гг.). В экспедиции применялся луномобиль (Lunar Rover). Редукторы Harmonic Drive (HD) были установлены в мотор-колёсах (4 колеса). В автоматических межпланетных зондах «Пионер-10» и -11 (1972 г.) для исследования Юпитера и Сатурна в приводе фотополяриметра, получавшего фотографии высокого разрешения, были установлены редукторы HD. В экспедиции Mars Pathfinder (1997 г.) редукторы HD использовались в марсоходе Sojourner в приводах колёс. Также они были использованы в приводах раскрытия солнечных батарей посадочного модуля [3]. Экспедиция Mars Exploration Rover (2004 г.). На планету были доставлены два марсохода Spirit и Opportunity. В каждом из них было установлено 19 приводов, из них 12 — с использованием редукторов HD: 6 приводов мотор-колёс; 4 привода поворота колёс и 2 привода поворота антенны. Решения, использованные в этих марсоходах, на практике подтвердили высокую надёжность. Марсоходы проработали более 2000 дней при запланированных 90. Марсоход Spirit находился на ходу до мая 2009 г. Связь с ним была потеряна в марте 2010 г. Второй марсоход проработал более 6 лет и продолжает работу [4]. Редукторы HD часто применяются в приводах раскрытия солнечных батарей спутников. С их использованием был разработан специальный сервопривод для подобных применений (компания RUAG, привод Septa31). Для дру-

Электронные компоненты №11 2010

39


гого проекта был разработан двухступенчатый волновой редуктор с редукцией 5150:1. С 1991 г. было запущено более 50 различных спутников, в которых использовались изделия Harmonic Drive. В малогабаритном роботе для исследования Меркурия редуктор HD стоял в приводах гусениц [5]. Для этого проекта был разработан малогабаритный редуктор со входом через коническое зацепление. Компания maxon motor также имеет опыт работы с космической отраслью. Её двигатели неоднократно использовались в космических аппаратах, в т.ч. совместно с редукторами Harmonic Drive. В марсоходе Sojourner (экспедиция Mars Pathfinder, 1997 г.) было установлено 11 двигателей maxon motor: 6 — в приводах вращения колёс; 4 — в приводах поворота колёс и 1 — в приводе подъёма спектрометра. В каждом из марсоходов Spirit и Opportunity (экспедиция Mars Exploration Rover, 2004 г.) было установлено по 19 двигателей: 6 приводов мотор-колёс; 4 привода поворота колёс; 3 привода в манипуляторе; 2 привода в камере; 2 привода поворота камеры и 2 привода поворота антенны. Оба марсохода успешно выполнили программу работ, а один из них работает до сих пор. Также приводы maxon motor были установлены в посадочных модулях «Бигль-2» (Mars Express, 2003 г.) — 17 шт. [6] и в «Фениксе» (Mars Scout, 2007 г.) — 9 шт. В отечественной космической отрасли также находят применение высокопроизводительные и надёжные решения от maxon motor и Harmonic Drive. В нескольких проектах планетоходов применялись двигатели maxon motor

и корпусные редукторы Harmonic Drive. Манипулятор спускаемого аппарата в проекте «Фобос-Грунт» также содержит бесколлекторные двигатели maxon motor. Другие применения: приводы раскрытия солнечных батарей, манипуляторы для космических аппаратов, электроприводы систем терморегулирования. За прошедшие годы накоплен большой опыт по изготовлению приводов для космических аппаратов. При жёстких требованиях к техническим характеристикам и условиям работы приводов имеется большой положительный опыт их практического применения. Успешная работа космических аппаратов подтвердила высокую надёжность приводов, предлагаемых компаниями maxon motor и Harmonic Drive. ЛИТЕРАТУРА 1. I. Schäfer, P. Bourlier etc., Space lubrication and performance of harmonic drive gears. Proceedings of the 11th ESMATS Symposium. Lucerne. Switzerland. 2005. 2. P. Bourlier, I. Schäfer etc. Doing more with less: innovative, new lightweight harmonic drive component sets. Proceedings of the 12th ESMATS Symposium. Liverpool. UK. 2007. 3. K. Ueura, R. Slatter Development of the harmonic drive gear for space applications. Proceedings of the 8th ESMATS Symposium. Toulouse. France. 1999. 4. www.nasa.gov/mission_pages/mer/index.html. 5. I. Schäfer, S. Klinkner Präzisionsgetriebe für die Raumfahrt// Antriebstechnik. 4/2006. 6. N. Phillips Mechanisms for the Beagle2 lander. Proceedings of the 9th ESMATS Symposium. Liege. Belgium. 2001.

СОБЫТИЯ РЫНКА | MOTOROLA РАЗДЕЛИТСЯ НА ДВЕ КОМПАНИИ | В новом году Motorola, американский производитель сотовых телефонов и средств связи, разделится на две отдельные публичные компании. Официально это разделение должно произойти до 4-го января 2011 г. Нынешние подразделения Mobile Devices and Home Businesses, превратившись в самостоятельную компанию Motorola Mobility с Санджай Джа (Sanjay Jha) во главе, будут продолжать заниматься мобильными устройствами и продукцией для домашних приложений, а в введении Motorola Solutions останутся производство оборудования связи и корпоративные решения. Руководителем Motorola Solutions станет нынешний исполнительный директор компании Грег Браун (Greg Brown). По мнению Брауна и Санджая Джа, разделение пойдет на пользу компании, ее акционерам, клиентам и сотрудникам. Впервые дискуссии о таком разделении возникли в январе 2008 г., а в марте того же года компания заявила о том, что реструктуризация начнется позже. Это заявление было сделано в то время, когда компания испытывала явный недостаток в производстве такого мобильного телефона, который пользовался бы популярностью, сравнимой с Razr. Несмотря на то, что нынешняя модель Droid буквально «улетает» с прилавков, Motorola оценивает свое положение на рынке мобильных телефонов как достаточно трудное. Продажи Droid позволили отделению Mobile Devices стать прибыльным впервые за более чем три года. В III кв. объемы продаж составили 2 млрд долл., что на 20% выше прошлогоднего показателя. Совокупный объем продаж за этот квартал вырос на 13% по сравнению с прошлогодним показателем, составив 4,9 млрд долл. Аналитики компании Zacks Investment Research положительно оценивают это разделение. www.elcomdesign.ru

40 НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | КОМПАНИЯ AZZURRO SEMICONDUCTORS AG, ПОСТАВЩИК КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН, ЗАВЕРШИЛА ИНВЕСТИЦИОННЫЙ РАУНД НА ОТМЕТКЕ 14,5 МЛН ЕВРО. | Эти средства пойдут на создание производства в Дрездене, Германия, а также на развитие производства с использованием технологии создания эпитаксиальных полупроводниковых пластин GaN на Si. В самом последнем раунде финансирования принимали участие новые компании Wellington Partners, Good Energies и Emerald Technology Ventures, к которым присоединились известные инвесторы Cedrus Private Equity и IBG Innovationsfonds. Компания Azzurro (Магдебург, Германия), учрежденная в 2006 г., образовалась на основе части исследовательской группы из Магдебургского университета имени Отто фон Герике. Компания выпускает эпитаксиальные GaN-подложки диаметром до 150 мм, которые применяются в производстве и разработке светодиодов и силовых полупроводников. Azzurro планирует заняться производством стандартных 200-мм кремниевых пластин со слоями нитрида галлия. Эрвин Вульф, глава Azzurro, заявил о том, что его компания семь лет упорно работала над коммерциализацией своей технологической платформы. Azzurro получила высокую оценку деятельности со стороны заказчиков и в настоящее время наращивает производственные мощности по крупносерийному выпуску эпитаксиальных GaN-подложек. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU


УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ 802.11n ЗА СЧЁТ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОТОКОЛА MAC. Часть 2 ПРОБИР САРКАР (PROBIR SARKAR), инженер ARM

В Части 2 этой статьи (начало см. в ЭК10) описаны изменения и доработки в MAC-протоколе и их влияние на пропускную способность сетей. A-MPDU

Кванты данных MAC-протокола в конце процесса его работы аккумулируются в единственном кванте данных A-MPDU. Этот процесс отображён на рисунке 6. К каждому подкадру добавляется ограничитель (в начале подкадра) и заглушка для выравнивания по 32-битной границе в конце. Ограничитель содержит длину кванта MPDU, сигнатуру и код циклического контроля. Целью введения ограничителя является предоставление возможности приёмнику выделения отдельного кванта из агрегата, даже если один из предыдущих ограничителей принят с ошибкой. Все MPDU в агрегате должны относиться к одной категории и иметь один адресат. Полная длина этого агрегата ограничивается числом 8, 16, 32 или 64 Кбайт в зависимости от возможностей приёмника. Поскольку агрегат передаётся как единое целое на физическом уровне, то настройка приёмника осуществляется только один раз, в начале процесса передачи. В то же время в процессе передачи условия приёма могут существенно измениться,

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

42

что приведёт к возникновению ошибок. Следовательно, максимальная длина агрегата ограничивается также максимальным временем когерентности канала связи. Ещё одним ограничением является максимальное число агрегируемых квантов MPDU, равное 64, что связано ограничением на время поступления подтверждения блочной передачи. И, наконец, последним ограничением является максимальное количество кадров в очереди передатчика, т.к. инкапсуляция и агрегирование MPDU осуществляется сетевым интерфейсом. ДВУХУРОВНЕВАЯ АГРЕГАЦИЯ

Двухуровневая агрегация предполагает использование обоих видов слияния кадров — A-MSDU и A-MPDU (см. рис. 7). Поддержка этого вида слияния является опциональной и должна декларироваться на этапе, предшествующем установлению связи. Этот тип агрегации полезен в таких исключительных случаях, когда должна быть передана последовательность MSDU малого размера. В данном случае при

использовании только A-MPDU предел в 64 объединяемых кванта приводит к тому, что существенная доля пропускной способности остаётся незадействованной. Аналогичная ситуация возникает при использовании пакетов пользовательских данных большого размера для повышения скорости передачи. Описанные способы агрегации данных протокола отличаются возможными способами их реализации. Агрегация A-MSDU может быть выполнена хост-системой, позволяющей ожидать поступления требуемого числа квантов MSDU. В противоположность этому механизму агрегация квантов MPDU выполняется собственно сетевым интерфейсом, что ограничивает период ожидания квантов MPDU ёмкостью его буфера очередей пакетов. При этом агрегаты A-MSDU упаковываются в одиночный MPDU с одним-единственным номером в очереди. Если при передаче MPDU возникает ошибка, эту передачу требуется повторить заново. С другой стороны, поскольку в агрегате A-MPDU каждый квант MPDU имеет свой уникальный код-ограничитель, при возникновении ошибок требуется повторная передача только ошибочных квантов. И, наконец, агрегация A-MSDU намного эффективнее A-MPDU, т.к. в процессе последней к каждому субкадру добавляется полный заголовок MPDU. МЕХАНИЗМ БЛОЧНОГО ПОДТВЕРЖДЕНИЯ

Этот механизм, впервые введённый в стандарте 802.11e, в версии 802.11n был изменён и доработан. БЕЗУСЛОВНОЕ БЛОЧНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

Рис. 6. Агрегация A-MPDU

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Первым усовершенствованием стало исключение запроса подтверждения приёма блока (BAR). Этот запрос был исключён, т.к. генерация кадра


подтверждения является стандартной реакцией на получение пакета A-MPDU. Последовательность обмена при блочной передаче показана на рисунке 8а. Это уменьшило избыточность передаваемых данных и устранило один из возможных источников ошибок, связанный с вероятностью ошибочного приёма блочного подтверждения BA. В стандарте 802.11n возможна передача множества агрегатов A-MPDU с подтверждением единственным кадром BA. В этом случае все, кроме последнего, агрегаты A-MPDU посылаются в приёмник с установленной политикой блочного подтверждения, и их приём только фиксируется в статусе приёма на принимающей стороне. Последний же агрегат посылается с признаком нормального подтверждения, что вызывает генерацию и посылку блочного подтверждения, содержащего статус всех принятых с момента посылки предыдущего блочного подтверждения агрегатов. Альтернативой этому методу является посылка всех агрегатов с признаком политики блочного под-

тверждения и специального запроса BAR. Эти варианты показаны на рисунках 8б и 8в. СЖАТИЕ БЛОЧНОГО ПОДТВЕРЖДЕНИЯ

Обнаружилось, что фрагментация и агрегация кадров плохо сочетаются друг с другом. Целью фрагментации является улучшение надёжности передачи в зашумлённом канале за счёт разбиения длинного кадра на мелкие фрагменты. Это увеличивает вероятность правильного приёма каждого фрагмента и уменьшает накладные расходы на повторные передачи. В то же время при хороших условиях передачи кадры малого размера объединяются для уменьшения доли служебной информации в общем потоке данных. Естественно, что в стандарте 802.11n фрагментация квантов MSDU, являющихся частью агрегата A-MPDU, была запрещена. В результате в кадре блочного подтверждения на каждый квант MPDU оказалось достаточно отвести всего 1 бит. Таким образом, длину

Рис. 7. Двухуровневая агрегация

такого сжатого сигнала блочного подтверждения оказалось возможным сократить всего до 64 бит по сравнению с 1024 битами несжатого пакета BA. Соответственно, он занимает меньше места в памяти приёмника, требует меньшего времени для передачи и может быть передан более помехоустойчивым методом модуляции. БЛОЧНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СОСТОЯНИЙ

Система блочных подтверждений стандарта 802.11n требует, чтобы получатель обеспечил хранение статуса всех принятых квантов MPDU за время всех сессий блочного обмена. Поскольку кадр блочного подтверждения должен быть немедленно сгенерирован и передан в ответ на поступивший запрос блочного подтверждения, это представляет определённую проблему с точки зрения компромисса между занимаемой памятью и скоростью доступа к требуемым данным. В стандарте 802.11n эта проблема решается за счёт возможности хранить информацию только о немногих последних блочных передачах. Это обеспечивается за счёт перекладывания задачи хранения информации на передающую сторону, которая ищет необходимые данные до того, как они будут отменены (и перезаписаны) на принимающей стороне. Если соответствующая строка в массиве подтверждений в приёмнике должна быть перезаписана к моменту поступления запроса на блочное подтверждение, приёмник должен немедленно сгенерировать кадр BA со всеми битами, сброшенными в 0. Это вызывает повторную передачу всех квантов MPDU. Типичным сценарием, в котором используется подобный механизм, является передача одного или более агрегатов A-MPDU и получение ответа в виде блочного подтверждения в ходе единственного периода TxOP, как показано на рисунке 8. ПРОТОКОЛ ОБРАТНОЙ ПЕРЕДАЧИ

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

44 а)

б)

в) Рис. 8. Формирование блочного подтверждения

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В некоторых приложениях, например, при реализации протоколов FTP и HTTP, трафик становится существенно асимметричным, т.е. объём данных, передаваемых в одном направлении, существенно превосходит объём данных, передаваемых в обратном. Однако при этом скорости передачи в обоих направлениях чётко связаны, причём скорость передачи в прямом направлении определяется задержкой передачи в обратном. В нормальном режиме работы это означает, что получатель должен получить режим благоприятной передачи TxOP и передавать кадры подтверждения приёма. При этом появляются две проблемы: во-первых, возникает задержка в передаче сигнала


подтверждения и, во-вторых, возможности режима TxOP в обратном направлении используются крайне неэффективно. Обе эти проблемы в стандарте 802.1n решаются за счёт введения т.н. протокола обратной передачи RDP (Reverse Direction Protocol). Он позволяет организовать двунаправленный режим наибольшего благоприятствования, суть которого заключается в том, что TxOP предоставляет в пользование часть возможностей другой станции. Этот метод реализуется двумя способами — например, передатчик в прямом направлении может выделить время своему соседу для передачи его кадра подтверждения в конце собственной сессии TxOP, либо приёмник, получив в своё распоряжение TxOP, после получения ожидаемого сигнала подтверждения завершает эту сессию. Такое усовершенствование правил доступа к среде передачи требует очень малого количества управляющих сигналов, но экспериментальная проверка показала, что оно способно увеличить общую пропускную способность среды на 40%. УПРАВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТРОЙСТВ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ

И, наконец, необходимо отметить, что на MAC-уровне должно быть запущено несколько процессов, позволяющих должным образом использовать те усовершенствования, которые были введены в стандарте для физического уровня передачи. Первым делом (и это наиболее важно) следует получить управляющую матрицу, которая используется при формировании передающего луча. В процессе формирования оптимальной диаграммы направленности передатчика он инициирует процедуру установления связи, в процессе которой приёмник должен рассчитать и как можно быстрее отправить передатчику информацию о состоянии канала связи. При формировании оптимальной

антенной конфигурации приёмника он должен отправить запрос на передачу, что позволит оптимальным образом настроить канал связи. В дополнение к этому должны быть скомпенсированы все рассогласования в аналоговой части приёмного и передающего устройств. Передатчик запоминает полученную информацию и использует её при дальнейших обменах данными. В стандарте 802.11n предусмотрено 77 различных вариантов конфигурации канала передачи, отличающихся количеством потоков данных, схемой модуляции, скоростью передачи и полосой пропускания каналов. Из этого многообразия для конкретного канала выбирается ограниченный набор схем, базирующийся на возможностях приёмника и передатчика. Блок управления доступом к среде должен попытаться выбрать наилучший вариант для конкретного кадра и передать его системе управления на физический уровень. Такой выбор не является чем-то неизменным и должен корректироваться в соответствии с изменяющимися условиями. До принятия стандарта 802.11n выбор скорости передачи являлся задачей исключительно передающей стороны, в то время как в новом стандарте появился новый протокол выбора конфигурации (MCS feedback protocol), позволяющий передатчику запросить информацию у приёмника до принятия решения о выборе оптимальной скорости передачи. Помимо этого, система управления доступом к среде должна правильно выбрать тип и степень агрегации, которые будут использоваться в процессе обмена данными. В значительной мере такой выбор определяется компромиссом между возникающими при агрегации задержками в процессе передачи, однако длина кадра определяется ещё и текущими условиями передачи. И, наконец, система управления доступом должна обеспечивать обратную совместимость с устройствами, поддерживающими прежние версии

стандарта. При этом устройства с шириной канала 20 МГц должны нормально работать в сети совместно с устройствами нового стандарта. Для этого MAC-протокол был дополнен функциями, обеспечивающими оптимизацию скорости передачи при наличии в радиусе действия устройств старых версий и устройств с различным уровнем поддержки нового стандарта. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На этом мы закончим рассмотрение модификаций MAC-уровня в стандарте 802.11n. Как уже отмечалось ранее, скорости, доступные устройствам ранних версий стандарта 802.11a/b/g в новой версии увеличились более чем на порядок. Это стало возможным за счёт использования одновременно нескольких каналов передачи данных через несколько антенн, расширения полосы частот и т.д. Для того чтобы превратить это ускорение в увеличение скорости передачи пользовательских данных, был существенно доработан протокол управления доступом к среде (MACпротокол). Целью при этой доработке стало уменьшение непроизводительных расходов на передачу служебной информации. Основными методами достижения этой цели стали различные способы агрегации данных, блочной передачи и подтверждения и оптимизация двунаправленной передачи в неравноправных сетевых протоколах. Помимо этого в протокол были добавлены механизмы, поддерживающие корректную и оптимальную работу новых функций физического уровня. При реализации всех этих усовершенствований максимальная скорость передачи, на физическом уровне достигающая 600 Мбит/с, на MAC-уровне поднялась до 375 Мбит/с. Фактически это означает, что современные беспроводные сети обеспечивают ту же скорость передачи данных, что и проводные сети класса 1 Гбит. С распространением нового стандарта становится всё более близкой замена проводных сетей Ethernetстандарта беспроводными.

45

| СНК MB87S2080 ОФИЦИАЛЬНО ОДОБРЕНА СОЮЗОМ PRIME | СнК MB87S2080 производства Fujitsu Semiconductor Europe и программный стек для нее получили официальное подтверждение соответствия требованиям PRIME. PRIME — новая технология узкополосной связи по линиям электросети на основе OFDM, обеспечивающая передачу энергии на скорости до 128 Кбит/с. Устройство связи MB87S2080 успешно прошло процесс сертификации и полностью удовлетворяет стандарту PRIME. www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ | ENERGY MICRO ОСНАЩАЕТ МК ИНТЕРФЕЙСОМ ДЛЯ РАБОТЫ С ДАТЧИКАМИ | Компания Energy Micro оснастила семейство микроконтроллеров EFM32 интерфейсом для работы с датчиками. Функциональный блок LESENSE позволяет автономно отслеживать работу до 16 внешних датчиков, когда МК находится в режиме глубокого сна. Поддерживается практически все типы датчиков, в т.ч. резистивные, индуктивные и емкостные. Блок LESENSE может работать отдельно от ядра. За счет малого потребления он отлично подходит для устройств с батарейным питанием. Уже в I кв. 2011 г. блок LESENSE появится в семействе Tiny Gecko. Затем он будет встроен в МК семейства Giant Gecko. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №11 2010

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

НОВОСТИ ДАТАКОМ


БЕЗМОСТОВОЙ ККМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КПД ВЫШЕ 98% И КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ 0,999. ЧАСТЬ 2 СЛОБОДАН КУК (SLOBODAN CUK), президент, TESLA Безмостовой ККМ-преобразователь, реализованный на основе современного метода переключения, который устраняет необходимость использования мостовых выпрямителей, позволяет снизить размеры и стоимость импульсных источников питания. Публикация является продолжением статьи этого автора (см. ЭК8). Однокаскадные преобразователи мощности обладают рядом преимуществ перед традиционными двухкаскадными ККМ-преобразователями (Power Factor Correction — коррекция коэффициента мощности) с входными мостовыми выпрямителями: при использовании соответствующих ключей их КПД может превышать 98%, а коэффициент мощности — достигать 0,999; они обладают меньшими размерами и весом; они дешевле и отличаются низкой стоимостью магнитопроводов; они характеризуются стопроцентным использованием всех компонентов как при отрицательной, так и при положительной полуволне входного напряжения. Трехфазный безмостовой ККМ-преобразователь способен обеспечивать единичный коэффициент мощности, а также низкий суммарный коэффициент гармоник (THD). Безмостовой ККМ-преобразователь, показанный на рисунке 1а, подключа-

ется к сети переменного тока напрямую, поскольку в нем отсутствует входной мостовой выпрямитель, характерный для традиционных ККМпреобразователей. В Части 1 было показано, что такой преобразователь способен вырабатывать постоянное напряжение, превышающее значение амплитуды входного переменного напряжения любой полярности. Было также показано, что коэффициент преобразования постоянного тока не зависит от полярности входного напряжения и определяется следующим выражением: (1) Таким образом, равенство коэффициентов усиления (1), задаваемых скважностью импульсов D, которые подаются на управляющий ключ S, при преобразовании входного напряже-

46 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

а)

б) Рис. 1. Безмостовой ККМ-преобразователь: а) схема преобразователя с одним управляющим ключом S; б) реализация схемы управления на базе стандартной ИС ККМ-контроллера и дополнительных цепей, отслеживающих напряжение и ток и подающих измеренные значения на соответствующие входы ИС ККМ-контроллера

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ния любой полярности является важным и необходимым условием работы однокаскадного безмостового AC/ DC-преобразователя ККМ. В отличие от предыдущих вариантов безмостовых ККМ-преобразователей, в данной модели все компоненты — три ключа, входная катушка индуктивности L, катушка индуктивности Lr и конденсатор Cr резонансного контура — используются на 100%, поскольку все они принимают участие в ККМпреобразовании как положительной, так и отрицательной полуволны переменного входного напряжения. В это варианте, в отличие от традиционных ККМ-преобразователей, работают все элементы схемы. МЕХАНИЗМ ККМ-РЕГУЛИРОВАНИЯ

Коррекция коэффициента мощности заключается в обеспечении пропорциональности и синфазности входного тока iAC (см. рис. 1б) и входного напряжения, для чего используется специальная схема управления. Одна из таких схем показана на диаграмме рисунка 1б. Она состоит из традиционной ИС контроллера ККМ, на которую поступают сигналы с цепей отслеживания тока и напряжения. Для регулирования среднего значения входного тока AC/DC-преобразователя, показанного на рисунке 1б, используется модуляция скважности импульсов, подаваемых на ключ преобразователя. Поэтому полоса пропускания контура обратной связи по току должна быть достаточно широкой для обеспечения пропорциональности среднего входного тока переменному входному напряжению. При этом нелинейные искажения должны быть минимальны или отсутствовать. Это достигается за счет использования частоты переключения в 60 кГц. С другой стороны, для того чтобы не вносить искажения во входной ток и иметь возможность регулировать выходное напряжение, полоса пропу-


АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ККМРЕГУЛИРОВАНИЯ

Для того чтобы ток во входной цепи был пропорционален напряжению в этой цепи применяются два следующих способа управления рабочим циклом ключа S. Модуляция скважности импульсов, подаваемых на ключ, с постоянной частотой переключения. Поддержание постоянного времени замкнутого (ON) состояния ключа и регулирование времени разомкнутого (OFF) состояния ключа, для чего может потребоваться переменная частота переключения. Замыкание ключа происходит при нулевом уровне. Поскольку два выпрямителя позволяют току течь только в одном направлении, время разряда конденсатора в резонансном контуре эффективно ограничивается точно половиной резонансного периода, т.е.

ПОДДЕРЖАНИЕ ПОСТОЯННОГО ВРЕМЕНИ ЗАМКНУТОГО СОСТОЯНИЯ КЛЮЧА И РЕГУЛИРОВАНИЕ ВРЕМЕНИ РАЗОМКНУТОГО СОСТОЯНИЯ КЛЮЧА

Для обеспечения максимальной эффективности и улучшения рабочих характеристик необходимо устранять нулевой интервал на кривой резонансного тока, о котором шла речь в предыдущем разделе. Лучшим рабочим режимом для поддержания постоянного времени замкнутого (ON) состояния ключа является следующий: (4)

(2)

При этом скважность управляющих импульсов, подаваемых на ключ, должна быть пропорциональна частоте переключения:

(3) Мы ввели понятие резонансной скважности DR. Резонансная цепь состоит из контура, сформированного двумя резонансными компонентами CR и LR, ключом и соответствующими выпрямителями тока (одним для положительной полуволны входного напряжения, а другим — для отрицательной), соединенных последовательно, как было показано ранее. Очевидно, что в такой схеме разрядный ток может течь только в одном направлении. В этом случае период резонанса DRTS меньше времени замыкания ключа ТON (см. рис. 2а) или равен ему (см. рис. 2б). Отметим, что если скважность импульсов D выше резонансной скваж-

а)

(5) Таким образом, регулирование напряжения происходит за счет использования переменной частоты переключения fs и соответствующей ей скважности управляющих импульсов D, определяемой выражением (5). Отметим, что все значения параметров цепи постоянного тока, таких как коэффициент преобразования постоянного тока (уравнение 1), постоянные напряжения на конденсаторах и постоянные токи через катушки индуктивности, зависят только от скважности D, как и в случае работы с постоянной часто-

б)

в)

Рис. 2. Сигнал тока через резонансную катушку индуктивности: а) постоянное время замыкания ключа (ON) при постоянной частоте переключения. Наблюдается появление «нулевой» зоны; б) постоянное время замыкания ключа (ON) и переменное время его размыкания (OFF) позволяют исключить «нулевую» зону; в) постоянное время замыкания ключа (ON) и переменная частота переключения позволяют повысить эффективность регулирование рабочего цикла ключа

той переключения, поскольку частота переключения (как постоянная, так и переменная) эффективно удаляется из всех стационарных условий. Следует отметить, что именно это и есть основное отличие метода гибридного переключения от всех остальных традиционных резонансных методов, в которых параметры цепи в стационарных состояниях зависят не только от скважности D, но и от тока нагрузки, резонансной частоты и других характеристик схемы и условий работы. В случае гибридного переключения, даже несмотря на резонансный режим работы, происходит аналогичное упрощение традиционного ШИМ-регулирования: коэффициент преобразования напряжения и другие характеристики стационарного режима определяются только скважностью D. На рисунках 2б и 2в показаны формы сигналов, соответствующие двум режимам работы: устранения нулевых интервалов при постоянной частоте переключения и работы с переменной частотой переключения. На этих рисунках сначала показан интервал, соответствующий постоянному времени замкнутого состояния ключа (интервал DTs), чтобы выделить переменный характер временных интервалов разомкнутого состояния ключа в режиме переменной частоты переключения, а также устранение нулевых участков при постоянной частоте переключения. Для тестирования однокаскадного ККМ-преобразователя AC/DC использовалась его 300-Вт модель, которая преобразовывала переменное напряжение 110 и 220 В в выходное постоянное напряжение 400 В, демонстрируя при этом высокую эффективность в широком диапазоне входных напряжений. На рисунке 3а показана эффективность 300-Вт модели преобразователя, работающего в диапазоне переменных входных напряжений 85…240 В, а на рисунке 3б приведены экспериментальные данные по потерям мощности того же преобразователя.

Электронные компоненты №11 2010

47 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

ности DR, на кривой резонансного тока появляется нулевая площадка, вызванная запиранием выпрямителя CR1 (см. рис. 2а). Для полного устранения этого нулевого интервала необходимо изменить время разомкнутого (OFF) состояния ключа, что реализуется р е г ул и р о в а н и е м частоты переключения.

скания контура регулирования по входному напряжению должна быть гораздо уже — менее 60 Гц. При выполнении этих условий выходное постоянное напряжение имеет небольшие пульсации в пределах регулировки узкой полосы пропускания контура благодаря выходному накопительному конденсатору большой емкости.


а)

б)

Рис. 3. Экспериментальные данные, полученные при тестировании 300-Вт модели безмостового ККМпреобразователя: а) эффективность в широком диапазоне переменных входных напряжений 85…240 В; б) потери мощности в том же диапазоне входных напряжений

Тестируемый преобразователь продемонстрировал очень высокую эффективность — более 97% в широком диапазоне входных переменных напряжений. Следует отметить очень высокую эффективность работы преоб-

разователя и малые суммарные потери мощности, измеренные при низком входном переменном напряжении 85 В (см. рис. 3а и 3б), что явно свидетельствует об отсутствии входного мостового выпрямителя. Традиционные

Таблица 1. Результаты измерения гармонического тока при Uac = 110 В, 60 Гц, THD = 1,7%, КМ = 0,999 Номер гармоники

мА/Вт

Макс.

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 0,30 0,26 0,23 0,20 0,18 0,17 0,15 0,14 0,13 0,12 0,12 0,11 0,10 0,10

2300 1140 770 400 330 210 150 132 118 107 98 90 83 78 73 68 64 61 58

Предел при 300 Вт, мА 1020 570 300 150 105 89 77 68 61 55 50 46 43 40 37 35 33 31 30

Тест при 60 Гц, мА 38 14 7 5,8 3,5 2,5 3,4 4,5 7,2 5,7 9,3 9,5 9,8 10,0 4,8 2,9 0,8 0,7 0,8

Таблица 2. Результаты измерения гармонического тока при Uac = 220 В, 60 Гц, THD = 2,0%, КМ = 0,991 при 60 Гц; THD = 6,3%, КМ = 0,98 при 50 Гц

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

48

Номер гармоники 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

мА/Вт

Макс.

3,4 1,9 1,0 0,5 0,35 0,30 0,26 0,23 0,20 0,18 0,17 0,15 0,14 0,13 0,12 0,12 0,11 0,10 0,10

2300 1140 770 400 330 210 150 132 118 107 98 90 83 78 73 68 64 61 58

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Предел при 300 Вт, мА 1020 570 300 150 105 89 77 68 61 55 50 46 43 40 37 35 33 31 30

Тест при 60 Гц, мА 20,5 10,7 12,5 10,8 7,6 7,5 10,5 15,0 14,2 12,3 13,5 18,0 21,0 20,0 16,7 11,3 6,3 3,3 2,0

Тест при 50 Гц, мА 21,5 7,5 8,0 8,1 6,5 4,8 7,0 10,5 10,5 9,2 7,8 10,0 12,7 14,0 13,5 12,5 11,5 11,0 10,5

ККМ-преобразователи характеризуются ощутимым снижением эффективности при низком входном напряжении (порядка 85 В), что связано с падением напряжения на двух диодах мостового выпрямителя. На рисунке 4а показано напряжение (верхний график) и переменный ток (нижний график) при входном напряжении 110 В и частоте 60 Гц. Коэффициент мощности, измеренный при 300-Вт нагрузке, оказался равным 0,999, а коэффициент нелинейных искажений (THD) — 1,7%. На рисунке 4б показано напряжение (верхний график) и переменный ток (нижний график) при входном напряжении 220 В и частоте 60 Гц. Коэффициент мощности, измеренный при 300-Вт нагрузке, оказался равным 0,991, а коэффициент нелинейных искажений — 2%. В таблице 1 приведены данные, полученные при измерении гармонических составляющих тока при входном напряжении 110 В, а в таблице 2 — при 220 В. Измерения проводились как при 60, так и при 50 Гц. БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕРВЕРОВ И ПК

Схема одного из таких блоков питания показана на рисунке 5, в которой входной безмостовой ККМпреобразователь вырабатывает промежуточное высокое постоянное напряжение 400 В для сохранения энергии в течение времени заданной задержки (20 мс). Именно для таких приложений компания TESLA разработала изолированный безнакопительный преобразователь (Isolated Storageless Converter), реализованный на основе метода безнакопительного преобразования энергии. Данный преобразователь характеризуется сверхмалыми размерами и очень высокой эффективностью. На рисунке 6а показана экспериментально полученная эффективность 600-Вт модели безнакопительного преобразователя с выходным напряжением 12 В, а на рисунке 6б приведены данные по потерям мощности того же преобразователя. В данном преобразователе используется только один магнитный элемент — развязывающий трансформатор, показанный на рисунке 6в. Такой трансформатор построен на основе двух ферритовых тороидальных сердечников с поперечным сечением 33 мм2, т.е. в сумме его сечение составляет всего 66 мм2, несмотря на низкую рабочую частоту переключения 68,5 кГц. Тип сердечника — EPCOSR20x10x7, и он изготавливается из материала N87 14/2/3. Другой уникальной особенностью безнакопительного преобразователя


ДВА ВЫХОДНЫХ БЕЗМОСТОВЫХ ККМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Одной из ранних систем передачи постоянного тока была трехпроводная система, предложенная Эдисоном, с одним нейтральным проводом, в котором нет тока. По сравнению с двухпроводными системами передачи постоянного тока в таких системах наблюдалось удвоение переданной мощности при том же количестве использованной меди, т.е. они являются более предпочтительными. Поскольку безмостовой ККМпреобразователь способен вырабатывать выходное постоянное напряжение как положительной, так и отрицательной полярности, его можно использовать в трехпроводных системах передачи постоянного тока. Из рисунка 1а видно, что при изменении полярности обоих выпрямителей CR1 и CR2 на противоположную постоянное напряжение на выходе преобразователя станет отрицательным. Для дальнейшего снижения размеров и веса, а также для повышения эффективности используют интеграцию двух отдельных преобразователей в один преобразователь с двумя выходами, имеющий одну катушку индуктивности L и один активный ключ S, как показано на рисунке 7. ТРЕХФАЗНЫЙ БЕЗМОСТОВОЙ ККМПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Трехфазная система передачи переменного тока Николы Тесла пришла на смену системе Эдисона и продемонстрировала гораздо более высокую эффективность при передаче электроэнергии на большие расстояния, полученную за счет использования трехфазного трансформатора, который повышает передаваемое напря-

жение до 400 кВ, что соответственно, позволило снизить ток передачи и потери в медных проводниках. Трехфазная система передач Теслы обладает уникальной особенностью, выделяющей ее среди других систем: несмотря на то, что каждая из фаз, сдвинутых на 120º друг относительно друга, характеризуется синусоидальным током и напряжением, что означает непрерывное изменение мгновенной мощности в ней, сумма мгновенных входных мощностей сбалансированной трехфазной системы передач остается всегда постоянной, т.е.: (6)

Эта особенность трехфазных систем передач, используемая в трехфазном безмостовом ККМпреобразователе (см. рис. 8), является огромным его достоинством. Каждый из трех безмостовых ККМпреобразователей, показанных на рисунке 1а, подсоединяется к соответствующей фазе одного из трехфазных входов, включенных по схеме

49 Рис. 4. Экспериментальные данные, полученные при измерении тока и напряжения. Напряжение обеспечивается лабораторным генератором синусоидальных сигналов: а) напряжение (верхний график) и переменный ток (нижний график) при входном напряжении 110 В, 60 Гц; б) напряжение (верхний график) и переменный ток (нижний график) при входном напряжении 220 В 60 Гц

Рис. 5. Блок питания для компьютерных серверов и персональных компьютеров, состоящий из безмостового ККМ-преобразователя и изолированного безнакопительного преобразователя

Электронные компоненты №11 2010

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

является использование вторичной обмотки. Она состоит из одного витка для получения выходного постоянного напряжения 12 В, что ведет к возбуждению в трансформаторе гораздо меньшего по величине магнитного потока, чем в традиционных преобразователях, которые требуют вторичной обмотки с числом витков не менее трех (эффективный прирост магнитного потока равен 4 В/виток), а также намного больших по размеру ферритовых сердечников, что связано с низкой рабочей частотой переключения. Очевидно, что, благодаря тороидальной структуре сердечника в трансформаторе не бывает смещения и, следовательно, при любом постоянном токе нагрузки в нем не бывает насыщения. К тому же повышается способность выдерживать перегрузки по току: максимальный ток в нагрузке на короткое время может превышать номинальный ток более чем в два раза.


а)

б)

«звезда», в то время как их выходы объединяются в общих точках, формируя выходное напряжение. При этом выходной земляной вывод подключается к нейтрали четырехпроводной трехфазной «звезды» из переменных входных напряжений. Выходная мощность определяется произведением выходного постоянного напряжения и тока и по определению является константой, задаваемой выражением (6), поскольку в линии передач переменного тока энергия не накапливается. Это ведет к тому, что хотя все выходные токи соответствующих однофазных безмостовых ККМ-преобразователей, обозначенные на рисунке 8 как i 01(t), i 02(t), и i 03(t), сами по себе меняются во времени, что видно из рисунка 9, их сумма благодаря сдвигу фаз на 120º между ними остается постоянной, формируя постоянный ток нагрузки I 0 и постоянную мощность Р, задаваемую выражением (6). Отметим, что в данном случае нет необходимости применять выходной конденсатор. Выходной ток определяется следующим выражением: (7)

в)

Рис. 6. Экспериментальные данные, полученные при тестировании 600-Вт модели изолированного безнакопительного преобразователя, который обеспечивает выходное напряжение 12 В при токе нагрузки 50 А и рабочей частоте 68,5 кГц: а) эффективность при изменении тока нагрузки; б) потери мощности в том же самом диапазоне изменения тока нагрузки; в) трансформатор, использующийся для развязки цепей в 600-Вт модели

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

50

Рис. 7. Безмостовой ККМ-преобразователь с двумя выходами: положительной и отрицательной полярности, с общей катушкой индуктивности и общим управляющим ключом, что позволяет снизить размеры, вес и стоимость, а также повысить эффективность

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Следует отметить, что в традиционной трехфазной схеме выпрямления, реализованной на основе шести токовых выпрямителей, для сглаживания пульсаций результирующего выпрямленного напряжения необходимо применять пропорционально большой выходной конденсатор. СВЯЗЬ С ПОСЛЕДУЮЩИМИ ПОКОЛЕНИЯМИ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Устройства преобразования солнечной энергии вырабатывают постоянный ток, и уже сегодня стоит задуматься о следующих поколениях линий передач постоянного тока, способных работать с высокими постоянными напряжениями. Очевидно, что такие линии передач будут иметь максимальную эффективность при использовании трехпроводной системы передачи постоянного тока с нейтралью или землей, допускающей передачу на большие расстояния как отрицательных, так и положительных постоянных напряжений. Трехфазный безмостовой ККМпреобразователь, показанный на рисунке 8, был бы идеальным посредником между трехфазной системой передачи переменного тока и будущими поколениями систем передач постоянного тока. Следует отметить, что трехфазный безмостовой ККМпреобразователь обладает теми же достоинствами, что и однофазный


а)

б)

в)

51 г)

Рис. 10. Однокаскадный изолированный безмостовой ККМ-преобразователь

безмостовой ККМ-преобразователь, показанный на рисунке 7, только он преобразует энергию в трехпроводную систему передачи постоянного тока.

ЛИТЕРАТУРА 1. http://powerelectronics.com/power_ management/regulator_ics/true-bridgelesspfc-converter-part2-201008/.

Рис. 9. Составляющие постоянного тока нагрузки преобразователя, показанного на рисунке 8: а) ток нагрузки, соответствующий входному току фазы 1; б) ток нагрузки, соответствующий входному току фазы 2; в) ток нагрузки, соответствующий входному току фазы 3; г) суммарный ток нагрузки, определяющийся токами входных фаз. Постоянные составляющие этих токов складываются для получения постоянного тока нагрузки Iо, тогда как сумма переменных составляющих становится равной 0 благодаря сдвигу фаз на 120º в трехфазной системе

Электронные компоненты №11 2010

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Рис. 8. Трехфазный безмостовой ККМ-преобразователь, не требующий использования большого выходного конденсатора


ИС ПЕРЕДАТЧИКА И ПРИЕМНИКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ СТАНДАРТА LVDS ВЛАДИМИР ТРАСКОВСКИЙ, ведущий конструктор, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «Интеграл» ЮРИЙ ТРУХАН, инженер-разработчик, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «Интеграл» .

В статье описаны интегральные микросхемы (ИС) двойного назначения счетверенного линейного передатчика 5560ИН1Т и счетверенного линейного приемника 5560ИН2Т стандарта LVDS, приведены их параметры и представлена информация по применению. Стандарт LVDS позволяет выпускать разнообразные решения дифференциального интерфейса, способного поддерживать скорость передачи до 1 Гбит/с на расстояния до 10 м. LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (типовое значение 350 мВ) по двум линиям печатной платы или сбалансированному кабелю. В сравнении с обычными однопроводными системами дифференциальный метод благодаря ослаблению синфазного сигнала обеспечивает лучшую помехоустойчивость и, соответственно, работу при меньших значениях напряжения, меньшую потребляемую мощность, меньшую чувствительность к электромагнитным помехам и большую скорость передачи. LVDS-интерфейсы описываются стандартами: TIA/EIA-644, TIA/EIA-644A и TIA/EIA-899. TIA-644 — общий стандарт. Он описывает электрическую часть интерфейса — выходные и входные параметры приемопередающих устройств. Стандарт

определяет рекомендуемую максимальную скорость передачи — 655 Мбит/c (при определенных граничных условиях) и теоретическую скорость — 1923 Мбит/c при использовании линии с нулевыми потерями. Максимальная скорость передачи определяется в зависимости от требуемого качества сигнала на приемном конце и типа и длины используемой среды передачи. При этом потребляемая мощность значительно меньше, чем требуют интерфейсы предыдущих поколений (стандартов RS-422, RS-485). LVDS-интерфейсы заменяют PECLустройства, характеризующиеся высоким быстродействием, но и большими энергозатратами и шумами, в ASIC и АЦП для телекоммуникационных систем. При этом многие LVDSприборы совместимы по разводке выводов с существующими компонентами интерфейсов стандартов RS-422, PECL и LVPECL. Устойчивый спрос на этот вид изделий обусловлен их технико-экономическими параметрами. В первую очередь — низким

МК И DSP

52

Рис. 1. Схемы защиты портов микросхем от статического электричества для: а) входов данных передатчика; б) разрешающих входов передатчика и приемника; в) входов данных приемника; в) выходов передатчика и приемника

WWW.ELCP.RU

потреблением мощности (при работе микросхемы с частотой 200 МГц рассеиваемая мощность составляет всего 25 мВт на канал), высокой скоростью передачи информации в линию с длиной до 5 м, что найдет широкое применение в быстродействующих системах для передачи информации между платами. В ОАО «Интеграл» разработаны и освоены цифро-аналоговые ИС двойного назначения счетверенного линейного передатчика 5560ИН1Т и счетверенного линейного приемника 5560ИН2Т последовательных данных стандарта LVDS. Аналогом микросхемы передатчика является SN55LVDS31W, приемника — SN55LVDS32W компании Texas Instruments. На территории СНГ микросхемы для работы со сверхскоростным дифференциальным интерфейсом LVDS ранее не производились. ИС приемника 5560ИН2Т и передатчика 5560ИН1Т работоспособны в диапазонах напряжений питания 3…3,6 В и температуры –60…125°C. Входы, выходы микросхем 5560ИН1Т, 5560ИН2Т устойчивы к воздействию статического электричества на уровне не менее 2000 В. Элементы защиты от статического электричества входов, выходов приведены на рисунке 1. По электрическим параметрам, предельным и предельнодопустимым режимам эксплуатации микросхемы полностью соответствуют зарубежным аналогам, а по диапазону температур и уровню устойчивости к специальным внешним воздействиям превосходят их. Входы данных и управления микросхем передатчика, приемника, а в третьем состоянии выходы микросхемы передатчика допускают режим превышения напряжения питания. Электрическая схема защиты от статического электричества разработана на основе закрытого биполярного n-p-n-транзистора с типовым пробивным напряжением около 7 В.


Рис. 4. Схема дифференциальных входов данных приемника с элементом защиты

Рис. 2. Блок-схема счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом

Рис. 3. Блок-схема счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом

Блок-схема счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом приведена на рисунке 2, назначение выводов ИС передатчика описано в таблице 1. На входы A передатчика приходят сигналы с уровнями КМОП/ТТЛ. В цифровой части схемы происходит расщепление сигнала на прямой и инверсный. В аналоговой части схемы между прямым Y и инверсным Z выходами передатчика формируются дифференциальные сигналы, соответствующие уровням стандарта LVDS. В таблице 2 приведены основные параметры передатчика. Блок-схема счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом приведена на рисунке 3, назначение выводов ИС приемника описано в таблице 3. На прямой A и инверсный B входы приемника приходят дифференциальные сигналы стандарта LVDS.

В аналоговой части схемы на основе двухкаскадного дифференциального усилителя происходит детектирование сигнала и его преобразование в униполярный. На выходе приемника Y формируется сигнал с уровнями напряжения, совместимыми с уровня-

Номер вывода 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16

Наименование вывода Вход 1-го передатчика Прямой выход 1-го передатчика Инверсный выход 1-го передатчика Вход управления Инверсный выход 2-го передатчика Прямой выход 2-го передатчика Вход 2-го передатчика Общий вывод Вход 3-го передатчика Прямой выход 3-го передатчика Инверсный выход 3-го передатчика Инверсный вход управления Инверсный выход 4-го передатчика Прямой выход 4-го передатчика Вход 4-го передатчика Вывод питания от источника напряжения

Обозначение 1A 1Y 1Z G 2Z 2Y 2A GND 3A 3Y 3Z G 4Z 4Y 4A Ucc

Таблица 2. Значения параметров и режимы работы счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом (Та = –60…125°С, Ucc = 3,0…3,6 В) Норма ОбознаУсловия измерения чение Мин. Макс. Дифференциальное выходное напряжение передатчика, мВ |UOD| RL = 100 Ом 247 454 RL = 100 Ом –50 50 Разность выходных дифференциальных напряжений, мВ Δ|UOD| Выходное напряжение смещения передатчика относительUOC RL = 100 Ом 1,125 1,375 но общего вывода, В Разность выходных напряжений смещений передатчика RL = 100 Ом –50 50 ΔUOC относительно общего вывода, мВ Размах выходного напряжения смещения относительно UOC(PP) RL = 100 Ом, CL = 10 пФ 150 общего вывода при переключении, мВ UI = 0,8 В или 2 В, без нагруз– 20 ки, активный режим UI = 0,8 В или 2 В, RL = 100 Ом, Статический ток потребления, мА Icc – 35 активный режим UI = 0 В или Ucc В, выход – 1 в третьем состоянии UIH = 2 В – 20 Входной ток высокого уровня, мкА IIH Входной ток низкого уровня, мкА IIL UIL = 0,8 В – 10 UO(Y) = 0 В или UO(Z) = 0 В – –24 Выходной ток короткого замыкания, мА IOS –12 12 UOD = 0 В UO = 0 В или 2,4 В –1 1 Выходной ток третьего состояния передатчика, мкА IOZ Ucc = 0 В, UO = 2,4 В –4 4 Выходной ток при выключенном питании, мкА IO(off ) 0,5 4 Время задержки распространения сигнала при выключении, нс tPLH Время задержки распространения сигнала при включении, нс tPHL 1 4,5 Длительность фронтов нарастания и спада дифференциальCL = 10 пФ, tR, tF – 1 ного выходного сигнала, нс R = 100 Ом L Разность задержек распространения сигналов передатчика tSK(D) – 0,6 |tPLH – tPHL|, нс Разность задержек распространения сигналов между каналами tSK(O) – 0,6 Время переключения из состояния «выключено» в высокий – 15 tPZH уровень, нс Время переключения из состояния «выключено» в низкий – 15 tPZL RL = 100 Ом, уровень, нс Время переключения с высокого уровня в состояние CL = 10 пФ tPHZ – 17 «выключено», нс Время переключения с низкого уровня в состояние tPLZ – 15 «выключено», нс Параметр, единица измерения

Электронные компоненты №11 2010

53 МК И DSP

Таблица 1. Назначение выводов ИС счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом

ми КМОП/ТТЛ. На рисунке 4 представлена схема дифференциальных входов данных приемника с элементом защиты. В таблицах 4, 5 приведены основные параметры приемника. В таблице 6 показаны входные тестируемые пороговые напряжения приемника. Схема сопряжения передатчика и приемника для систем связи типа «точка-точка» показана на рисунке 5. В линии между прямым и инверсным входами приемника в непосредственной близости к приемнику (насколько это возможно) подключается согласующий терминальный резистор величи-


Таблица 3. Назначение выводов ИС счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом Номер вывода 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16

МК И DSP

54

Наименование вывода Инверсный вход 1-го приемника Прямой вход 1-го приемника Выход 1-го приемника Вход управления Выход 2-го приемника Прямой вход 2-го приемника Инверсный вход 2-го приемника Общий вывод Инверсный вход 3-го приемника Прямой вход 3-го приемника Выход 3-го приемника Инверсный вход управления Выход 4-го приемника Прямой вход 4-го приемника Инверсный вход 4-го приемника Вывод питания от источника напряжения

Обозначение 1B 1A 1Y G 2Y 2A 2B GND 3B 3A 3Y G 4Y 4A 4B Ucc

ной 100 Ом. При типовом выходном токе передатчика, равном 3,5 мА, в линии формируется дифференциальное напряжение около 350 мВ, которое детектируется приемником, при этом, в виду высокого сопротивления приемника, его влияние на согласующий резистор не принимается во внимание. В случае изменения направления тока в линии в режиме переключения изменяется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, что позволяет различать состояния логического нуля и логической единицы. Микросхемы последовательных данных стандарта LVDS 5560ИН1Т, 5560ИН2Т предназначены для работы в конфигурации «точка-точка». Стандарт LVDS предусматривает также возможность многоточечной конфигурации, при этом данные передаются однонаправленно. Существует расширение стандарта Bus LVDS, позволяющее осуществить полудуплексную передачу данных в многоточечной конфигурации. В микросхемах предусмотрена возможность переключения в режим с пониженным энергопотреблением, когда на вход управления G (вывод 4) подается уровень логического нуля, а на инверсный вход управления G (вывод 12) — уровень логической единицы (соответствует режиму третьего состояния). Устойчивую работу микросхемы счетверенного линейного приемника в случае отсутствия сигналов на входах А, В обеспечивает блок переключения выхода в состояние логической единицы (блок Fail-Safe). На входах приемников сигнал может отсутствовать, если выход передатчика находится в высокоимпеданс-

WWW.ELCP.RU

Рис. 5. Схема сопряжения «точка-точка» передатчика и приемника стандарта LVDS Таблица 4. Значения параметров и режимы работы счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом (Та = –60…125°С, Ucc = 3,0…3,6 В) Параметр, единица измерения Входное минимальное дифференциальное пороговое напряжение высокого уровня, мВ Входное минимальное дифференциальное пороговое напряжение низкого уровня, мВ Выходное напряжение высокого уровня, В Выходное напряжение низкого уровня, В

Норма ОбознаУсловия измерения чение Мин. Макс. UITH+ 1

См. табл. 6

100

UITH– 1

См. табл. 6

–100

UOH UOL

Статический ток потребления, мА

ICC

Входной ток приемника (входы A или B), мкА

II

Входной ток приемников при выключенном питании (входы A или B), мкА Входной ток высокого уровня входов управления, мкА Входной ток низкого уровня входов управления, мкА Выходной ток 3-го состояния приемника, мкА Время задержки распространения сигнала при выключении, нс Время задержки распространения сигнала при включении, нс Время переключения из высокого уровня в состояние «выключено», нс Время переключения из низкого уровня в состояние «выключено», нс Время переключения из состояния «выключено» в высокий уровень, нс Время переключения из состояния «выключено» в низкий уровень, нс 1

IOH = –8 мА 2,4 IOL = 8 мА – Активный режим, без нагрузки – Выход в третьем состоянии – UI = 0 В –2 –1,2 UI = 2,4 В

– 0,4 18 0,5 –20 –

II(OFF)

Ucc = 0 В, UI = 2,4 В

20

IIH IIL IOZ tPLH tPHL

UIH = 2 В UIL = 0,8 В UO = Ucc или 0 В

– – –12 1,3 1,4

10 10 12 6 6,1

12

12

tPZH

14

tPZL

12

CL = 10 пФ

tPHZ tPLZ CL = 10 пФ

|UITH| = 200 мВ при температуре –60°С.

Таблица 5. Типовые значения электрических параметров (все параметры приведены для Ta = 25°C, Ucc = 3,3 В) Параметр, единица измерения Разность задержек распространения между каналами, нс Длительность фронта нарастания выходного сигнала, нс Длительность фронта спада выходного сигнала, нс

Обозначение

Условия измерения

tSK(O) tR tF

CL = 10 пФ

Типовое значение 1 0,6 0,7

Таблица 6. Минимальное и максимальное входное тестируемое пороговое напряжение Входное напряжение Дифференциальное входВход А, UIA, В Вход В, UIB, В ное напряжение, UID, мВ 1,25 1,15 100 1,15 1,25 –100 2,4 2,3 100 2,3 2,4 –100 0,1 0 100 0 0,1 –100 1,5 0,9 600 0,9 1,5 –600 2,4 1,8 600 1,8 2,4 –600 0,6 0 600 0 0,6 –600

Входное напряжение относительно общего вывода, UIC, В 1,2 1,2 2,35 2,35 0,05 0,05 1,2 1,2 2,1 2,1 0,3 0,3


Рис. 7. Типовая схема подключения внешних элементов к микросхеме счетверенного линейного приемника с дифференциальным входом

ном третьем состоянии или линия разомкнута. Типовая скорость передачи данных 400 Мбит/с. Микросхемы изготавливаются в 16-выводных металлокерамических корпусах типа 402.16 — 32.01. В процессе проектировании быстродействующих систем обмена информацией на основе микросхем 5560ИН1Т,

5560ИН2Т разработчики должны использовать печатные платы не менее чем с четырьмя уровнями металлизации: первый уровень предназначен для сигналов LVDS, второй — для плоскости общей шины, третий — для плоскости шины питания и четвертый — для сигналов КМОП/ТТЛ. Данный подход позволяет минимизировать влияние

НОВОСТИ ПЛИС И СБИС | ПЛИС В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ФИНАНСОВОГО АНАЛИЗА | Компании ACTIV Financial и Wall Street FPGA начали работать с поставщиками универсальных алгоритмов на уровне плат, что позволило облегчить интеграцию изделий в решения для биржевых залов. Для биржевых систем компания ACTIV Financial поставляет несколько программных продуктов, отслеживающих, например, состояние биржевых котировок. Компания Wall Street FPGA поставляет инструменты для анализа на базе шасси PXI компании National Instruments с использованием ПЛИС Virtex-5 компании Xilinx. Преимущество продукции компании заключается в поддержке протоколов Synchronous Ethernet и IEEE1588v2, что ускоряет синхронизацию в системах финансового анализа. Интерес системных интеграторов к использованию ПЛИС, возможно, свидетельствует о том, что программируемая логика становится самым перспективным типом ИС для данного сектора рынка. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №11 2010

55 МК И DSP

Рис. 6. Типовая схема подключения внешних элементов к микросхеме счетверенного линейного передатчика с дифференциальным выходом

перекрестных помех между сигналами с уровнями КМОП/ТТЛ и LVDS с резкими (< 1,0 нc) фронтами нарастания и спада. Экранирующие плоскости общей шины и шины питания выполняют также функцию дополнительной высокочастотной развязывающей емкости, эффективность которой будет выше, если плоскости будут располагаться на минимальном расстоянии. На рисунках 6 и 7 приведены схемы подключения внешних элементов к микросхемам счетверенного передатчика и счетверенного приемника. Между выводами земли и питания подключаются высокочастотные конденсаторы для поверхностного монтажа емкостями 0,1 и 0,001 мкФ, материал конденсаторов — керамика, слюда или полистирол. Рекомендуется устанавливать конденсаторы как можно ближе к выводу питания для уменьшения паразитных эффектов и улучшения частотной характеристики, на расстоянии не более 6 мм.


СИСТЕМЫ С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ. ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ ТОНИ АРМСТРОНГ (TONY ARMSTRONG), директор по маркетингу направления силовой продукции, Linear Technology

В статье рассматриваются перспективы использования систем с накоплением энергии как альтернативных источников энергии. Рассказывается о новых микросхемах автономных источников питания на примере продукции Linear Technology.

Несмотря на то, что идея создания систем с накоплением энергии давно витает в воздухе, реальное их воплощение до сих пор является делом довольно трудным и сложным, а потому дорогим. Тем не менее есть много применений, где уже используются достижения в области систем накопления энергии, а именно — в инфраструктуре перевозок, в работе беспроводных медицинских приборов и устройств измерения давления в шинах автомобилей, в системах автоматизации зданий. В последнем случае, например, используются датчики присутствия, термостаты и фотореле, которые не требуют более силовых и сигнальных проводов, потому что вместо них применяются системы с накоплением энергии. Таким же образом и беспроводная сеть, в которой используются принципы действия систем с накоплением энергии, может объединить любое количество датчиков в здании для удешевления работы систем HVAC и освещения, отключая их в определённых помещениях, когда там никого нет. Кроме того, стоимость компонентов системы с накоплением энергии зачастую дешевле прокладки проводов, и экономический эффект от внедрения таких систем очевиден. Тем не менее многие преимущества сети беспроводных датчиков теряются, если к каждому датчику подводить собственный внешний источник питания. И хотя разработки в области традиционных систем питания уже позволили электронным устройствам работать большее количество времени при той же потребляемой мощности, всё равно это время ограничено. Другое дело — системы с накоплением энергии, которые обеспечивают возможность

питания узлов сетей беспроводных датчиков путем преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию без использования внешнего источника питания. СИСТЕМЫ С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ И/ИЛИ УЗЛЫ БЕСПРОВОДНЫХ ДАТЧИКОВ

Типовую конфигурацию системы с накоплением энергии на примере узла беспроводного датчика можно представить в виде четырех блоков (см. рис. 1): 1) источник энергии окружающей среды; 2) первичный преобразователь; 3) чувствительный элемент, соединяющий весь узел с физическим миром, а также вычислительная часть, состоящая из микропроцессора или микроконтроллера, который производит вычисление измеренных данных и сохранение их в памяти; 4) блок связи, состоящий из маломощного радиопередатчика для беспроводного обмена информацией с соседними узлами и внешним миром. Примерами источников энергии окружающей среды могут быть термоэлектрические генераторы (ТЭГ) и набор термоэлементов, имеющих тепловой контакт с источником тепла (например, с трубопроводом системы нагревания вентиляции и кондиционирования), пьезоэлектрический преобразователь, имеющий механический контакт с источником вибрации (например, с оконным стеклом). Полученное от первичного преобразователя электричество можно преобразовать до нужного напряжения и питать им остальные части рассматриваемой схемы. Факторы, определяющие энергопотребление систем с накоплением

Рис. 1. Структурная схема системы с накоплением энергии на примере узла беспроводного датчика

Электронные компоненты №11 2010

57 Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е И У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

ВВЕДЕНИЕ

С появлением электронных устройств с потребляемой мощностью несколько микроватт стало возможным обеспечивать их электропитание от нетрадиционных источников энергии. Для этой цели используются системы с накоплением энергии, дополняющие или даже заменяющие батареи в случаях, когда батарейное питание является неудобным, непрактичным, дорогим или даже опасным техническим решением. Системы с накоплением энергии уменьшают требуемое количество проводов для передачи энергии или данных. Они могут обеспечить питание сетей беспроводных интеллектуальных датчиков для контроля и оптимизации комплексных промышленных процессов управления, удалённых приборов и систем обогрева зданий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха (так называемых HVAC-систем). Для выполнения полезной работы может быть использована энергия технологических процессов, солнечная энергия или энергия двигателей внутреннего сгорания. Источниками энергии в окружающей среде могут быть свет, тепло, механическая вибрация, а также излучаемые ВЧ-сигналы или любой другой источник, энергия которого может быть преобразована в электрическую. Для этой цели используют различные преобразователи, например, термоэлектрический генератор (ТЭГ) для преобразования градиента температур, пьезоэлектрический элемент для преобразования вибраций, фотогальванический элемент для преобразования солнечного или искусственного света. Даже перепад влажности может быть преобразован в электрическую энергию. Эти, так называемые «бесплатные», источники энергии могут быть использованы для организации автономного электропитания электронного оборудования и компонентов.


энергии на примере узла беспроводного датчика, сведены в таблицу 1. Универсальным показателем, харак теризующим работу системы с накоплением энергии, является его удельная мощность. Первичный преобразователь является маломощным устройством, поэтому в автономных системах питания используется принцип накопления. Накопитель вторичной мощности (батарея или конденсатор) обеспечивает необходимый уровень мощности в нагрузке в моменты максимального потребления, а всё остальное время накопитель заряжается. Наиболее интересным и перспективным применением автономных систем питания, использующих принцип накопления энергии, являются беспроводные датчики в системах автоматизации зданий. В качестве примера рассмотрим структуру потребления электричества в США. Здания потребляют больше всего электричества и расходуют 38% суммарно потребляемой энергии. Такая величина является довольно близкой к соответствующим величинам в промышленности и на транспорте (28% в каждом из названных сегментов экономики). Здания можно условно разделить на коммерческие и жилые, кото-

Уровень сложности работающих совместно с датчиками компонентов Количество измерений в единицу времени

Таблица 2. Типы первичных преобразователей, их удельная мощность и возможные применения при данных условиях

Факторы, определяющие энергопотребление Токи саморазряда Габариты батареи Источник питания Напряжение питания (или батарея) Тип материала электрода КПД преобразования Принцип преобразования физической величины в электрический сигнал

НОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ

Микросхема LTC3109 — это импульсный преобразователь, а также устрой-

Сжатие сигнала

58 Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е И У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ С НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ

и преобразователей, которые могут обеспечить минимальный необходимый уровень мощности в условиях низкоэнергетической окружающей среды. К счастью, недорогие и маломощные датчики и микроконтроллеры доступны уже более двух лет. Однако лишь относительно недавно стали доступны маломощные передатчики. И, тем не менее, самым слабым звеном был и пока остаётся первичный преобразователь. Существующие на сегодня автономные источники показаны на рисунке 1. Как правило, практические схемы автономных источников состоят из дискретных элементов, которых в схеме около 30. Такая реализация имеет низкий КПД и большую величину тока потребления. Это приводит к компромиссному и ограниченному применению подобных решений в конечном изделии. Низкий КПД преобразования приводит к увеличению времени, необходимого для питания самого автономного источника, что, в свою очередь, увеличивает интервалы времени между, например, снятием и передачей информации рассматриваемым узлом беспроводного датчика. Высокий ток потребления оговаривает минимально необходимую мощность первичного преобразователя: автономному источнику для нормального функционирования нужно самому потреблять мощность. Автономные источники питания на основе систем с накоплением энергии — это та область, которую новинки компании Linear Technology LTC3109 и LTC3588-1 могут вывести на принципиально новый уровень.

Современные наработки в области производства первичных преобразователей автономных источников питания с накоплением энергии на основе пьезоэлементов или фотогальванических преобразователей позволяют автономным источникам питания работать с уровнями мощности в несколько милливатт в обычных условиях. Такие уровни мощности могут показаться слишком малыми, однако работа автономных источников демонстрирует, что данные технологии могут успешно соперничать с «долгоиграющими» батарейками в качестве источника питания как в части технических характеристик, так и по удельной стоимости. Кроме того, автономный источник питания восстанавливает свою работоспособность даже при полном истощении накопительного конденсатора, в то время как полностью разряженная батарейка должна быть заменена на новую. В таблице 2 сопоставлены уровни получаемой мощности и аппаратура, которую можно питать такой мощностью. Успех применения автономных источников питания тесно связан с наличием в свободном доступе микроконтроллеров с малым потреблением

Таблица 1. Факторы, определяющие энергопотребление систем с накоплением энергии, на примере узла беспроводного датчика

Датчики

рые расходуют соответственно 17 и 21% энергии. Величину 21% (потребление электроэнергии жилыми зданиями) можно условно разделить и на другие составляющие, среди которых обогрев и охлаждение составляют 76% всего энергопотребления жилыми зданиями. По прогнозам, к 2030 г. потребление электроэнергии удвоится. Таким образом с помощью систем автоматизации зданий может быть достигнута 30-% экономия электроэнергии.

Частота дискретизации АЦП

Наличие/отсутствие эффекта наложения спектров

Первичный преобразователь Малогабаритные солнечные батареи

Типовой производимый уровень удельной мощности

Типовое применение

100 мВт/см2 (прямой солнечный свет) Портативные электронные приборы

Разрядность Тактовые частоты ядра

Малогабаритные солнечные батареи

100 мкВт/см2 (непрямой солнечный свет)

Портативные электронные приборы

ТЭГ (устройство на эффекте Зеебека, которое преобразует энергию тепла в электричество)

10 мкВт/см2 (температура тела)

Удалённые беспроводные датчики

Уровни цифровых сигналов

Микропроцессор

Зависимость потребляемой мощности от вычислительной ёмкости задачи Температура окружающей среды Прикладные программы (их наличие/ отсутствие и тип)

10 мВт/см2 (вытяжки печей)

Удалённые беспроводные исполнительные устройства

Пьезоэлектрические приборы (преобразуют энергию деформации в электричество)

100 мкВт/см2

Портативные электронные устройства или удалённые беспроводные исполнительные устройства

ВЧ-энергия от антенны

100 пВт/см2

Удалённые беспроводные датчики

ТЭГ, продолжение

Применение периферийных устройств Тип и схема модуляции Передатчик

Скорость передачи данных Дальность передачи данных Рабочий цикл/скважность

WWW.ELCOMDESIGN.RU


Рис. 2. Типовая схема включения LTC3109

Рис. 3. Типовая схема включения LTC3588

Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е И У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

60

ство распределения мощности между нагрузкой и накопительным конденсатором. Главной особенностью данной микросхемы является высокая степень интеграции. ИС может запасать и потом распределять энергию, полученную от первичного преобразователя, например ТЭГ, термоэлементов и даже солнечных батарей небольшого размера. Ещё одной особенностью является возможность работы от предельно низкого минимального входного напряжения без учёта полярности: 30 мВ. В устройстве (см. рис. 2) используются два компактных повышающих трансформатора для увеличения амплитуды входного напряжения микросхемы, которая представляет собой законченное решение для преобразования и распределения мощности в системах питания беспроводных датчиков и передачи информации. Микросхема питается даже при небольшой разности температур (в данном случае) и способна преобразовывать полученную энергию в необходимое напряжение питания. Таким образом, ею можно заменить традиционные батареи. Для малых входных напряжений (порядка 30 мВ) рекомендованное соотношение витков трансформатора составляет 1 : 100. При больших входных напряжениях можно использовать меньшее соотношение для получения большей выходной мощности. Эти трансформаторы являются стан-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

дартными. Их производит, например, Coilcraft. Микросхема LTC3109 достигает «системного уровня» при решении комплексной проблемы. При наличии входного напряжения происходит заряд конденсатора, подключенного к выходу Vaux, а кроме этого формируются напряжения и на других выводах микросхемы. Встроенный линейный стабилизатор с малым прямым падением и выходным напряжением 2,2 В может обеспечить питание маломощного процессора или любой другой маломощной микросхемы. Стабилизатор получает питание от выхода Vaux или от Vout. Такое решение позволяет обеспечить работоспособность автономного источника питания, как только напряжение на конденсаторе, подключенном к Vout, достигнет 2,3 В даже в случае, когда накопительный конденсатор, подключенный к выходу Vout, продолжает заряжаться. При импульсном характере потребления тока нагрузки по выходу стабилизатора ток может быть получен и от конденсатора, подключенного к выводу Vout, если напряжение на выводе Vaux меньше напряжения на выводе Vout. Стабилизатор обеспечивает ток нагрузки до 3 мА. Накопительный конденсатор, подключенный к выводу Vstore, может иметь очень большую величину (тыся-

чи мкФ или даже несколько фарад). Это необходимо для обеспечения работы устройств в момент времени, когда входное напряжение пропадает. По завершении заряда конденсаторов (режим Power up) выходы Main, Back up и Sw готовы к работе. При пропадании входного напряжения питание уже подключенных к микросхеме устройств обеспечивается благодаря конденсатору, подключенному к выводу Vout. Микросхема LTC3588-1 (схема включения показана на рисунке 3) представляет собой систему с накоплением энергии, оптимизированную для работы с маломощными первичными преобразователями, включая преобразователи пьезоэлектрического типа. Пьезоэлектрические преобразователи производят энергию за счёт деформации и могут обеспечить до 100 мкВт/см2 в зависимости от габаритов и конструкции. Следует заметить, что пьезоэффект является обратимым, т.е. материалы, обладающие прямым эффектом (генерирующие электричество при деформации), обладают и обратным эффектом (деформируются под воздействием электричества). Микросхема LTC3588-1 работает в диапазоне входных напряжений 2,7…20 В, что делает её привлекательной для совместной работы с различными пьезоэлектрическими преобразователями, а также с другими высокоомными первичными преобразователями. Встроенный импульсный преобразователь с высоким КПД обеспечивает ток в нагрузке до 100 мА в непрерывном режиме или даже выше, но при импульсном характере тока нагрузки. Допускается установка одного из четырёх выходных напряжений (1,8; 2,5; 3,3 или 3,6 В) для питания беспроводного передатчика или датчика сигналов. Ток потребления составляет 950 нА при отсутствии нагрузки, что увеличивает КПД в целом. Особенностью микросхемы LTC3588-1 является наличие встроенного параллельного стабилизатора, который позволяет подавить всплески входного напряжения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автономный источник электропитания на основе системы с накоплением энергии — это ключевой аспект в построении систем удалённых беспроводных датчиков. Источник такого типа следует разрабатывать в первую очередь при проектировании устройств с автономным питанием. В этом случае обеспечивается высокая эффективность и надёжность проектируемого или разрабатываемого устройства.


СЕТЕВАЯ И ХОСТ-ОБРАБОТКА ДАННЫХ: ЧТО ЛУЧШЕ? ХИЛАД ШЕЙНЕР (GILAD SHAINER), старший директор, Mellanox Technologies В статье рассматриваются два типа решений — с сетевой и хостобработкой данных. Тестирование решений с сетевой обработкой показало, что они позволяют масштабировать высокопроизводительную систему, улучшают ее рабочие характеристики и производительность. Напротив, решения с сетевой обработкой данных могут отрицательно повлиять на эффективность работы системы и не рекомендуются в случае определенных ограничений.

СРАВНЕНИЕ СЕТЕВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ХОСТ-ОБРАБОТКОЙ

Решения, обеспечивающие возможности подключения к сети, можно отнести к нескольким категориям: стандартные (например, InfiniBand и Ethernet) или патентованные (например, SeaStar

and Quadrics), с высокой или низкой скоростями, а также с сетевой или хостобработкой данных. В решениях, обеспечивающих сетевую обработку данных, весь сетевой трафик управляется сетевой интерфейсной платой или адаптером, отвечающим за обработку ошибок, повторную передачу данных для обеспечения их надежной отправки и другие сложные функции передачи сообщений, например MPI (Message Passing Interface — интерфейс передачи сообщений). Хост-обработка данных основана на использовании центрального процессора (ЦП), который выполняет любые задачи, связанные с передачей данных между серверами или серверами и запоминающими устройствами. ЦП также занимается сбором данных, созданием пакетов, контролем трафика, обеспечивает надежность, трансляцию из физической памяти в виртуальную и т.д. В КАКИХ СЛУЧАЯХ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ РЕШЕНИЯ С ХОСТ-ОБРАБОТКОЙ?

Решения с хост-обработкой упрощают построение системы. Поскольку все сетевые процессы выполняются хостом, адаптеру требуется лишь мост между интерфейсом хоста (которым, чаще всего, выступает PCI-Express), сетевым интерфейсом (InfiniBand, Ethernet и т.д.) и защитным буфером. Никакая другая технология не обеспечит более экономичного решения, однако самый существенный недостаток такой системы связан с ее масштабируемостью и производительностью. Чем выше непроизводительные издержки ЦП, тем меньше времени он расходует на пользовательские приложения, что снижает производительность системы и ее масштабируемость. Сравним, например, архитектуры систем Ethernet и InfiniBand из списка Top500. Поскольку в Ethernet-решениях требуется, чтобы ЦП управлял протоколом TCP, их эффективность в среднем составляет лишь 50%, в то время как эффективность InfiniBand-систем достигает 96% за счет максимального увеличения циклов ЦП для решения задач пользовательских приложений.

РЕШЕНИЯ С СЕТЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ

Решения с сетевой обработкой данных исключают непроизводительные издержки ЦП, связанные с поддержкой взаимодействия между процессами, обеспечением надежности передачи данных, защитой процессов, сегментацией данных, повторной сборкой пакетов и т.д. Более того, только эти решения позволяют противодействовать шуму и джиттеру, которые сказываются на характеристиках системы и ее масштабируемости (например, путем разгрузки MPI), а также совмещать в сервере вычислительные процессы с передачей сообщений. Коды моделирования в научных исследованиях часто используют коллективную связь. Сети с хостобработкой, как правило, включают средства программирования специального назначения и имитацию возможных затруднений. С ростом потребности в большей производительности и масштабируемости возникает спрос на решения с сетевой обработкой данных, позволяющие работать большому числу ядер ЦП и максимально повысить вычислительные возможности платформы. Системы с хост-обработкой требуют более сложной технологии реализации сетевого адаптера. По этой причине не многие поставщики решений обладают должными знаниями и возможностями создания сетей с хост-обработкой. ВРЕМЯ ОЖИДАНИЯ СИСТЕМЫ

Пользовательские приложения нуждаются в защите данных. Необходимо обеспечить такой механизм их перемещения, чтобы данные одного процесса по ошибке не заместили в памяти данные другого процесса и не разрушили их. Такой механизм может обеспечить хост-процессор в пространстве ядра или сетевой адаптер. В первом случае все пользовательские данные копируются перед отправкой. Копирование больших объемов данных может отрицательно сказаться на качестве работы системы, например,

Электронные компоненты №11 2010

61 МК И DSP

Тактовые частоты блока ЦП за последние несколько лет не изменились, что повлекло за собой увеличение числа используемых ЦП в высокопроизводительных системах. Размеры систем быстро меняются: например, в ноябре 2009 г. вычислительные системы из списка Top500 насчитывали в среднем 134 893 ядра, причем пять из них — более 100 тыс. ядер. Такой быстрый рост размеров системы и соответствующее увеличение количества вычислительных элементов, используемых для решения единственной задачи, повышает необходимость усовершенствования тех характеристик приложения, которые препятствуют его масштабированию. Технология InfiniBand, обеспечивающая малую задержку, широкую полосу передачи и малые непроизводительные издержки ЦП, стала наиболее востребованной в решениях, приходящих на смену патентованным системам с низкой производительностью. Архитектура InfiniBand (IBA), соответствующая отраслевому стандарту, обеспечивает высокую масштабируемость и эффективное использование вычислительных ресурсов. Масштабируемость InfiniBand уже доказана многими реализациями самых мощных в мире компьютерных систем, перечисленных в списке Top500. Среди них — LANL "Roadrunner" (4 тыс. узлов и 130 тыс. ядер), NASA (свыше 9 тыс. узлов и 82 тыс. ядер), NUDT "TianHe" (3 тыс. узлов и 72 тыс. ядер), Jülich JuRoPa and HPC-FF (3 тыс. узлов и 30 тыс. ядер), TACC (4 тыс. узлов и 63 тыс. ядер) и Sandia "Red Sky" (5,4 тыс. узлов и 43 тыс. ядер). Во всех этих системах применяется решение InfiniBand, обеспечивающее сетевую обработку данных.


Рис. 1. Сравнение времен задержки при выполнении операции записи разными решениями InfiniBand

из-за трешинга. В результате задержка передачи данных увеличивается (см. рис. 1). Соотношение между временами задержки решений с хост- и сетевой обработкой данных (в InfiniBandсистемах) может превышать 700%. Заявленное поставщиками время задержки MPI-интерфейса в решениях с сетевой и хост-обработкой данных составляет около 1 мкс. Поскольку первый тип систем обеспечивает 1-мкс задержку при выполнении операций записи и отправки RDMA, очевидно, что задержка MPI будет того же порядка. У систем с хост-обработкой задержка при выполнении RDMA операций записи составляет 7 мкс. Как в таком случае можно заявлять об 1 мкс для MPI? Дело в том, что в решениях с хостобработкой данные непосредственно отправляются от пользователя в сеть, а при записи данных, поступающих из сети пользователю, они не копируются в буфер и не распределятся в памяти пространства ядра. Если это допускается при эталонном тестировании, то на практике исключение контроля памяти и изоляция процесса могут усложнить обеспечение достоверности данных и безопасности, что недопустимо, например, в многопользовательских системах облачных вычислений. СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ПО СЕТИ

Помимо таких известных эталонных тестов как определение задержки и производительности сети тестируется также скорость передачи сообщений в сети, равная отношению произво-

СРАВНЕНИЕ СЕТЕВОЙ ОБРАБОТКИ С ХОСТ-ОБРАБОТКОЙ ДАННЫХ

Для систем с сетевой обработкой данных эталонный тест на скорость передачи сообщений действительно измеряет способность создавать пакеты и отправлять их по назначению. В случае таких сетей ЦП не участвует в передаче данных и решает задачи пользовательских приложений. При тестирования сетей InfiniBand определяется скорость передачи сообщений InfiniBand и MPI. При этом измеряется число пакетов InfiniBand (однопакетное сообщение), пересылаемое между двумя хостами. Во втором тесте измеряется количество сообщений MPI, передаваемых между двумя хостами. В этом тесте имеется возможность собрать несколько сообщений MPI в одном пакете InfiniBand. Эти два теста описывают тот диапазон скоростей передачи сообщений (верхнюю и нижнюю границы), который поддерживается определенным решением, начиная от пересылки однопакетного сообщения и заканчивая несколькими сообщениями, содержащимися в одном сетевом пакете. Скорость сообщений в приложении находится в этом же диапазоне. Если в приложении реализована пакетная передача, при которой между узлами отправляются небольшие сообщения, скорость передачи устанавливается ближе к верхней границе упомянутого диапазона. На рисунке 2 сравниваются диапазоны скоростей передачи сообщений

МК И DSP

62

дительности сети к размеру сообщения при малых размерах сообщений. В случае системы с хост-обработкой данных тестируется способность ядер ЦП создавать один сетевой пакет и отправлять его по сети. Если соединение между хост-интерфейсом, или PCI-Express, и сетевым интерфейсом (например, InfiniBand) достаточно хорошо обеспечивает максимальную скорость передачи данных, то при большем числе ядер ЦП, участвующих в создании пакетов, отправляется большее число сообщений.

Рис. 2. Сравнение скоростей передачи сообщений в сетях InfiniBand с сетевой (зеленая кривая) и хостобработкой данных (красная кривая)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

двух InfiniBand-решений: в первом используется полная разгрузка трафика (используются адаптеры Mellanox ConnectX-2), а во второй — ЦП (адаптеры QLogic QLE7342). Видно, что диапазон скорости передачи сообщений, поддерживаемый первым решением, находится в пределах 22—90 млн сообщений в секунду, тогда как во втором случае это 1—23 млн сообщений в секунду. Кроме того, следует учитывать, что во втором случае ресурсы ЦП требуются также на создание сетевых пакетов и потому в реальных условиях этот показатель значительно меньше. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЛОЖЕНИЙ

Издержки ЦП и скорость передачи сообщений влияют на характеристики и производительность приложений. Для того чтобы установить, каким образом сказывается это влияние на указанные параметры, мы протестировали два наиболее часто используемых приложения в области высокопроизводительных вычислений — FLUENT и LS-DYNA. Разница в характеристиках проиллюстрирована на рисунках 3 и 4. Тестирование характеристик двух приложений показало истинное положение вещей. В единой платформе эталонного тестирования использовались 8 узлов, в каждом из которых работал сдвоенный процессор Intel Xeon X5670 с частотой 2,93 ГГц. В решениях применялись адаптеры Mellanox ConnectX-2с коммутатором IS5000 и адаптеры QLogic QLE7342 с коммутатором 12200. Результаты показывают, что решение Mellanox InfiniBand (сетевая обработка) имеет на 16% в приложении FLUENT и на 36% в приложении LS-DYNA лучшие эксплуатационные характеристики для 8-узловой системы. Кроме того, эта разница увеличивается с размерами системы. МАСШТАБИРУЕМОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Адаптеры Mellanox ConnectX InfiniBand являются одним из примеров решений с сетевой обработкой данных. Способность адаптеров Mellanox ConnectX разгрузить коллективную связь через MPI-интерфейс чрезвычайно важна для высокопроизводительных вычислений. Коллективная связь, оказывающая решающее влияние на масштабируемость приложения, часто используется в моделирующих кодах научных исследований, при вещании для отправки начальных данных ввода, предварительной обработки при сборе данных из многих источников. При любой коллективной связи выполня-


Рис. 3. Сравнение характеристик решений с хост- (синим цветом) и сетевой (красным цветом) обработкой данных для приложения FLUENT

63 МК И DSP

ются операции, связывающие все процессы в заданной группе. Такая связь в наибольшей степени ограничивает масштабируемость приложения. Кроме того, явная и неявная информационная связь, используемая в высокопроизводительных реализациях коллективных алгоритмов, увеличивает влияние шума системы на характеристики приложения, затрудняя его масштабируемость. Адаптеры Mellanox ConnectX позволяют решить эти проблемы масштабируемости при коллективной связи, разгружая последовательность информационно-зависимой связи с адаптером HCA (Host Channel Adapter). Это решение обеспечивает механизм одновременной поддержки вычислений и связи. ВЫВОДЫ

Как показали тесты, решения с сетевой обработкой данных позволяют масштабировать высокопроизводительные системы, улучшают их параметры и производительность. Решения с хост-обработкой могут отрицательно сказать на эффективности систем. Главным (и, возможно, единственным) преимуществом использования решений с хост-обработкой данных могла бы быть их цена, но, что удивительно, на рынке систем InfiniBand заметной разницы в ценах между этими решениями нет. Таким образом, для конкретной

Рис. 4. Сравнение характеристик решений с хост- (синим цветом) и сетевой (красным цветом) обработкой данных для приложения LS-DYNA

системы выбор того или иного решения существенно упрощается. InfiniBand-решения с сетевой обработкой данных обеспечивают требуемую масштабируемость и максимальную производительность ядер для пользовательских приложений. Можно возразить, что

частота интерфейса NIC или адаптера не сравнима с рабочей частотой ЦП, однако адаптеры, например, поддерживают требуемую масштабируемость и высокую производительность системы, обеспечивая бóльшую пропускную способность по мере увеличения ядер.

Электронные компоненты №11 2010


КАК ДОСТИЧЬ СКОРОСТИ 1 ТРИЛЛИОН ОПЕРАЦИЙ В СЕКУНДУ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ НА FPGA? МАЙКЛ ПАРКЕР (MICHAEL PARKER), менеджер по маркетингу, Altera Corporation

До настоящего времени практически все системы обработки сигнала на базе FPGA использовали операции с фиксированной запятой. В статье показано, что основанная на последних достижениях технология высокопроизводительной обработки сигнала с плавающей запятой может быть реализована с помощью FPGA. Описывается методика реализации системы обработки сигнала с плавающей запятой на одном кристалле FPGA, которая сегодня не только осуществима, но и позволяет достичь скорости обработки сигнала 1 терафлопс (1 триллион операций в секунду). Статья представляет собой перевод [1]. ЧТО ИЗМЕНИЛОСЬ?

ПЛИС И СБИС

64

Появившиеся недавно 28-нм FPGA способны обеспечить намного больше возможностей для цифровой обработки сигнала как с фиксированной, так и с плавающей запятой, чем когда бы то ни было раньше. Ключевым фактором этих достижений стала новая архитектура цифровой обработки сигнала с переменной точностью, которая эффективно поддерживает операции как с фиксированной, так и с плавающей запятой. Ресурсы и архитектура FPGA сами по себе не являются достаточным условием для построения системы обработки сигнала с плавающей запятой. По сути, такие языки описания архитектуры как Verilog и VHDL не обеспечивают поддержку операций с плавающей запятой на достаточном уровне. Сегодня отсутствуют доступные инструменты синтеза, которые поддерживали бы операции с плавающей запятой. Тем не менее традиционный подход, который используется в процессорах с плавающей запятой, не будет работать в FPGA. Вследствие этого был разработан новый метод управления процессом реализации проекта на базе смешанного канала данных (fused datapath), который позволяет создавать информационные каналы операций с плавающей запятой и в то же время учитывать особенности аппаратной реализации FPGA. Такие средства проектирования впервые сделали возможным создание сложных высокопроизводительных систем обработки сигналов с плавающей запятой на базе FPGA. Сочетая функциональные возможности FPGA с методом реализации проекта на базе смешанного канала данных, можно построить систему,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

которая обеспечивает скорость обработки 1 терафлопс. Такой метод проектирования использовался в течение нескольких лет для построения IP-блоков обработки сигнала с плавающей запятой и эталонных проектов и может быть легко воспроизведен потребителями. Для максимального увеличения производительности операций с фиксированной и плавающей запятой для 28-нм FPGA была разработана новая архитектура цифровой обработки сигнала с переменной точностью. Благодаря такой архитектуре у разработчиков появилась возможность устанавливать для DSP-блоков требуемый уровень точности обработки сигнала. Архитектура с переменной точностью обработки способна эффективно поддерживать существующие 18×18- и 18×25-разрядные приложения с фиксированной запятой, а также обеспечивать более высокий уровень разрешения, который необходим для приложений с плавающей запятой. В частности, были разработаны 27×27и 54×54-разрядные режимы для поддержки приложений с плавающей запятой с одинарной и двойной точностью. Эффективность такого нового DSP-блока с переменной точностью критична, когда стоит задача поддержки производительности в 1 терафлопс на одном кристалле FPGA. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ DSPРЕСУРСОВ

Скорость обработки операций с плавающей запятой ограничена ресурсами умножителей. Плотность логических элементов и архитектура последних поколений 28-нм FPGA оптимизированы для приложений с плавающей запя-

той и обеспечивают наивысшее количество умножителей одинарной точности на кристалл FPGA, а также рассчитаны на применение метода проектирования системы на базе смешанного канала данных. При обычной реализации системы обработки сигнала с плавающей запятой в микропроцессоре структура входных и выходных данных для каждой команды операции с плавающей запятой соответствует стандарту IEEE 754-2008, который описывает соответствующую арифметику чисел. Такое представление чисел весьма неэффективно для реализации на FPGA, поэтому двоичный дополнительный код, который хорошо подходит для реализации цифровых аппаратных средств, в данном случае не используется. Вместо этого для знака числа отводится один бит, а к каждой мантиссе добавляется неявная единица. Чтобы обеспечить такое представление чисел, необходима специально разработанная схема, поэтому микропроцессоры или DSP-блоки обычно оптимизируются для обработки операций либо с фиксированной, либо с плавающей запятой, но, как правило, не для обоих одновременно. Кроме того, в микропроцессоре отсутствует информация об операциях с плавающей запятой до или после исполняемой команды, поэтому в таком случае нельзя выполнить оптимизацию. Это означает, что при реализации такой системы логическая нормализация или денормализация должна выполняться при каждом вводе и выводе управляющих данных. Из-за неэффективности такого подхода практически все проекты на базе FPGA используют сегодня операции с фиксированной запятой, даже


Рис. 1. Оптимизация смешанного канала данных

если реализуемый алгоритм работал бы лучше, используя широкий динамический диапазон операций с плавающей запятой. FPGA ОБЕСПЕЧИВАЕТ ИНДИВИДУАЛЬНУЮ ОПТИМИЗАЦИЮ ОПЕРАЦИЙ С ПЛАВАЮЩЕЙ ЗАПЯТОЙ

ПЛИС И СБИС

66

FPGA имеют особенности, которые отсутствуют в микропроцессорах, и они могут эффективно использоваться, чтобы обеспечить оптимальный процесс обработки операций с плавающей запятой. Во-первых, FPGA, в отличие от микропроцессоров, имеют тысячи аппаратных блоков умножения. Они могут быть использованы как для перемножения мантиссы, так и в качестве схем сдвига. Сдвиг данных необходим для того, чтобы выполнить нормализацию, т.е. установить десятичную точку мантиссы, а также — ее денормализацию для выравнивания порядка чисел. Использование многорегистровых схем циклического сдвига потребовало бы применения мультиплексоров с весьма большим числом входов для каждого разряда и разводки каждого входа. Это может привести к весьма неоптимальному размещению элементов, снижению тактовой частоты и избыточному использованию логики, что будет препятствовать использованию операций с плавающей запятой в FPGA. Во-вторых, в FPGA можно использовать мантиссы большей величины, чем определено в стандарте IEEE 754. Это

WWW.ELCOMDESIGN.RU

возможно ввиду того, что DSP-блоки переменной точности поддерживают 27×27- и 36×36-разрядные умножители, которые могут быть использованы для 23-разрядных каналов данных с плавающей запятой одинарной точности. При использовании конфигурируемой логики остаток после итерации, по определению, может иметь любую желаемую разрядность мантиссы. Используя для мантиссы несколько дополнительных битов, например, 27 вместо 23, можно обеспечить при переходе от одной операции к другой дополнительную точность, существенно сократив нормализацию и денормализацию. Инструмент проектирования на базе смешанного канала данных анализирует необходимость нормализации в данном проекте и вводит эту стадию только там, где это нужно. Такой анализ позволяет существенно сократить использование логических элементов, уменьшить разводку и снизить потребность в схемах сдвига на базе умножителей. Он позволяет также значительно увеличить максимальную рабочую частоту даже весьма сложных систем обработки сигналов с плавающей запятой, как графически проиллюстрировано на рисунке 1. Поскольку представление чисел по IEEE 754 необходимо для совместимости с другими системами обработки сигнала, все функции операций с плавающей запятой поддерживают этот интерфейс на границах каждой функ-

ции, будь то быстрое преобразование Фурье, обращение матрицы, синусоидальная функция или определяемый пользователем канал данных. Однако остаются вопросы, обеспечивает ли метод реализации проекта на базе смешанного информационного канала получение того же результата, что и метод на базе стандарта IEEE 754, который используется микропроцессором, а также каким образом выполнить верификацию. Даже микропроцессоры демонстрируют разные результаты обработки операций с плавающей запятой в зависимости от того, каким образом они реализованы. Основной причиной этих различий является то, что операции с плавающей запятой неассоциативны, что можно легко проверить с помощью программы, написанной на C или MATLAB, которая суммирует ряд чисел с плавающей запятой. Суммирование того же набора чисел в обратном порядке приведет к результату, который может отличаться в младшем значащем разряде. Для верификации данных, полученных при использовании метода проектирования на базе смешанного информационного канала, разработчик должен исключить поразрядное совпадение результатов, что обычно используется в обработке данных с фиксированной точкой. Инструменты проектирования позволяют разработчикам определять допустимые отклонения и сравнивать данные, которые получены при аппаратной реализации проекта, созданно-


Рис. 2. Пример ввода проекта на базе операций с плавающей запятой в DSP Builder

сравнении с эталонной архитектурой двойной точности. МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА БАЗЕ СМЕШАННОГО КАНАЛА

Способ проектирования на базе смешанного информационного канала был интегрирован в усовершенствованный набор DSP-блоков компании Altera DSP Builder Advanced Blockset, а средой проектирования был выбран пакет Simulink компании MathWorks. Это обеспечило простоту моделирования системы обработки операций с фиксированной и плавающей точкой, а также реализацию проекта с плавающей запятой на FPGA. Пример на рисунке 2 иллюстрирует, как комплексные типы данных с плавающей запятой на базе архитектуры как одинарной, так и двойной точности используются в сочетании с типами данных с фиксированной запятой. Инструмент проектирования в этом случае обеспечивает единую среду для построения проекта смешанной архитектуры — с фиксированной и плавающей точкой, а также обеспечивает абстрактное представление комплексных чисел и векторов, что

делает описание проекта понятным и простым для внесения изменений. Все вызовы, связанные с мантиссами, экспонентами, нормализацией и специальными режимами, представлены в абстрактном виде подобно программному методу реализации системы с плавающей запятой. Функции Math.h представляют собой функции, которые можно найти в обычной библиотеке C, т.е. тригонометрические функции, логарифм, экспонента и обратный квадратный корень, а также базовые функции, такие как деление. Они поддерживаются методом проектирования на базе смешанного канала данных. Одной из самых распространенных функций, требующей широкий динамический диапазон, является функция обращения матрицы. Для ее поддержки библиотека метода проектирования на базе смешанного канала данных включает библиотеку линейной алгебры, которая содержит следующие функции: – матричное умножение; – разложение Холецкого; – разложение LU-матрицы; – QR-разложение.

Таблица 1. Точность вычислений архитектуры, созданной методом проектирования на базе смешанного канала данных Норма Фробениуса/ среднеквадратическое отклонение ||ESD||F σ ||EHD||F σ

8×8

32×23

64×64

128×128

57,60 459,18 10,38 47,10

9,40 44,30 2,73 10,36

5,33 36,94 1,65 7,36

2,29 7,60 1,27 5,33

Электронные компоненты №11 2010

67 ПЛИС И СБИС

го на базе смешанного канала данных, с результатами моделирования. Сложная функция обращения матрицы чисел с плавающей запятой с одинарной точностью может быть реализована с помощью метода проектирования на базе смешанного канала и протестирована при входных матрицах разной размерности. Эти результаты могут быть также рассчитаны на процессоре Pentium, который работает на базе стандарта IEEE 754. Эталонные данные вычисляются на процессоре с использованием операций с плавающей запятой двойной точности, что обеспечивает более точные вычисления по сравнению с одинарной точностью. Сравнивая данные, полученные при расчете с одинарной точностью как на базе стандарта IEEE 754, так и на базе смешанного информационного канала, и вычисляя норму Фробениуса для полученной разницы в данных, можно увидеть, что метод проектирования на базе смешанного канала данных дает более точные результаты, чем метод на базе IEEE 754 из-за большей точности мантиссы, которая используется в промежуточных вычислениях. В таблице 1 представлены среднеквадратическое отклонение и норма Фробениуса, в которой индекс SD относится к архитектуре одинарной точности на базе IEEE 754, в сравнении с эталонной архитектурой двойной точности, а индекс HD — к аппаратной реализации архитектуры, созданной методом проектирования на базе смешанного информационного канала, в


Поддержка метода проектирования на базе смешанного информационного канала со стороны обширной библиотеки, которая входит в состав усовершенствованного набора DSPблоков, позволяет потребителю создавать крупные, сложные и хорошо оптимизированные каналы данных с плавающей запятой. Кроме того, имеется возможность произвольного сочетания операций с фиксированной и плавающей точкой в пределах одного и того же проекта. КАК ДОСТИЧЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ В 1 ТЕРАФЛОПС

Построение высокопроизводительных систем обработки чисел с плавающей запятой требует использования оптимальных аппаратных ресурсов FPGA и метода проектирования на базе смешанного информационного канала. Это подразумевает, что DSPблоки должны быть приспособлены для операций с плавающей запятой. Это также требует тщательного распределения информационных каналов с плавающей запятой в FPGA с помощью новых алгоритмов смешанного канала данных, которые обеспечивают оптимальное сочетание умножите-

лей и логики, а также использования векторных информационных каналов. FPGA, по определению, являются устройствами, предназначенными для обработки операций с фиксированной запятой с таким соотношением логических элементов и DSP-блоков, которое является оптимальным для этого типа операций. В результате, как правило, для эффективной реализации операций с плавающей запятой логических блоков не хватает. Однако, используя технологию на базе смешанного информационного канала, число логических элементов, а также время задержки и площадь разводки могут быть сокращены более чем на 50%, что обеспечивает необходимый баланс ресурсов при реализации операций с плавающей запятой. Ограничивающим фактором являются ресурсы умножителей. Это обстоятельство облегчает труд разработчика, т.к. намного целесообразнее использовать 100% ресурсов DSPблоков, чем 100% ресурсов логики. Когда коэффициент использования логических элементов приближается к 100%, труднее обеспечить их жесткую синхронизацию. Кроме того, необходима дополнительная логика для ввода и вывода данных из FPGA, для построе-

ния интерфейсов буферов памяти и реализации других функций. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реализация проекта на базе смешанного информационного канала является одним их важнейших инновационных решений технологии цифровой обработки сигнала на базе FPGA. Это единственный известный метод синтеза, который способен создавать каналы обработки данных с плавающей запятой в FPGA, что расширяет спектр доступных высокоэффективных инструментов и средств проектирования. В сочетании с 28-нм FPGA достигается скорость обработки сигнала с плавающей запятой, превышающая 1 терафлопс. Кроме того, дополнение math.h функциями линейной алгебры обеспечивает полную поддержку при создании сложных проектов. Это позволит разработчикам достичь динамического диапазона, точности и вычислительной мощности, которые требуются в DSPприложениях и продуктах следующего поколения. ЛИТЕРАТУРА 1. Michael Parker. How to achieve 1 trillion floating-point operations-per-second in an FPGA//www.eetimes.com.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ПЛИС И СБИС

68

| НОВАЯ ЕВРОПЕЙСКАЯ ПРОГРАММА ПО СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ | Партнеры нового европейского исследовательского проекта опубликовали подробную информацию о многонациональной программе под названием LAST POWER (Large Area silicon carbide Substrates and heTeroepitaxial GaN for POWER device applications — полномасштабное применение материалов SiC и GaN в устройствах силовой электроники). Цель 42-месячного проекта ENIAC (European Nanoelectronics Initiative Advisory Council — Европейский консультационный совет по наноэлектронике) заключается в том, чтобы обеспечить стратегическую независимость Европы в области широкозонных полупроводников. Эта сфера деятельности представляет особую важность потому, что она обеспечивает разработку систем с высокой энергоэффективностью для широкого ряда приложений от связи до автомобильного рынка, от потребительской электроники до бытовых электроприборов и от промышленного оборудования до систем автоматизации дома. Консорциум намеревается разработать технологию, которая обеспечит полную продуктовую цепочку полупроводниковых устройств на основе карбида кремния (SiC) и гетероэпитаксиального нитрида галлия (GaN) на кремниевой подложке. «Рынок силовых компонентов, составляющий около 30% всего рынка полупроводников, должен заметно измениться в соответствии с растущей потребностью в более энергоэффективных устройствах, — считает Салватор Коффа (Salvatore Coffa), вице-президент и генеральный директор отдела научных исследований и разработки компании STMicroelectronics. — Устройства на основе SiC и GaN обеспечат Европе передовые позиции в области энергоэффективных технологий». Для реализации экономичных и надежных полупроводниковых систем на базе SiC и GaN потребуется: ‚ создать 150-мм SiC- и GaN- подложки; ‚ разработать новое оборудование для создания материалов, измерения их характеристик и обработки; ‚ создать оборудование для надежной и эффективной обработки устройств на 150-мм подложках; ‚ получить высокопроизводительные устройства, включая 1200 В/100 А МОП-транзисторы на основе SiC, полевые SiCтранзисторы с управляющим p-n-переходом с рабочей температурой 250°C и GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов; ‚ разработать корпуса для высокотемпературных режимов работы устройств и обеспечить их высокую надежность. Совет ENIAC, у которого хороший послужной список в деле освоения новых технологий, исходит из того, что каждое новое поколение технологий в электронике требует существенного увеличения инвестиций в исследовательскую деятельность, а также в разработку и производство. Такой подход уже доказал свою состоятельность в нанотехнологических проектах ENIAC. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU


OFDM-МОДЕМЫ ДЛЯ PLC-СВЯЗИ: СТАНДАРТЫ, ПРОИЗВОДИТЕЛИ, КОМПОНЕНТЫ ВИКТОР ОХРИМЕНКО, технический консультант, НПФ VD MAIS В статье дан обзор компаний-производителей компонентов для узкополосной технологии передачи данных по электросети, в которых используется модуляция с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением каналов.

ADD

Испанская компания Advanced Digital Design S.A. (ADD) со штабквартирой в Сарагосе — один из ведущих разработчиков IP-ядер, заказных микросхем (ASIC) и систем на кристалле для применения в PLCмодемах. Компания ADD предлагает для использования в автоматизированных системах управления/контроля AMM (Automated Meter Management) и системах удаленного считывания показаний датчиков типа AMR (Automatic Meter Reading) ряд законченных решений для создания интеллектуальных узлов сети. Среди них системы на кристалле ADD1000B (с поддержкой протокола KNX), ADD1010 (IEC61334-5-2, IEC61334-5-1, IEC61334-4-32, EHS, KNX) и ADD1020/21 (PRIME). PLC-модем ADD1021 содержит: – усовершенствованный мик роконтроллер 8051 (IP-ядро ADD8051C3A); – контроллер MAC-уровня (IP-ядро ADD1221); – контроллер PHY-уровня (IP-ядро ADD1321). Структурная схема системы на кристалле ADD1021 приведена на рисунке 1 [1]. Для передачи данных в модеме используется OFDM-модуляция в соответствии с требованиями PRIMEспецификаций. Скорость передачи данных — 20…128 Кбит/с; частота поднесу-

щих находится в диапазоне 42…88 кГц; вид модуляции поднесущих — DBPSK, DQPSK или D8PSK. Для шифрования данных (AES 128) на MAC-уровне в IP-ядре ADD1221 реализован аппаратный ускоритель. Напряжение питания микросхемы 3,3 В. В мае 2009 г. компании Fujitsu Microelectronics Europe GmbH (FME) и Advanced Digital Design S.A. подписали меморандум о совместной разработке и производстве компонентов для PLCмодемов, соответствующих спецификациям PRIME-OFDM. Серийный выпуск микросхем на базе разработанных компанией ADD IP-ядер планируется освоить в первой половине 2010 г. Новые PLC-модемы ориентированы на использование в автоматизированных системах управления/контроля энергопотребления. iAd

Компания iAd GmbH, основная сфера деятельности которой — исследования и разработка в области телекоммуникаций — уже на протяжении 15 лет занимается разработкой PLC-модемов. В ее первых модемах для передачи данных была использована частотная манипуляция (FSK). Столкнувшись со множеством проблем при реализации систем

на базе этого вида модуляции, специалисты компании начали разработку модемов с использованием модуляции OFDM. В результате первая микросхема PLC-контроллера была изготовлена в середине 1990-х гг. С 2000 г. началось коммерческое использование для узкополосной передачи данных по электросетям контроллеров PLC-OFDM. В 2005—2006 гг. микросхемы DLC-2C/CA использовались в устройствах автоматизированных систем считывания показаний счетчиков, развернутых для тестирования в Португалии и Болгарии согласно проекту REMPLI (Real-time Energy Management via Powerlines and Internet). В настоящее время компания iAd GmbH предлагает два набора микросхем для PLC-приложений: DLC-2B/BA и DLC-2C/CA (см. табл. 1) [2, 3]. Микросхемы предназначены для передачи данных по электросетям высокого, среднего и низкого напряжения в диапазоне частот 9…450 кГц. Значения частот поднесущих и их число выбираются на программном уровне. Скорость передачи данных — 9,6…576 Кбит/с. В полосе CENELEC максимальная скорость передачи — 288 Кбит/с. В каждом из наборов микросхем имеется аналоговая (к примеру, DLC-2BА) и цифровая

69 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение сложности и расширение функциональности автоматизированных систем типа AMR/ AMI/AMM требует, соответственно, увеличения скорости передачи данных. В последние годы повышенный интерес и пристальное и внимание вызывает PLC-технология с использованием модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирования с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи [1—9].

Рис. 1. Структурная схема ИС ADD1021

Электронные компоненты №11 2010


PLC-модемы будут ориентированы на применение в автоматизированных системах управления/контроля энергопотребления. MAXIM INTEGRATED PRODUCTS

Рис. 2. Структурная схема DLC-2B/BA

Рис. 3. Структурная схема DLC-2С/СA

ИС (DLC-2B). Структурная схема DLC-2B/ BA приведена на рисунке 2, структурная схема DLC-2C/CA — на рисунке 3. В цифровой ИС DLC-2C реализован интерфейс для подключения к мощному микроконтроллеру HyNet32XS, созданному на базе 32-разрядного процессорного DSP/RISC-ядра Hyperstone E1-32XS. Микроконтроллер HyNet32XS имеет большой набор встроенных интерфейсов для связи с «внешним миром»: MAC Ethernet (10/100 Мбит/с), CAN 2.0, USB 1.1, UART, IrDA, I2C, ISDN,

SDRAM и другие. В цифровой ИС DLC-2B реализована возможность подключения к внешним устройствам, имеющим интерфейс UART, SPI, CAN. В марте 2009 г. компании Freescale Semiconductor (один из лидеров в производстве интегральных микросхем), а также компании arivus GmbH и iAd GmbH объявили об объединении усилий по разработке и производству интегральных микросхем PLC-модемов следующего поколения с использованием OFDM-модуляции. Новые

Таблица 1. Основные параметры ИС DLC-2B/BA и DLC-2C/CA Набор микросхем DLC-2B/BA DLC-2C/CA Стандарты EN 50065(CENELEC), IEC 61000-3, FCC part 15 subpart B Вид модуляции OFDM Диапазон частот, кГц 9…450 Скорость передачи данных, Кбит/с 9,6…576 8-бит CPU-RISC (44-88) – Тип процессора (тактовая частота, МГц) 16-бит DSP (44-88) Объем SRAM-памяти (тип процессора), Кбайт 128 (CPU), 77 (DSP) 84 (DSP) Контроллер прерываний, менеджер электропитания Периферийные устройства UART, DMA, сторожевой таймер, – таймер реального времени Кодирование/декодирование (сверточное, 32-CRC, Рида-СоломоВиды обработки данных на), цифровая фильтрация, синхронизация, автоматическая регулировка усиления (АРУ) Аппаратный ускоритель CRC, Рида-Соломона – Интерфейс RS-232, SRAM, GPIO GPIO, HyNet32XS Напряжение питания, В 1,8/3,3 DLC-2B, BGA-256 (17×17×1,8); DLC-2C, QFP-144 (20×20); Тип ИС, число выводов и тип корпуса (размеры, мм) DLC-2BA, QFP-64 (13×13×1,2) DLC-2CA, QFP-64 (13×13) Наименование

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

70

WWW.ELCOMDESIGN.RU

MAX2990 — однокристальный PLCмодем для узкополосной передачи данных по электросетям, обеспечивающий максимальную скорость передачи до 100 Кбит/с в полосе 10…490 кГц и 32 Кбит/с в полосе 10…95 кГц [5—7]. На физическом уровне в модеме используется OFDM-модуляция. PLCмодем MAX2990 соответствует требованиям стандартов FCC, CENELEC, ARIB и ориентирован на использование в системах автоматического считывания показаний счетчиков, управления уличным освещением, системах вентиляции и кондиционирования, устройствах автоматизации зданий и т.д. Прото колы передачи данных, реализованные в PLC-модеме MAX2990, выполнены в соответствии со спецификациями PLC G3 Physical Layer Specification (в дальнейшем G3-PLC) [5], которые были разработаны при участии специалистов трех компаний — Maxim Integrated Products, Sagem Communication и ERDF (Electricité Réseau Distribution France). Компания ERDF, в которой работает почти 36 тыс. сотрудников, является дочерней компанией крупнейшего французского энергетического концерна EdF (Electricité de France). Энергосети этой компании охватывают более чем 95% территории французских городов. Компания обслуживает примерно 1 млн 260 тыс. км линий электропередач и почти 33 млн энергопотребителей. Открытые спецификации G3-PLC ориентированы на использование в разветвленных интеллектуальных сетях (smart grids) учета расхода электроэнергии. В PLC-модеме MAX2990 реализовано двухуровневое FEC-кодирование с использованием кода Рида-Соломона и сверточных кодов, а также шифрование данных с использованием стандарта AES-128. На MAC-уровне, выполненном в соответствии с рекомендациями стандарта IEEE 802.15.4, поддерживается протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) и процедура повторного запроса в автоматическом режиме (Automatic Repeat Request, ARQ). На физическом уровне для модуляции поднесущих применяется модуляция вида BPSK (Binary Phase Shift Key). В процессе тестирования системы и устройств, построенных на базе спецификаций G3-PLC, специалисты компании ERDF провели сравнитель-


Рис. 4. Структурная схема PLC-модема MAX2990

STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics — один из пионеров PLC-рынка — еще

в начале 1990-х гг. освоила производство ИС для передачи данных по электросетям. В первых микросхемах ST7537/ST7538, а затем и ST7540, ориентированных на использование в PLC-сетях с узкополосной передачей данных, для кодирования использовалась частотная манипуляция (FSK), а скорость передачи данных составляла 300…4800 бит/с. В настоящее время микросхемы ST7538/7540 используются во многих электросчетчиках, выпускаемых по всему миру, а также системах удаленного считывания типа AMR. Эти микросхемы нашли применение, например, в итальянских системах Enel Telegestore и ACEA, системе удаленного считывания, развернутой в компании China National Petroleum (Китай), а также в других интеллектуальных системах типа AMR, разбросанных по всему миру, в т.ч. в Южной Америке и Африке [8]. Вместе с тем, на смену проверенным на практике недорогим решениям в последнее время приходят новые устройства и технологии, обеспечивающие высокоскоростную и надежную передачу данных. Применение усовершенствованных технологий, основанных на открытых спецификациях, позволяет реализовать сетевой сервис на более высоком уровне. Постепенное вытеснение с рынка устаревающих PLC-технологий происходит, возможно, и не столь быстро, но достаточно уверенно. Для того чтобы обеспечить быстрейшее продвижение на PLC-рынок новых решений и долгий

срок службы, а также возможность их успешного применения во вновь развертываемых интеллектуальных сетях, они должны отличаться гибкостью и универсальностью. С учетом разнообразия видов используемой модуляции и неопределенности с принятием единого стандарта архитектура вновь создаваемых модемов должна легко адаптироваться как к требованиям существующих стандартов, так и новоиспеченных PLC-спецификаций. Отчетливо понимая это, компания STMicroelectronics предприняла попытку разработать универсальную платформу для реализации семейства ИС PLC-модемов, предназначенных для использования как в уже существующих и реконструируемых, так и во вновь развертываемых сетях. В сентябре 2009 г. компания представила три ИС (ST7570/80/90), созданные на базе единой аппаратной платформы STarGRID™. В настоящее время в существующих сетях типа AMR/AMI/ AMM используется несколько типов ИС PLC-модемов, в которых поддерживается только один из стандартизированных видов модуляции и один из существующих протоколов передачи данных, что, безусловно, снижает их стоимость и делает их коммерчески привлекательными. В более универсальных и, соответственно, более дорогих решениях в качестве вычислительного ядра используется DSPпроцессор и дополнительные компоненты для реализации аналогового интерфейса и драйверов линии, что

Таблица 2. Сравнительные параметры систем с модуляцией типа S-FSK и OFDM Ведомый → Ведущий Ведущий → Ведомый Технология Скорость пере- Частота появления оши- Скорость пере- Частота появления ошидачи, бит/с бочных кадров (FER), % дачи, бит/с бочных кадров (FER), % Электролинии низкого напряжения S-FSK 880 0 880 0 G3-PLC 5700 0 6300 0 Электролинии среднего и низкого напряжения S-FSK 763 12 763 12 G3-PLC 4175 1 2425 12 Электролинии среднего напряжения (протяженность 6,4 км, без использования ретрансляторов) S-FSK 880 0 880 0 G3-PLC 6092 0 3349 0

Электронные компоненты №11 2010

71 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ную оценку параметров передачи данных при использовании технологии с модуляцией типа S-FSK и OFDM. Результаты тестирования даны в таблице 2 [6]. При оценке качества передачи данных немаловажное значение имеет такой параметр как интенсивность появления ошибочных бит (Bit Error Rate, BER), который, как правило, измеряется при определенном соотношении сигнал/помеха. В то время как в FSK-системах при отношении сигнал/помеха SNR = 12 дБ и скорости передачи 2 Кбит/с частота появления ошибочных битов составляет примерно 0,0001 (один неправильно принятый бит на 10 тыс. переданных), PLC-модем MAX2990 обеспечивает этот уровень BER при SNR = 4 дБ и скорости 32 Кбит/с [6]. Кроме того, для повышения надежности передачи данных в PLC-модеме MAX2990 предусмотрена возможность автоматического переключения на режим пониженной скорости передачи при снижении уровня входного сигнала ниже определенного порога, что позволяет выиграть еще 5 дБ в соотношении сигнал/помеха при тех же значениях BER. PLC-модем MAX2990 содержит: – 16-разрядное процессорное RISCядро MAXQ; – флэш-память объемом 32 Кбайт; – ROM-память — 5,12 Кбайт; – SRAM-память — 8 Кбайт; – периферийные контроллеры UART, SPI, I2C, GPIO; – таймеры общего назначения; – таймер реального времени; – контроллер прерываний; – контроллер физического уровня (PHY). Структурная схема модема MAX2990 приведена на рисунке 4 [7]. Микросхема MAX2990 изготавливается в корпусе 64-LQFP и предназначена для работы в диапазоне температур –40…85°C.


Рис. 5. Структурная схема модемов семейства STarGRID

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

72

увеличивает и потребляемую мощность. В PLC-системе на кристалле STarGRID содержится вычислительное ядро 8051, предназначенное для реализации стека протоколов передачи данных, и DSPядро, используемое в процессе модуляции сигнала в соответствии с требованиями спецификаций физического уровня (по сути, для поддержки разных видов модуляции). Кроме того, на кристалле имеются аналоговый интерфейс (AFE), фильтры и драйверы линии, реализованные с помощью усовершенствованной интегральной технологии. Ядром собственно PLC-модема является DSP-процессор. В его программной памяти типа ROM хранятся коды программ для разных видов модуляции, предусмотренных существующими спецификациями физического уровня, а также цифровой фильтрации. В случае применения высокоскоростных видов модуляции (OFDM) используется аппаратный ускоритель. Для реализации стека протоколов используется стандартное процессорное ядро 8051 совместно со встроенной памятью программ и данных типа ROM и RAM. Кроме того, предусмотрена возможность подключения внешней флэш-памяти для хранения программного кода как пользовательских приложений, так и кода протоколов передачи данных в случае их модификации с течением времени или в процессе эксплуатации. Связь с хост-процессором осуществляется через интерфейс UART или SPI. Для ядра 8051 доступен также интерфейс I2C и порты ввода/вывода (GPIO). В модуле аналогового интерфейса содержится малошумящий усилитель

WWW.ELCOMDESIGN.RU

с программируемым коэффициентом усиления, система автоматической регулировки усиления (АРУ), сигмадельта АЦП и ЦАП с программируемым усилением и улучшенной передаточной характеристикой. Кроме того, в ИС семейства STarGRID имеется встроенный высококачественный выходной усилитель мощности с линейной передаточной характеристикой, разработанный по специальной технологии, что позволило уменьшить его размеры на кристалле. Наличие встроенных усилителя и программируемых фильтров позволяет уменьшить размеры модемного модуля за счет отказа от внешних катушек индуктивности и конденсаторов. Максимальный выходной ток усилителя мощности составляет 1 А, выходное напряжение — 14 В (от пика до пика), что обеспечивает его надежную работу при изменении сопротивления нагрузки линии. ИС семейства STarGRID соответствуют жестким ограничениям, регламентируемым набором стандартов CENELEC. В этих стандартах оговариваются не только уровень паразитных кондуктивных помех (EN50065-1), но и допустимые изменения сопротивления нагрузки (EN50065-7) и требования по устойчивости к воздействию кондуктивных помех в линии (EN50065-2-1). Встроенный температурный датчик и система контроля/управления выходным током драйвера обеспечивают надежную работу усилителя мощности в пределах максимально допустимых параметров. Наличие аппаратного ускорителя для шифрования данных (AES 128), возможность оценки качества кана-

ла связи в соответствии с измеренным соотношением сигнал/помеха и сопротивлением линии увеличивают производительность и надежность систем, построенных на базе ИС STarGRID. Новые микросхемы PLC-модемов предназначены для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствуют требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC part 15. Реализованные в этих микросхемах протоколы передачи данных совместимы со спецификациями IEC61334-5-1, PRIME, SITRED и др. Микросхемы изготовлены с использованием технологии 0,18 мкм. Основные параметры PLC-модемов семейства ST75xx даны в таблице 3, структурная схема приведена на рисунке 5. В ИС ST7580 реализованы следующие виды модуляции: BPSK, QPSK или 8PSK (28,8 Кбит/с), а, кроме того, стандартная и широко применяемая на практике модуляция типа BFSK, что делает их совместимыми с выпущенными ранее микросхемами ST7538/40. Модемы семейства ST7580 были выбраны компанией Enel для применения в устройствах сети, разворачиваемой компанией Endessa. Согласно этому проекту, до 2016 г. в Испании предполагается установить примерно 13 млн интеллектуальных электронных электросчетчиков. В системе будет использован стек PLC-протоколов, предложенных специалистами компании Enel и получивших название SITRED. Спецификации SITRED, подтвердившие надежную работу в сети с почти 50 млн счетчиков, открыты и ими могут воспользоваться все заинтересованные компании.


ADD GRUP

Основанная в 1992 г. компания ADD GRUP (www.addgrup.com) со штабквартирой в Кишиневе (Молдова) специализируется на разработке устройств и программного обеспечения для систем АСКУЭ. В 2008 г. ADD GRUP начала разработку модуля PLCмодема ADDM-7LM с использованием S-FSK и OFDM-модуляции [9]. Модем, структурная схема которого приведена на рисунке 6, обеспечивает скорость передачи данных до 76,8 Кбит/с при использовании однофазной сети и до 230 Кбит/с — трехфазной. В модеме предусмотрена возможность использования S-FSK или OFDM-модуляции в полосе частот 18…90 кГц (CENELEC A). Количество поднесущих — 12–48, разнос частот — 1500 Гц, вид модуляции поднесуших — DPSK, D4PSK, D8PSK, D16PSK. Модем соответствует требованиям стандартов EN 50065 (CENELEC) и IEC 61000-3. На канальном уровне реализован протокол IEEE 802.2 type 1. В качестве вычислительного ядра в модеме используется 32-разрядный сигнальный процессор TMS320F28xx. Га б а р и т н ы е р а з м е р ы м о д у л я : 46×22×13 мм. PLC-модем ADDM-7LM предназначен для использования в приборах и устройствах автоматизированных сетей типа AMM/AMR. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В январе 2008 г. Европейская Комиссия (исполнительный орган Европейского Союза) внесла предложение сократить к 2020 г. на 20% выбросы газов в атмосферу, на 20% увеличить производство электроэнергии из нетрадиционных возобновляемых источников энергии и на 20% увеличить эффективность ее использования. Поскольку существующая инфраструктура европейских энергосетей не в состоянии обеспечить выполнение этой директивы, в Европе грядет одна из наибольших реконструкций инфраструктуры электросетей в ее истории. По оценкам международного энергетического агентства, Европейский Союз будет вынужден инвестировать более чем 500 млрд евро в реконструкцию существующей инфраструктуры к 2030 г. Развертывание интеллектуальных сетей управления/контроля позволит преодолеть многие из существующих проблем и реализовать принципиально новые подходы дистанционного рас-

пределения энергопотоков. Энерго ге не ри рующие компании смогут в режиме реального времени контролировать уровень потребления, вводить «плавающие» тарифы, ограничивать потребление электричества для сглаживания пиковых нагрузок и т.д. В свою очередь, потребители также всегда смогут самостоятельно в реальном времени контролировать уровень энергопотребления и пользоваться льготными тарифами. Хотелось бы надеяться, что, в конечном счете, применение интеллектуальных методов управления/ контроля уровня энергопотребления сведет к минимуму пагубное воздействие на окружающую среду. Вместо строительства новых электростанций операторы смогут оптимизировать использование уже существующих энергоресурсов. Вполне естественно, что внедрение интеллектуальных разветвленных сетей типа AMR/AMI/AMM стимулирует интенсивное развитие технологии передачи данных по электросетям. Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-модемах можно найти в [1—9]. ЛИТЕРАТУРА 1. ADD1021 PRIME Alliance Compliant MODEM. — ADD (www.addsemi.com). 2. DLC-2B/BA Low Cost Narrow Band Communication Controller MCM (Multi Carrier Modulation) and Power Line Chipset. — iAd (www.iad-de.com). 3. DLC-2C/CA High Performance Narrow Band Communication Controller MCM (Multi Carrier Modulation) and Power Line Chipset. — iAd (www.iad-de.com).

Рис. 6. Структурная схема PLC-модуля ADDM-7LM 4. OFDM-Based High-Speed Narrowband PLC Approved for Smart Metering and Smart Grids. — arivus-iAd, 2009 (www.arivus.eu). 5. PLC G3 Physical Layer Specification (www.erdfdistribution.fr). 6. By Michael Navid. Recent Advancements in Power Line Communications make it an Ideal Technology Platform for the Smart Grid. — Metering International, Issue 4 2009. 7. 10 kHz to 490 kHz OFDM-Based Power Line Communication Modem. Abridged data sheet. — Maxim Integrated Products, 2008 (www.maxim-ic.com). 8. By Alessandro Moscatelli and Domenico Arrigo. STarGRID™ is the new Flexible PLC System-on-Chip Platform for Smart Grids. — Metering International, Issue 4, 2009. 9. OFDM the 3 generation of narrowband Power Line Communications. 4Annual European Utilities Intelligent Metering. — Barcelona, May 2008.

73

Таблица 3. Основные параметры PLC-модемов семейства ST75xx Наименование

ST7570

Стандарты

ST7580 EN50065 (CENELEC), FCC part 15

Максимальная скорость передачи данных (вид модуляции), Кбит/с

2400

Модуляция

S-FSK

9,6 (BFSK), 28,8 (BPSK, 128 QPSK, 8PSK) BFSK, BPSK, QPSK, OFDM (97 поднесущих, 8PSK BPSK, QPSK, 8PSK) AES (128-бит)

Аппаратный ускоритель Процессорное ядро Встроенный протокол Интерфейсы

DSP + 8051 IEC 61334-5-1 (PHY, MAC), IEC 61334-4-32 LLC

ST DLL

PRIME (PHY, MAC, CS), IEC 61334-4-32 LLC

UART/SPI

UART/SPI/I2C

UART/SPI/I2C/SRAM

АЦП/ЦАП

+

Диапазон рабочих температур, °С Число выводов и тип корпуса (размеры, мм)

ST7590

–40…85 QFN-48 (7×7)

QFN-48 (7×7), TQFP-100 (14×14)

Электронные компоненты №11 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

В PLC-модеме ST7590 высокая скорость передачи данных (до 128 Кбит/с) обеспечивается с помощью метода OFDM-модуляции в соответствии со спецификациями PRIME. В модеме ST7590, кроме того, реализована возможность обмена данными с внешней памятью типа SRAM.


ПРЕИМУЩЕСТВА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ПЕРЕД ПОЛЕВЫМИ ЕВГЕНИЙ МАРКЕЛОВ, научный консультант, «ИД Электроника»

В настоящее время биполярные транзисторы используются гораздо реже полевых. Однако они имеют неплохие характеристики и их рано списывать со счетов. В некоторых случаях они позволяют упростить и снизить стоимость изделия. Статья является сокращенным переводом публикации [1]. В современной силовой электронике в системах преобразования энергии обычно используются силовые МОП-транзисторы. Они хорошо изучены и применяются повсеместно. В свою очередь, биполярные транзисторы (БПТ) многие разработчики считают устаревшим аналогом полевых, который к тому же имеет худшие характеристики и применяется редко. В недавнем прошлом компаниилидеры в области производства автономных преобразователей переменного напряжения использовали схемы управления на основе БПТ в серийных устройствах для подзарядки мобильных телефонов. В данной статье мы попробуем разобраться, имеют ли биполярные транзисторы какие-либо преимущества перед полевыми и стоит ли рассматривать их применение в современных электронных схемах. Кроме того, оценим эффективность работы ИС на основе биполярных транзисторов. КЛЮЧЕВОЕ РАЗЛИЧИЕ: СТОИМОСТЬ

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

74

Массовый переход на биполярные транзисторы произошел в середине 1960-х гг., в то время как полевые транзисторы нашли практическое применение намного позже — в конце 70-х гг. Биполярные транзисторы всегда были и остаются дешевле полевых за счет того, что они содержат меньше слоев, а процесс их изготовления значительно проще. Особенно

Рис. 1. Электромагнитные помехи в схеме

WWW.ELCOMDESIGN.RU

четко видна разница для маломощных (менее 5 Вт) и высоковольтных транзисторов (700 В). Как правило, БП-транзисторы имеют меньшую скорость нарастания тока и напряжения при переключении (di/dt и du/dt). Благодаря этому можно упростить схему защиты от электромагнитного излучения (ЭМИ), исключив синфазный фильтр, состоящий из Y-конденсатора и синфазного дросселя, и использовав трансформатор с более простой структурой. При этом производство схем также упрощается и становится дешевле. Кроме того, за счет медленного нарастания тока при выключении БПТ ослабляется влияние индуктивности рассеяния трансформатора. Учитывая сказанное, демпфирующие цепи трансформатора в импульсном источнике мощнос тью менее 3 Вт можно исключить, поскольку появление скачков напряжения, выходящих за границы безопасного режима работы, невозможно. Это позволит, во-первых, уменьшить элементную базу и, соответственно, стоимость устройства, а во-вторых, избежать потерь, возникающих в этих цепях. В итоге универсальный источник питания мощностью 3 Вт на основе БПТ может состоять всего из 21 элемента. Применение биполярных транзисторов с очень высоким напряжением (900 В и выше) экономически оправдано, поэтому автономные преобразователи на их основе являются при-

влекательной альтернативой как для промышленной электроники (крупная бытовая техника, системы управления двигателем и интеллектуальные измерители), так и для устройств, рассчитанных на эксплуатацию в регионах с нестабильным сетевым напряжением. УМЕНЬШЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Импульсные преобразователи энергии являются мощными источниками электромагнитного излучения. При разработке приходится искать компромисс между размером и стоимостью схемы, с одной стороны, и уровнем создаваемых помех — с другой. Для уменьшения ЭМИ на входе или выходе схемы применяются синфазные или дифференциальные фильтры. Cинфазный фильтр состоит из так называемого синфазного дросселя и Y-конденсатора. Дроссели — громоздкие и дорогие элементы и, следовательно, их использование неприемлемо в схемах, для которых стоимость и размер являются ключевыми критериями. Y-конденсаторы могут пропускать ток из входных цепей в нагрузку, поэтому их использование способствует увеличению тока утечки. Кроме того, через Y-конденсаторы электромагнитные помехи проникают во вторичную обмотку трансформатора, ухудшая качество сигнала связи. Соответственно, производители зарядных устройств для сотовых телефонов призывают отказаться от их использования, чтобы упростить схему защиты от ЭМИ. Для ослабления электромагнитных помех в схемах на МОП-транзисторах наиболее часто применяются трансформаторы сложной структуры. При этом увеличиваются массогабаритные показатели и стоимость устройства, а низкий уровень ЭМИ, тем не менее, не гарантируется. При включении полевого транзистора синфазный шум значительно увеличивается из-за высокой скорости нарастания напряжения. Следовательно, в схе-


ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ — ВЫСОКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Как известно, у биполярных транзисторов есть два существенных недостатка: высокие потери при переключении из-за низкой скорости переключения и сложные схемы, поскольку эти устройства управляются током. Применение цифровых ИС позволило существенно увеличить КПД управляющих цепей для БПТ [2]. Ниже приводится несколько ключевых факторов, которых раньше не удавалось достичь. 1. Цифровая ИС не только осуществляет включение и выключение БП-транзистора, но и динамически

подстраивает амплитуду тока базы БПТ в соответствии с изменением сопротивления нагрузки. При этом управление производится в режиме реального времени, что позволяет изменять ток базы несколько раз в течение одного цикла переключения. Это существенное преимущество, которое гарантирует, что БПТ всегда работает в оптимальных условиях, а потери при переключении и в проводящем состоянии минимальны. 2. Цифровая схема может регулировать внутренние параметры в соответствии с изменением условий работы (температура, нагрузка и т.д.). Кроме того, существуют адаптивные многорежимные схемы управления, которые сглаживают изменение эффективности работы при различной нагрузке без ухудшения других характеристик системы, таких как низкочастотный шум, пульсации или нестабильность выходного напряжения по нагрузке. Возможность перевода различных частей ИС в спящий режим позволяет существенно уменьшить потребление в режиме ожидания или холостого хода. 3. В цифровой ИС имеются квазирезонансные схемы переключения, поэтому начальный ток в каждом цикле минимален. Это, в свою очередь, спо-

собствует дальнейшему уменьшению потерь и ЭМИ без модификации схемы и воздействия на характеристики главной схемы управления. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение биполярных транзисторов в маломощных AC/DC-преобразователях позволяет снизить их стоимость. Сокращение элементной базы происходит за счет использования более простого трансформатора и исключения демпфирующих цепей. Кроме того, инновационная технология цифрового управления позволяет получить больший КПД, чем в схемах на основе МОП-транзисторов, при одинаковых уровнях мощности. Таким образом, новые биполярные ИС с цифровым управлением являются хорошим подспорьем и предпочтительны для использования в маломощных AC/DC-преобразователях.

ЛИТЕРАТУРА 1. Li Y. Why consider a power BJT rather than a MOSFET? 2. Li Y. и Zheng J. A Low-Cost Adaptive Multi-Mode Digital Control Solution Maximizing AC/DC Power Supply Efficiency//IEEE 2010 Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC).

Электронные компоненты №11 2010

75 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

мах на БПТ меньше источников ЭМИ, поскольку, как мы уже говорили, скорости нарастания тока и напряжения в них малы. На рисунке 1 показан уровень электромагнитных помех для БП- и МОП-транзистора. Было измерено напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора в преобразователе мощностью 5 Вт (5 В, 1 А). В схеме на БПТ размах напряжения составляет примерно 2,7 В, а на МОПтранзисторах — около 3,6 В. Таким образом, в схеме на БПТ электромагнитное излучение уменьшается примерно на 25%.


Эволюция IGBT International Rectifier МАКСИМ СОЛОМАТИН, бренд-менеджер, ЗАО «Компэл» В статье рассмотрены IGBT последних поколений компании International Rectifier (IR), их основные характеристики и особенности, а также технологии изготовления (PT, NPT, Trench).

В связи с бурным развитием преобразовательной техники и стремлением максимально увеличить КПД устройств большое развитие получили силовые полупроводниковые ключи — важнейший элемент любого преобразователя, и IGBT не стали исключением. Сегодня IGBT незаменимы при работе преобразователей в диапазоне частот 5...100 кГц и высоких значениях рабочих токов и напряжений. Как известно, IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) представляет собой биполярный p-n-p-транзистор, управляемый N-канальным MOSFET. (Его структура изображена на рисунке 1). Помимо основного p-n-p-транзистора существует паразитная n-p-n-структура, которую делают неактивной путем шунтирования база-эмиттерного перехода слоем металлизации истока. Благодаря такой структуре IGBT, как и MOSFET, является элементом, управляемым по напряжению, однако он лишен основных недостатков полевых транзисторов, среди которых: – высокие значения сопротивления проводящего канала при больших значениях напряжения пробоя (>500 В); – наличие в структуре MOSFET медленного обратного диода. Наличие обратного диода — body diode effect — в структуре MOSFET часто приводит к значительному увеличению мощности потерь в преобразователях различного рода. Так, например, в трёхфазных инверторах напряжения наличие паразитного диода ведёт к увеличению полных потерь в силовом ключе почти вдвое, что неминуемо приводит к росту площади теплоотводящего элемента и стоимости конечного устройства. В большинстве случаев потери в обратных диодах напрямую связаны с долгим временем восстановления (сотни наносекунд), в результате чего при включении силового транзистора образуются сквозные токи, которые приводят к большим потерям мощности в коротком временном интервале.

Одним из решений этой проблемы является шунтирование обратного диода более быстрым диодом Шоттки, однако такое решение увеличивает как число полупроводниковых элементов на плате, так и стоимость самого преобразователя. В то же время IGBT-транзисторы выпускаются сегодня в двух модификациях: Single — один IGBT-транзистор и Co-Pack — комбинация IGBT и антипараллельного ультрабыстрого диода. Таким образом, у разработчика появляется возможность выбора оптимального полупроводникового ключа в зависимости от области его применения. Помимо этого, одним из основных преимуществ IGBT перед MOSFET являются большие рабочие токи (в 2—3 раза большие) при одинаковом напряжении. Это свойство позволяет использовать один IGBT-транзистор вместо нескольких параллельно включенных полевых транзисторах или одного очень мощного MOSFET, что положительно сказывается как на стоимости всего устройства, так и на его размерах. В таблице 1 приведены основные характеристики современных силовых транзисторов. Как видно, IGBT выходят на первый план при работе на напряжения более 300 В, высоких плотностях тока (1…3 А/мм2) и средних частотах переключения (5…50 кГц). ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА IGBT КОМПАНИИ IR

International Rectifier — один из мировых лидеров по производству IGBT. Применяемые компанией технологии обеспечивают производство IGBT c очень низким уровнем падения напряжения на единицу плотности тока, что позволяет существенно снизить потери при переключении, а значит и общий уровень потерь. International Rectifier использует три основные технологии производства IGBT, это — PT (Punch Through), NPT (Non Punch Trough) и Trench. Для первых двух технологий применяется планарный затвор, а для последней — вертикальный. PT-технология

76

Таблица 1. Сравнительный анализ транзисторов Силовой MOSFET Способ По напряжению управления Сложность Простое управления

IGBT

Биполярный транзистор

Транзистор Дарлингтона

По напряжению

По току

Простое

Сложное (необходимы токи большой Средней степеамплитуды положини сложности тельной и отрицательной полярности)

Плотность тока

Высокая при малых обратных напряжениях; низ- Очень высокая при больших кая обратных напряжениях

Потери на переключение

Очень низкие

От низких к средним

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Средняя

Данную технологию в настоящее время принято считать стандартной технологией производства

По току

Низкая

От средних к высоким Высокие Рис. 1. Эквивалентная схема IGBT


Рис. 2. Технологии производства IGBT

IGBT. Транзистор, выполненный по PT-технологии, фактиче ски представляет собой силовой N-канальный MOSFET, собранный на подложке p-типа (см. рис. 2а). Особенностью структуры РТ IGBT является наличие комбинации инжектирующего слоя p+ и буферного слоя n+. Благодаря такой структуре увеличивается скорость рекомбинации дырок, что приводит к увеличению скорости выключения транзистора и уменьшению времени и тока рассасывания, а также усилению p-n-p-транзистора. По скорости переключения PT IGBT сравнимы с мощными MOSFET, однако в отличие от более «медленных» NPT-приборов, характеризуются низкой устойчивостью к короткому замыканию и поглощению большой лавинной энергии. NPT-технология

При изготовлении чипов NPT (см рис. 2б) используется однородный диффузионный n-слой подложки, а биполярный p-n-p-транзистор формируется с помощью добавления слоя p+ в основание базы. Такая структура лишена недостатков PT IGBT, в частности, она имеет высокую стойкость к короткому замыканию и прямоугольную область безопасной работы RBSOA, однако для обеспечения высокой стойкости к пробою такая структура должна иметь широкую область подложки, а значит, и сравнительно большое напряжение насыщения. Нужно также отметить, что у NPT IGBT отсутствует буферный слой n+, что, с одной стороны, приводит к уменьшению прямого падения напряжения «коллекторэмиттер», но, с другой стороны, увеличивает время рассасывания и, соответственно, потери выключения на высоких частотах. Trench-технология

Для технологии данного типа затвор полевого транзистора в структуре IGBT формируется в виде

глубокой канавки (trench gate) (см. рис. 2в), при этом также применяется буферный слой n+ в основании подложки. Одним из основных преимуществ вертикального затвора является отсутствие горизонтальных путей протекания тока — он течет к коллектору по кратчайшему пути, что обеспечивает снижение потерь на проводимость. В сочетании с модифицированной конструкцией эмиттера структура затвора позволяет оптимизировать распределение носителей в области подложки и уменьшить напряжение насыщения транзисторов. Кроме того, благодаря снижению энергии потерь при равноценной площади кристалла существенно возрастает ток транзистора (до 60%). IGBT, создаваемые по технологии Trench, имеют самый низкий уровень статических и динамических потерь среди IGBT, производимых IR. В настоящее время на рынке доступны IGBT 6-го поколения от International Rectifier, которые выполнены по технологии DS (Depletion Stop) Trench IGBT. Это семейство характеризуется меньшим (до 30%) падением напряжения «коллекторэмиттер» в открытом состоянии по сравнению с транзисторами 4-го и 5-го поколений. Специалистам International Rectifier удалось добиться уменьшения затворной ёмкости, что привело к увеличению быстродействия и снижению динамических потерь, а также повышению рабочего диапазона частот. Прямоугольная зона безопасной работы обеспечивает надежность прибора при работе с критическими токами и напряжениями. Характеристики транзисторов специфицированы при высокой температуре кристалла (до 175°С) Параметры транзисторов 6-го поколения обеспечивают более эффективное преобразование энергии и могут быть рекомендованы в качестве замены транзисторов 4-го и 5-го поколений

Электронные компоненты №11 2010

77


соответствующей мощности (см. табл. 2) и аналогичных транзисторов других производителей. Ещё одним преимуществом Trench IGBT IR является управляемость положительным напряжением. До недавнего времени отрицательное напряжение было необходимо для обеспечения надёжного выключения IGBT в условиях высокого dV/dt в полумостовой топологии. Специалисты IR решили эту проблему, что позволило значительно упростить и удешевить управляющие драйверы. International Rectifier поставляет на рынок широкую линейку PT, NPT и Trench IGBT. В таблицах 3, 4 представлены транзисторы Trench-технологии на 600 и 1200 В, соответственно.

Рис. 3. Процесс переключения в Standard и UltraFast IGBT

СТАНДАРТНЫЕ, БЫСТРЫЕ И УЛЬТРАБЫСТРЫЕ IGBT

Рис. 4. Зависимость полных потерь на переключение от сопротивления затвора Таблица 2. Замена PT и NPT IGBT на Trench IGBT Ic (T = 100°C, Vg = 15 В), А

Trench IGBT

4

IRGB4059D-PBF TO-220

6

IRGB4045D-PBF TO-220

NPT IGBT

IRGB4B60KD1 IRG4BC10SD, IRG4BC15MD, IRGB4B60KD IRG4BC15UD, IRG4BC10KD IRGB8B60KD

8

IRGB4060D-PBF TO-220

10

IRGB4064D-PBF TO-220

PT IGBT

IRG4BC20SD, IRG4BC20FD, IRG4BC20MD, IRG4BC20UD, IRG4BC20KD

18

IRG4BC30SD, IRG4BC30FD, IRGB10B60KD IRG4BC30MD, IRG4BC30UD, IRGB4056D-PBF TO-220 IRGB15B60KD IRG4BC30KD, IRG4PC40UD, IRGP20B60PD IRG4PC40W IRGB4061D-PBF TO-220

24

IRGB4062D-PBF TO-220 IRGP35B60PD

48

IRGB4063D-PBF TO-220

12

IRG4PC40UD, IRG4PC50UD, IRG4PC50W, IRG4PC40WD

IRGP35B60PD IRG4PC50UD, IRG4PC60 IRGP50B60PD

Таблица 4. Trench IGBT 1200В

Таблица 3. Trench IGBT 600В

78

Модель

Для удобства потребителей International Rectifier делит свои IGBT на три семейства, предназначенных для работы в разных частотных диапазонах: стандартные (Standard), быстрые (Fast) и ультрабыстрые (UltraFast). IGBT семейства Standard характеризуются наименьшим падением напряжения и минимальными потерями на проводимость, что делает их незаменимыми в низкочастотных инверторах напряжения. В свою очередь, Ultrafast IGBT характеризуются низким уровнем потерь на переключение и наименьшими динамическими потерями, в результате чего отлично подходят для применения в высокочастотных схемах преобразования электрической энергии. Рисунок 3 демонстрирует, что оба этих семейства имеют скорости переключения, сравнимые с показателями многих силовых MOSFET. Они работают на частотах до 50 кГц при ШИМ и на частотах до 100 кГц в резонансных и ZVS/ZCS-цепях. Приборы семейства Fast IGBT сочетают в себе свойства двух предыдущих семейств — они характеризуются низкими динамическими потерями и малыми потерями на проводимость, что позволяет сравнивать их динамические характеристики с характеристиками большинства популярных биполярных транзисторов. Одним из преимуществ этого семейства является и тот факт, что полные потери на переключение у Fast IGBT в меньшей степени зависят от параметров цепи затвора, чем у UltraFast IGBT. На рисунке 4 представлена зависимость энергии потерь на переключение от номинала сопротивления в цепи затвора для UltraFast IGBT. В таблице 5 представлены основные параметры Standard, Fast и UltraFast IGBT. Необходимо добавить, что семейства Fast и UltraFast также выпускаются в модификациях, рассчитанных на короткое замыкание, для при-

Корпус Vces, В Vce(on), В Ic, A 25°C/100°C Icm, A

Pd, Вт 25°C

Eoff, мкДж

Модель

IRGB4045DPBF TO-220AB

1,7

12/6

20

77

122

IRG7PH30K10DPBF

IRGB4056DPBF TO-220AB

1,55

24/12

48

140

225

IRG7PH30K10PBF IRG7PH42UDPBF

IRGB4059DPBF TO-220AB

1,75

8/4

16

56

75

IRGB4060DPBF TO-220AB

1,55

16/8

32

99

145

Корпус

Vces, В

Vce(on), Ic, A 25°C/ P , Вт Icm, A d E , мкДж В 100°C 25°C off 2,05

TO-247AC

1200

IRG7PH42UPBF IRG7PSH73K10PBF Super-247

30/16

36

33/23

40

85*/45

1,7

90*/60

2,0

220*/130

120 300

180

680

187

750

320

857

385

1182

1150

4600

IRGB4061DPBF TO-220AB

1,65

36/18

72

206

350

IRGI4061DPBF

TO-220FP 600

1,35

20/11

40

43

350

* Ограничено кристаллом (ограничение тока выводами корпуса см. в документации).

IRGP4062DPBF

TO-247AC

1,6

48/24

96

250

600

Таблица 5. Основные параметры Standard, Fast и UltraFast IGBT

IRGP4063DPBF

TO-247AC

1,65

96/48

192

330

1275

IRGB4064DPBF TO-220AB

1,6

20/10

40

101

200

IRGP4068DEPBF TO-247AC 1,65 IRGP4068DPBF

TO-247AC

WWW.ELCOMDESIGN.RU

96/48

192

330

1275

Standard

Fast

UltraFast

Падение напряжения, В

1,3

1,5

1,9

Энергия переключения, мДж/(А·мм2)

0,54

0,16

0,055

Потери проводимости, Вт

0,625

0,75

0,95


Таблица 6. WARP IGBT Модель

Корпус

Рабочая V , В Vce(on), В Ic, A 25°C Ic, A 100°C частота, КГц ces

IRG4PC40W IRG4PC50W

TO-247AC

2,5

40

20

2,3

55

27

23

12

IRG4PC30W 2,7

60…150 IRG4BC30W IRG4BC30W-S

TO-220AB D2Pak

2,1

Рис. 5. Упрощенная расшифровка номенклатуры IGBT

600 IRG4BC40W

TO-220AB

IRG4IBC20W

Дискретная

2,5

40

20

2,6

11,8

6,2

2,7

17

8,4

2,6

13

TO-220FP IRG4IBC30W IRG4BC20W IRG4BC20W-S IRG4PF50W

TO-220AB 2

D Pak

6,5 60…150

6,5

TO-247AC 900

2,7

51

28

IRG4PF50WD TO-247AC Co-Pack

менения в таких сферах как питание электропривода. На рисунке 5 дана упрощенная расшифровка номенклатуры и в частности, поясняется, как можно отличить стандартные, быстрые и ультрабыстрые IGBT. ПРИМЕНЕНИЕ

Применение IGBT-транзисторов последних поколений позволяет существенно повысить эффективность работы силовых модулей в различных приложениях. Область применения IGBT, выпускаемых IR, достаточно широка: – АС/DC-, DC/AC-преобразователи; – инверторы солнечных батарей; – системы индукционного нагрева; – электропривод в стиральных машинах; – электронный балласт в модуле управления газоразрядными лампами различных видов; – управление компрессором холодильника; – формирователь высокого напряжения в микроволновых печах; – электропривод компрессоров кондиционера; – инверторы сварочных аппаратов; – телекоммуникационное оборудование. В настоящее время солнечные батареи находят все большее применение как альтернативные источники электроэнергии, объемы их продаж постоянно растут. Солнечные батареи образованы из модулей солнечных фотоэлементов, обеспечивающих напряжение 12...100 В и рабочие токи до нескольких десятков ампер. В промышленных применениях (например, опреснителях морской воды) используются солнечные батареи с выходным напряжением 24...100 В и мощностью в несколько киловатт. Схема преобразования солнечной энергии такова: солнечная батарея — буферный аккумулятор — инвертор (DC/AC-преобразователь) 220/380 В — промышленная установка, питающаяся от сети 220/380 В. На рисунке 6 изображен инвертор мощностью 500 Вт с использованием силовых элементов International Rectifier, в том числе и Trench IGBT 6-го поколения. Нельзя обойти вниманием и такой класс IGBT от International Rectifier как WARP IGBT и WARP2 IGBT. Как известно, одной из основных проблем IGBT является наличие токового «хвоста», который составляет основную долю потерь на этапе выключения. В этих транзисторах пробле-

Рис. 6. Инвертор для солнечной батареи

Рис. 7. Зависимость прямого падения напряжения от тока коллектора

ма успешно решена, что позволяет добиться существенного снижения уровня потерь. IGBT этих классов предназначены для применения в мощных импульсных источниках питания с высокой частотой переключения, используемых в телекоммуникационном оборудовании, системах серверов, инверторных сварочных аппаратах. WARP и WARP2 IGBT отличаются гораздо лучшим соотношением цены и качества по сравнению с силовыми MOSFET. Транзисторы наиболее подходят для построения корректоров коэффициента мощности и квазирезонансных конвертеров, особенно если важна цена реализации. Они имеют более низкие потери на проводимость по сравнению с силовыми MOSFET и могут эффективно работать на частотах до 150 кГц благодаря малому времени спада тока и малым потерям при выключении, малому заряду затвора при включении и лучшим характеристикам ультрабыстрого диода. Эти IGBT обеспечивают ток 50 А в корпусе ТО-247 и 20 А в корпусе ТО-220, что соответственно на 85% и 18% выше, чем у 600-В полевых транзисторов в аналогичных корпусах, при гораздо более низкой стоимости. На рисунке 7 представлен график зависимости прямого падения

Электронные компоненты №11 2010

79


Таблица 7. WARP2 IGBT Модель

Корпус

Рабочая I,A V , В Vce(on), В Ic, A 25°C c частота, КГц ces 100°C

IRGP50B60PD1 IRGP35B60PD

TO-247AC Co-Pack до 150

2,00

75

45

1,85

60

34

2,05

40

22

600

IRGP20B60PD IRGB20B60PD1

TO-220AB Co-Pack

напряжения Uce(on) от тока коллектора для MOSFET и IGBT, выполненных по PT и WARP2-технологии. В таблицах 6 и 7 приведены наименования WARP и WARP2 IGBT и их основные параметры. ПОМОЩЬ ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЯ

Для уменьшения сроков разработки, а также для упрощения поиска необходимых IGBT-транзисторов International Rectifier предлагает мощный инструмент, позволяющий быстро и точно произвести выбор IGBT из общей базы предлагаемых компанией транзисторов. Его можно найти на сайте https://ec.irf.com/IGBTselection/ tool.htm. Дружественный интерфейс, а также высокий функционал приложения позволяет всего за несколько

шагов определить подходящий по заданным параметрам IGBT. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

IGBT компании International Rectifier идеально подходят для применения в преобразователях электрической энергии различного типа, где речь идёт о больших значениях рабочих токов и напряжений. Последние поколения этих приборов способны работать на высоких частотах, характеризуются низким падением напряжения и имеют меньшие размеры кристалла по сравнению с предыдущими поколениями.

ЛИТЕРАТУРА 1. Горева Л. IGBT-транзисторы International Rectifier шестого поколения//Силовая электроника, 2009, №4. 2. Satyavrat Laud. IGBT evolution enhances switched-mode power conversion//Power sources, batteries and power management 2007. 3. Колпаков А. NPT, Trench, SPT… Что дальше?//Силовая электроника, 2006, №3. 4. www.irf.com/technical-info/appnotes/an-983.pdf. 5. Звонарев Е. Транзисторные модули Trench IGBT компании International Rectifier для промышленных применений//Силовая электроника, обзоры.

НОВОСТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ | РЫНОК МНОГОЯДЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ИНСТРУМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ БУДЕТ РАСТИ ДО 2012 г. СО СКОРОСТЬЮ БОЛЕЕ 30% В ГОД | Согласно докладу, опубликованному исследовательской компанией VDC Research Group, рынок многоядерных компонентов и инструментов разработки составил в 2009 г. более 200 млн долл. и будет расти до 2012 г. со средней скоростью более 30% в год. Растущий спрос на усовершенствованные пользовательские интерфейсы, высокоскоростную 3D-графику и видео, а также другие задачи, связанные с интенсивной обработкой и передачей данных, заставили специалистов перейти на многоядерные процессоры. Однако сложность многоядерного программирования и недостаточный уровень развития доступных программных решений остаются ключевыми сдерживающими факторами для внедрения многоядерных процессоров на рынке встраиваемых систем. Ожидается, что доля доходов от лицензирования продуктов немного уменьшится с 2009 по 2012 гг., так как заказчики (особенно те, которые используют программные инструменты разработки и моделирования и имеющие бессрочную лицензию на программное обеспечение) перейдут на обслуживание и техподдержку. Другой вывод исследования заключается в том, что внедрение многоядерной архитектуры в критичные с точки зрения безопасности приложения в автоэлектронике, авионике, промышленной автоматике и медицине будет зависеть от желания и возможностей поставщиков программных продуктов помочь разработчикам в сертификации их систем в этих областях. По оценкам VDC Research Group, в 2009 г. компания Wind River с незначительным перевесом удержала лидерство на рынке многоядерных компонентов и инструментов разработки. Ближайшими ее конкурентами стали Enea, Green Hills Software, Lauterbach и LynuxWorks. Семь из десяти ведущих поставщиков многоядерных решений включили в свои продукты операционные системы, что, возможно, указывает на высокий уровень и функциональность предлагаемых многоядерных ОС по сравнению с инструментами разработки и моделирования.

80

www.elcomdesign.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА | ПРОИЗВОДИТЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОПТИМИСТИЧНО СМОТРЯТ НА РЫНОК В 2011 г. | Таковы результаты опроса, проведенного аудиторской компанией KPMG LLP. Опрос 118 руководителей полупроводниковых компаний показал, что 53% респондентов ожидают, что в ближайший год развитие полупроводниковой отрасли достигнет пика. 78% руководителей компаний считают, что уровень доходов в следующем году вырастет более чем на 5% и отрасль покажет признаки дальнейшего восстановления. На вопрос о численности рабочей силы 29% респондентов ответили, что она вырастет более чем на 5%. Это достаточно неожиданный результат, учитывая нестабильное состояние мировой экономики. Устойчивый спрос на электронную продукцию будет поддерживать производителей полупроводников на фоне нестабильного положения экономики. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU


ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ РЕЗИСТОРОВ СТАНДАРТНОГО ТИПА ВЛАДИМИР КОНДРАТЬЕВ, консультант, ИД «Электроника» Последние 20 лет электронная промышленность развивается с удивительной скоростью. Новые технологии позволили уменьшить размеры оборудования и заставили производителей дискретных компонентов создавать устройства, технические характеристики которых приближаются к идеальным. В статье рассматриваются резисторы, произведенные по разным технологиям, сравниваются их характеристики и приводятся практические примеры использования.

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Проволочные резисторы, как правило, классифицируются либо как мощные, либо как прецизионные. Первая категория в большей мере подвержена изменениям в процессе службы, не используется в приложениях с высокой степенью точности и потому не обсуждается в данной публикации. Проволочный резистор изготавливается путем намотки изолированной проволоки высокого сопротивле-

ния вокруг изоляционного каркаса. Прецизионные проволочные резисторы обладают лучшей устойчивостью к электростатическому разряду и меньшим шумом, чем тонко- или толстопленочные компоненты. Проволочные резисторы также имеют меньший ТКС и лучшую стабильность. Начальный допуск у проволочных резисторов имеет низкое значение — около ±0,005%. Типовое значение ТКС, характеризующего изменение сопротивления при изменении температуры, составляет 3 ppm/°C, однако для небольших значений сопротивления ТКС находятся в диапазоне 15…25 ppm/°C. Величина теплового шума низкая, и типовое значение ТКС составляет ±2 ppm/°C в ограниченном диапазоне температуры. В процессе производства проволочных резисторов внутренняя поверхность прилегающей к каркасу проволоки сжимается, а внешняя — растягивается. Постоянные деформации проволоки (в отличие от упругих деформаций), связанные с этим процессом и с нагревом при эксплуатации, необратимы. Непредсказуемые постоянные механические изменения приводят к изменению электрических параметров проволоки и сопротивления. Из-за спиралевидной конструкции проволочные резисторы имеют индуктивность, а между соседними витками возникает емкость. Для уменьшения паразитных параметров используют-

ся особые методы намотки, позволяющие уменьшить индуктивность. Из-за этой индуктивности и емкости у проволочных резисторов плохие ВЧ-характеристики, особенно выше 50 кГц. Трудно изготовить два проволочных резистора, которые имеют идентичные характеристики в определенном температурном диапазоне при одинаковых номинальных значениях сопротивления, особенно если они у них разные номиналы или размеры. Эти трудности растут по мере увеличения разницы между их значениями. Причина такого различия в том, что 1-кОм резистор изготавливается из проволоки другого диаметра, длины и, возможно, сплава, чем, например, 100кОм резистор. Поскольку резисторы с разными номиналами имеют разные термомеханические характеристики, стабильность этих компонентов при использовании варьирует, а расчетные параметры расходятся все больше по мере эксплуатации. В прецизионных цепях чрезвычайно важно использовать резисторы с точно заданным ТКС и стабильностью. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Толщина слоя металлизации тонкопленочных резисторов, полученного путем осаждения металла на керамическую подложку, составляет 50…250 Å. У тонкопленочных резисторов меньшая стоимость и большее сопротивление

Таблица 1. Характеристики различных типов резисторов Технология Фольговый резистор Тонкопленочный резистор Толстопленочный резистор Проволочный резистор

ТКС в диапазоне –55…125°С, 25°С опорн., ppm/С 0,2

Начальный Допуск в конце допуск, % срока службы, % От 0,005

< 0,05

5

От 0,05

< 0,4

50

От 0,5

<5

3

От 0,005

< 0,5

Срок службы при полной Электростат. Темп. ста- Шум, нагрузке при 70°С, номин. разряд, В билизация дБ мощность 2000 и 10 тыс. ч, % 0,005 (50 ppm), 0,01 (100 ppm) 25000 <1с –42 0,05 (500 ppm) 2500 –20 0,15 (1500 ppm) 0,5 (5000 ppm) > нескольких 2000 20 2 (20000 ppm) мин 0,005 (500 ppm) 5000 –35 0,15 (1500 ppm)

Электронные компоненты №11 2010

81 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Спрос на бескорпусные резисторы по-прежнему высок, поскольку они остаются базовыми компонентами многих цепей. К основным функциям этих компонентов относятся защита от электростатического разряда (ESD), термоЭДС (EMF), температурный коэффициент сопротивления (ТКС), саморазогрев, долговременная стабильность, коэффициент мощности и шум. У каждой из технологий производства дискретных резисторов — проволочной, толсто- и тонкопленочной, а также фольговой — имеются свои преимущества и недостатки, отражающиеся на отношении технических характеристик системы к ее стоимости. В таблице 1 кратко представлены характеристики различных технологий изготовления резисторов. Видно, как температурные и механические характеристики влияют на электрические параметры резисторов.


на единицу площади, чем у проволочных или фольговых компонентов. Тонкопленочные резисторы экономичны, занимают меньшее пространство и используются в тех случаях, когда в схемах с не очень высокой степенью точности требуются компоненты с большим сопротивлением. На стабильность этих резисторов влияют высокие температуры. Устойчивость пленки к старению варьирует в зависимости от ее толщины, которая определяет требуемое сопротивление, и, следовательно, варьирует в пределах этого диапазона значений. На ТКС неблагоприятно влияет изменение оптимальной толщины пленки. Скорость ухудшения параметров тонкопленочного резистора с высоким сопротивлением намного больше, поскольку более тонкие слои в большей степени подвержены окислению. Из-за того, что масса тонкопленочного резистора мала, он очень чувствителен к электростатическому разряду. Из-за малой массы металла тонкопленочные резисторы также более восприимчивы к саморазрушению в условиях повышенной влажности. ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

82

Проволочные резисторы не изготавливаются в бескорпусном формате из-за своего размера, внутренней структуры и веса. Несмотря на то, что толстопленочные резисторы обеспечивают меньшую точность, чем проволочные, они намного универсальнее за счет намного большего соотношения между величиной сопротивления и размером компонента, а также намного меньшей стоимости. Частотная характеристика толстопленочных резисторов схожа с характеристиками проволочных и фольговых сопротивлений, но эта технология дает самый большой шум из всех применяемых в настоящее время. Обеспечивая меньшую точность по сравнению с другими технологиями, толстопленочные резисторы находят широкое применение почти во всех типах цепей, в т.ч. прецизионных. Резистивную дорожку толстопленочного компонента образуют частицы, напыленные на стеклянную матрицу. Из-за температурной деформации в процессе службы контакт между ними ослабевает. С течением времени и с увеличением температуры величина сопротивления растет. Таким образом, толстопленочная технология менее стабильна по таким показателям как время, температура и мощность, чем другие. Чем больше сопротивление резистора при заданном размере, тем он

WWW.ELCOMDESIGN.RU

содержит меньшее количество металла, больше его шум и меньше стабильность. Стеклянное содержимое образует защитное покрытие при термообработке резистора, придавая ему большую устойчивость к воздействию влаги, чем имеется у тонкопленочных компонентов. ФОЛЬГОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

Специальный фольговый сплав с известными и контролируемыми свойствами (Ni/Cr с добавками) наносится на керамическую подложку, способствуя возникновению баланса термомеханических сил. Затем на фольге создается фотолитографическим способом резистивная структура. Эта технология обеспечивает такие важные характеристики как низкий ТКС, долговременная стабильность, отсутствие индуктивности, нечувствительность к электростатическому разряду, низкая емкость, высокая температурная устойчивость и малый шум. Эти параметры повышают стабильность и надежность рабочих характеристик системы, исключая необходимость идти на компромисс между точностью, устойчивостью и эффективностью. Стандартные значения ТКС ±1 ppm/°C в диапазоне 0…60°C (0,05 ppm/°C для Z-Foil) реализуются путем термомеханического баланса между сплавом и подложкой. Электроды с противоположно направленными токами позволяют снизить индуктивность, максимальное суммарное значение которой достигает 0,08 мкГн. Максимальное значение емкости — 0,05 пФ. Время установления сигнала, проходящего через 1-кОм резистор, равно 1…10 нс. Оно зависит от величины резистора. Отсутствие звона особенно важно для схем переключения, например, при преобразовании сигнала. Соотношение между сопротивлением по постоянному току 1-кОм резистора, изготовленного по технологии Bulk Metal Foil, и сопротивлением по переменному току при 100 МГц выражается следующим образом: AC-сопротивление/DC-сопротивление = 1,001. Фольговые технологии позволяют реализовать ряд крайне желаемых и ранее недостижимых параметров резисторов. К их числу относятся: низкие ТКС (0,05 ppm/°C в диапазоне 0…60°C); низкие допуски: ±0,005% (вплоть до ±0,005% при герметизации); срок службы при полной нагрузке: ±0,005% (50 ppm) при 70°C; номинальная мощность в течение 2000 ч; повторяемость параметров резисторов величиной 0,1 ppm/°C в диапазоне 0…60°C и устойчивость к электростатическому разряду до 25 кВ.

ВЫБОР РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ

Разумеется, не каждому инженеру требуется обеспечить в приложении полный набор эффективных параметров. Резисторы с не самыми выдающимися характеристиками могут с успехом применяться во многих системах, поэтому вопрос о необходимости выбора определенного компонента сводится к одному из следующих основных сценариев. – Приложения, которые обновляются с помощью резисторов, изготовленных по технологии Bulk Metal Foil и обеспечивающих максимально возможные параметры. – Приложения, в которых требуется несколько, но не обязательно весь набор самых эффективных показателей. – Современные системы, которые можно создать только в настоящее время благодаря усовершенствованным характеристикам прецизионных резисторов. – Намеренное использование прецизионных резисторов с возможностью дальнейшего обновления системы. Принимая решение в рамках сценария 2, к примеру, необходимо сравнить стоимость системы с использованием одного усовершенствованного параметра со стоимостью всего пакета. Возможно, применение резистора со всеми усовершенствованными параметрами обойдется дешевле за счет исключения необходимости использования схемы компенсации (а также стоимости соответствующих компонентов и их монтажа). Добиться экономии можно также за счет применения в схеме прецизионных резисторов, а не активных компонентов, т.к. последние обойдутся дороже при относительно небольшом улучшении эксплуатационных параметров системы. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ В ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ АНАЛОГОВЫХ СХЕМАХ

В устройствах высокого класса тщательный выбор резисторов является одним из наилучших способов избежать или свести к минимуму шум и искажения в тракте сигнала. Мы рассмотрим вопросы генерации шума в резисторах, изготовленных по разным технологиям, а также обсудим наиболее предпочтительный выбор компонентов в этих приложениях. Определяющие параметры

Суммарный шум резистора состоит из нескольких компонентов. Наиболее значимый шум в звуковом оборудовании — тепловой и токовый. Тепловой шум не зависит от резистивного материала. Фактически, его


уровень один и тот же для любого типа резисторов при условии, что сравниваются компоненты с одинаковым сопротивлением и температурой. Спектральная плотность теплового шума ST∙(V2/Гц) равномерно распределена вдоль всего диапазона частот. Она выражается следующим уравнением [1]:

нитных помех, уровень которых может превысить величину токового шума [2]. Фольговые резисторы позволяют избежать этих проблем за счет исключения паразитной индуктивности и последовательного соединения емкостей, минимизирующего паразитную емкость резистора.

ST = 4kTR,

Основными требованиями к усилителю мощности являются высокая линейность усиления и минимальное динамическое искажение. Фольговые резисторы характеризуются очень малой собственной нелинейностью резистивного элемента. Проволочные и некоторые пленочные резисторы имеют схожие характеристики нелинейности, но на практике собственной линейности этих резисторов недостаточно, чтобы обеспечить линейность усиления. Схема усилителя мощности базируется на цепи, схожей со схемой операционного усилителя (см. рис. 2). Его коэффициент усиления k = 1 + + R2/R1 зависит от соотношения R2/R1 цепи делителя напряжения с обратной связью. Резисторы R1 и R2 рассеивают мощность P1 = [VO/(R1 + R2)]2∙R1 и P2 = [VO/(R1 + R2)]2∙R2, соответственно. Таким образом, P2/P1 = R2/R1. Обычно k > 2 и, следовательно, R2 > R1. Это значит, что рассеяние мощности и рост температуры резистора R2 будет всегда превышать те же параметры для R1. Даже если оба резистора имеют одинаковый ТКС (в идеальном случае), коэффициент усиления будет варьировать из-за того, что соотношение R2/R1 зависит от выходного напряжения VO. Таким образом, обычные для аналоговых сигналов всплески могут привести к изменениям коэффициента усиления. В результате возникает нелинейная зависимость между входным VI и выходным напряжением VO (см. рис. 3). Это явление называется тепловой нелинейностью усилителя [4]. Ее причина заключается в саморазогреве резистора, который количественно характеризуется коэффициентом мощности сопротивления (PCR) [5]. Способ уменьшения PCR заключается в выбо-

Выбор типа резистора

Рис. 2. Схема аудиоусилителя мощности

Рис. 3. Нелинейная зависимость между входным VI и выходным напряжениями VO

ре резисторов R1 и R2 с минимальными абсолютными значениями ТКС. ЛИТЕРАТУРА 1. Resistor Theory and Technology. By Felix Zandman, Paul-Rene Simon, Joseph Szwarc. SciTech Publishing, 2002, 308 p. 2. Vasilescu Gabriel, Electronic Noise and Interfering Signals: Principles and Applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. 709 p. 3. Robust Electronic Design Reference Book. By Barnes, John R. Volume 1; 2004. 4. Analog Devices, Inc. Avoiding passive components pitfalls. Application note AN-348. 5. J. Szwarc. Current Sensing with a precision of a few parts per million within a fraction of a second.

Таблица 1. Средние коэффициенты шума коммерческих резисторов NI, дБ

–40

–30

–20

–10

0

+10

Дискретные резисторы Композиционный резистор Осажденный углерод Металлическая фольга Проволочный резистор Интегральные резисторы Тонкопленочные Толстопленочные

Электронные компоненты №11 2010

83 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

где R — сопротивление резистора, Ом; T — температура резистора, K; k = 1,3807∙10 –23, Дж/K — постоянная Больцмана. Токовый шум, с другой стороны, имеет непосредственную взаимосвязь с типом резистивного материала. Спектральная плотность токового шума определяется как SE = (CU2)/f, где С — константа, которая зависит от свойств материала резистивного элемента и технологии его изготовления; U — падение постоянного напряжения на резисторе; f — частота [2]. График спектральной плотности суммарного шумового напряжения показан на рисунке 1. Уровень шумового тока резистора обычно выражается в единицах мкВ/В или децибелах (в виде показателя шума [NI]dB = 20lg[(u/U)∙106], где u — среднеквадратичное шумовое напряжение в декадном диапазоне частот, В; U — падение напряжения на резисторе, В. Чем ниже показатель шума, тем меньше величина токового шума в резисторе. Показатели шума резисторов, произведенных по разным технологиям, представлены в таблице 1 [2]. Из таблицы видно, что резисторы на основе композиционных материалов и толстопленочные компоненты имеют самый высокий уровень шума из-за неоднородной структуры элементов. Тонкопленочные резисторы имеют намного более гомогенную структуру и, следовательно, меньший шум. Самый малый шум вносят фольговые и проволочные резисторы, однако последние обладают индуктивностью, из-за которой наблюдается значительная зависимость импеданса резисторов от частоты сигнала. Кроме того, необходимо обратить особое внимание на следующие эффекты, связанные с реактивностью проволочных резисторов: – аудиоусилитель может спонтанно генерировать сигналы в диапазоне 5…50 МГц, что влияет на качество звука [3]; – эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) может привести к большому фазовому сдвигу, повлияв на звук [3]; – намотанная проволока выступает в качестве приемника электромаг-

Рис. 1. Спектральная плотность суммарного шумового напряжения резистора


СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МИХАИЛ СМИРНОВ, технический консультант, ИД «Электроника» В статье рассматривается концепция передачи мультимедийных данных с высокой скоростью с помощью трансиверов SerDes. Эти устройства имеют ряд преимуществ при передаче больших объемов данных, обеспечивая приемлемое энергопотребление, производительность и стоимость системы. Кроме того, обсуждаются аналогово-цифровые методы коррекции сигнала при его распространении по кабелям длиной более 300 м. ЧТО ОЗНАЧАЕТ SERDES?

SerDes (serializers/deserializers) — схема параллельно-последовательного/последовательно-параллельного преобразования, которая позволяет перейти со стороны передатчика от многоразрядной (широкой) параллельной шины с несимметричными сигналами к последовательной шине с симметричным сигналом. Приемник производит обратное преобразование. SerDes обеспечивает передачу больших объемов данных поточечно, уменьшая при этом сложность системы, ее стоимость, энергопотребление и занимаемое на плате место. Преимущества использования устройств SerDes особенно велики, как только частота параллельных шин данных начинает превышать 500 МГц (1000 Мбит/с). Преимущества последовательных шин данных на сегодняшний день очевидны, и мы не станем на них останавливаться. ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА SERDES

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

84

Принцип работы SerDes относительно прост (см. рис. 1). Данные с параллельной шины, которая переключается с определенной частотой, поступают на параллельную входную шину устройства SerDes. Эти данные синхронизуются на параллельных регистрах SerDes на основе заднего или переднего фронта опорного сигнала, поступающего с параллельными данными от, например, MAC-контроллера или системного про-

цессора. Синхронизация обеспечивается также соответствующим опорным источником сигнала (кварцевым генератором или микросхемой тактового генератора). Данные, загруженные на параллельные регистры, кодируются с помощью стандартных схем, например 8B/10B. Кодер/декодер SerDes (ENDEC) выполняет несколько функций. В первую очередь, поступающий поток данных приложения необходимо подготовить к параллельно-последовательному преобразованию. Например, необработанные потоки данных могут заключать длинные непрерывные комбинации нулей (0000000……) или единиц (1111111…….). В этих случаях SerDes приходится отыскивать окончание длинной последовательности идентичных битов. Схема CDR (Clock and Data Recovery — синхронизация и восстановление данных) устройства SerDes определяет, где меняется плотность потока данных, чтобы избежать пропущенных битов. При кодировании поступающее слово параллельных данных (заранее определенное количество битов параллельных данных) преобразуется в стандартную комбинацию, которая лучше соответствует параллельнопоследовательному преобразованию. Еще одна проблема, связанная с некодируемыми данными, состоит в потере границ кадра в процессе преобразования в последовательную форму. Для того чтобы упростить работу при-

Рис. 1. Процесс преобразования данных в последовательную форму

WWW.ELCOMDESIGN.RU

емника, устройство ENDEC предоставляет специальные кодовые слова (преамбулы), обозначающие границы слова. Приемник может использовать эти преамбулы для разграничения байтов. Например, в схеме 8B/10B используется запятая для установления начальной границы кода в потоке данных. Далее кодированные данные поступают с параллельной шины на последовательную. Функция преобразования SerDes преобразует параллельный набор битов в последовательную форму для последующей передачи по одному дифференциальному каналу. Часто такое преобразование реализуется с помощью регистров сдвига, показанных на рисунке 1. Данные в параллельных регистрах обязательно синхронизуются. Преобразованные в последовательную форму данные с шины поступают на драйвер линии, или в т.н. буфер дифференциального сигнала, который направляет поток данных через медный кабель или проводники объединительной панели. На стороне приемника SerDes преобразованный в последовательную форму поток данных поступает во входной буфер дифференциального сигнала. Входной буфер внутри приемной цепи SerDes превращает поступающие биты (в виде амплитуды напряжения) в цифровой поток данных. Другой основной функцией приемника является восстановление тактовой синхронизации входящего потока последовательных данных. Цепь восстановления синхронизации извлекает тактовый сигнал из потока последовательных данных, поступающих в приемник. Восстановленный сигнал используется для синхронизации поступающего потока, который затем преобразуется в параллельную форму. В процессе преобразования последовательные данные собираются в параллельные слова, которые затем могут декодироваться в начальные слова. Этот процесс зависит от цепи


Рис. 2. Блок-схема ИС SerDes: 1) параллельные вводы-выводы, как правило, являются несимметричными. Они поддерживают такие уровни передачи сигнала как HSTL, LVTTL и TTL. В приложениях с большими скоростями передачи данных параллельный интерфейс также использует уровни дифференциальной передачи LVDS; 2) в дифференциальной передаче сигналов используются две линии в соответствии со стандартами LVPECL, CML и VML; 3) поток последовательных данных, как правило, кодируется по схеме 8В/10В; 4) среда передачи обеспечивает прохождение потока данных от одной точки к другой. В качестве этой среды выступают медный или оптоволоконный кабели

ФАЗОВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ (ФАПЧ)

Система фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) — важная составляющая любого устройства SerDes, т.к. она генерирует тактовый сигнал высокой скорости для управления последовательным передатчиком, а также приемным трактом устройства. В зависимости от архитектуры SerDes это устройство может иметь одну цепь ФАПЧ как для тракта передачи, так и приема, либо две цепи на каждый из них. Цепь ФАПЧ — основной блок схемы CDR, который управляется входящим опорным сигналом. Следовательно, входящие опорные сигналы должны соответствовать строгим требованиям к электрическим характеристикам и джиттеру, иначе плохой опорный сигнал негативно скажется на производительности SerDes. Восстановленный тактовый сигнал, как правило, распараллеливается и передается вместе с параллельными выходными данными.

определенная взаимосвязь между опорным тактовым сигналом и скоростью последовательной передачи данных, с которой должно работать устройство SerDes. Например, устройства SerDes с 10-бит параллельными интерфейсами используют 125-МГц опорную частоту, чтобы скорость передачи последовательных данных составила 1,25 Гбит/с. В этом случае внутренняя цепь ФАПЧ обеспечивает 10-кратное умножение частоты опорного сигнала при условии, что она задается передними фронтами сигнала. Как уже говорилось, качество опорного сигнала является основным фактором, определяющим работу SerDes. Если джиттер в опорном сигнале велик, в потоке последовательных данных, вероятнее всего, содержание этих помех тоже окажется высоким. Если опорный сигнал нестабилен и «блуждает», у потока данных появляются те же характеристики. Таким образом, опорный сигнал устройства SerDes должен отвечать очень строгим требованиям к джитте-

85 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

CDR, обеспечивающей восстановленный тактовый сигнал для управления слаженной работой регистров сдвига, которые собирают параллельные кодированные данные в слова. Поток параллельных битов декодируется в изначальную последовательность данных, которые поступают на параллельные выходные регистры и тактируются выходными буферами параллельных сигналов. Как правило, выходные буферы предназначены для приема несимметричных сигналов. Тактовый сигнал распараллеливается и передается вместе с параллельными данными. Он совмещается по фазе с синхросигналом передачи данных. Часто приемные и передающие тракты SerDes работают на одной частоте, образуя полнодуплексный последовательный канал.

НЕОБХОДИМОСТЬ В ОПОРНЫХ ТАКТОВЫХ ИМПУЛЬСАХ

Опорный тактовый сигнал подается на вход SerDes для управления цепями ФАПЧ этого устройства. Существует

Электронные компоненты №11 2010


Рис. 3. Однокаскадный эквалайзер для коррекции сигнала в 300-м кабеле Cat 5

Рис. 4. Эквалайзер с переменным коэффициентом усиления для кабелей до 300 м

Рис. 5. Каскад с переменным усилением, реализуемым посредством DCP

ру, смещению импульсов во времени (фазово-импульсная модуляция) и времени нарастания/спада импульсов. Требования к опорному сигналу и поддерживаемый частотный диапазон SerDes варьируют в зависимости от поставщика устройств. Например, такие решения SerDes от Texas Instruments как TLK1501, TLK3131, TLK3134 и TLK6002 поддерживают достаточно широкие диапазоны входных частот и потомуобеспечивают высокую скорость передачи данных в соответствии со стандартами Gigabit Ethernet, волоконнооптиче ской связи, 10G Ether net, радио ин терфейса общего пользования и т.д. Устройства SerDes имеют ряд преимуществ при передаче больших объемов данных, обеспечивая приемлемое энергопотребление системы, удобство ее использования, производительность и стоимость. Современные решения SerDes представляют собой устройства с высокой степенью интеграции (см. рис. 2).

дает изображение. Такие расстояния недостаточно велики в случае передачи видеосигнала в аэропортах, торговых центрах или стадионах, когда требуются кабели длиной более 300 м. Рассматриваемые аналоговые и цифровые методы коррекции сигнала при его распространении по длинным кабелям обеспечивают автоматическое определение параметров видео и схему коррекции.

на входе цепи усиливается с тем же коэффициентом, что и сигнал. Чтобы он на стороне приемника был приемлемым, шум эквалайзера должен быть, по крайней мере, на 30 дБ меньше, чем видеосигнал на его входе. Динамический диапазон эквалайзера составляет 100 дБ.

МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ СИГНАЛА ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ПО ВИДЕОКАБЕЛЮ

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

86

Проблема передачи видеосигнала заключается в необходимости доставлять большие объемы информации с высокой скоростью по длинным кабелям. Чем длиннее кабель, тем меньше разрешение принятого изображения. Эти потери сказываются при передаче любого типа данных, но более всего они проявляются на высоких скоростях, при которых передается видео. В таких случаях применяются методы коррекции, однако расстояние по-прежнему остается главным препятствием, поскольку данные передаются на более чем 300 м. Например, стандарт Ethernet предусматривает передачу данных только на 100 м. Возможности применения стандарта HDMI для оборудования развлекательных центров, как правило, ограничены несколькими метрами, если не используется специальный кабель. Периферийные устройства USB работают на расстоянии не более 5 м от ПК во избежание потерь. Камеры видеонаблюдения — крайне популярное видеоприложение — не должны быть удалены более чем на 300 м от панели управления, иначе постра-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

СХЕМА КОРРЕКЦИИ

Эквалайзеры, предназначенные для компенсации потерь в системе, обеспечивают идентичность выходного и входного сигналов. Однако длина кабеля по-прежнему остается нерешенной проблемой. Компенсация потерь — не единственный способ передачи видео на дальние расстояния, но это лучший метод. Другой метод — подавать на вход линии связи сигнал большого напряжения. Например, для передачи видеосигнала на расстояние 1500 м по кабелю Cat 5 (витая пара 24AWG) при ослаблении сигнала в 70 дБ на предельной частоте поднесущей цвета 3,85 МГц входное напряжение должно составлять 3000 В. При этом величина тока, протекающего по очень тонкой витой паре, составит 30 А, и выделится слишком большое количество тепла для таких проводов. Метод коррекции предпочтительнее, потому что он реализуется на приемном конце и не требует генерации сигнала высокого напряжения. Например, на высоких частотах требуется усилить сигнал на 70 дБ (в полном объеме видеосигнал занимает полосу около 5 МГц), чтобы обеспечить соответствующее изображение. В данном случае в 3000 раз усиливается сигнал, а не напряжение. При этом нагрузка на кабель отсутствует, и не возникает потенциальной угрозы разрушения проводов. Однокаскадный эквалайзер усиливает сигнал на 14 дБ, а пять таких устройств обеспечивают усиление в 70 дБ. Это надежное решение, однако оно не избавляет от угрозы возникновения нежелательных помех от электронных усилителей, которые могут подавить полезный видеосигнал. Шум

СХЕМЫ ЭКВАЛАЙЗЕРОВ

На рисунке 3 представлена цепь усиления для компенсации сигнала в 300-м кабеле Cat 5. Эта схема является малошумящим ОУ с достаточно большим произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, обеспечивающим требуемое усиление в 14 дБ. При передаче на более короткие расстояния требуется меньшее усиление. На рисунке 4 в цепи обратной связи резистор выступает в качестве потенциометра. Для управления коррекцией с помощью микроконтроллера или схемы цифровой логики необходимо оснастить этот переменный резистор цифровым входом. Например, можно воспользоваться потенциометром с цифровым управлением (DCP) (см. рис. 5). Возможность построения этой цепи на одном кристалле обеспечивает значительные преимущества в стоимости, функциональности и программируемости. На рисунке 6 показана упрощенная схема автоматического эквалайзера. Рассматриваемый эквалайзер состоит их восьми блоков. Цепь управления с обратной связью и пользовательский интерфейс реализованы с помощью достаточно малого количества элементов блока цифровой логики (блок 1). Логика определяет, в какой мере требуется скорректировать сигнал и как настроить коррекцию. Коды эквалайзеров и фильтров обеспечивают одинаковое поведение каждого кристалла. Блок 2 — дополнительный блок. Поскольку видеокабель в этом случае является витой парой, можно переключать проводники, инвертируя сигнал. Эта цепь определяет факт переключения и инвертирует сигнал для компенсации. Кроме того, поскольку данный видеокабель является двухпроводной витой парой, входной каскад должен быть дифференциальным.


Рис. 6. Полная (упрощенная) схема коррекции

Рис. 7. Исходный сигнал после прохождения по 1,5-км кабелю Cat 5 с коррекцией (справа) и без нее (слева)

Блок 3 является дифференциальным входным усилителем, который принимает сигнал от витой пары. Этот усилитель удаляет синфазную помеху, оставляя только видеосигнал. Размах напряжения данного видеосигнала составляет 1 В. Блок 4 обеспечивает автоматическую регулировку усиления (АРУ), корректируя вариации уровня видеосигнала. Основной блок эквалайзера отвечает за усиление высоких частот, исчезающих при передаче на большие расстояния. Каскады этого блока должны быть малошумящими и подавлять шум

источника питания. Блок 5 состоит из пяти каскадов, которые мы уже обсудили. Блок 6 представляет собой фильтр шума. Если эквалайзер настроен таким образом, чтобы усиливать, например, 5-МГц сигнал, он может усиливать его примерно до 10 МГц, после чего происходит спад сигнала. В результате усиливается шум, для отсечки которого применяется НЧ-фильтр с крутым срезом. Сигнал, прошедший через шумовой фильтр, поступает в еще один блок усиления (блок 7). Этот усилитель обеспечивает достаточный коэф-

фициент усиления и ток управления для сопряжения с другим видеооборудованием. Наконец, блок 8 представляет собой АЦП, который оцифровывает выходной сигнал и подает его в цепь цифрового управления. В случае ошибки какого-либо из блоков эквалайзера цепь выполняет отладку этого блока. Например, если начинается спад выходного сигнала, для его компенсации включается АРУ. На рисунке 7 показаны исходные видеосигналы высокого качества после прохождения 1500 м по кабелю Cat 5 с коррекцией и без нее. Видно, что на таких больших расстояниях теряется цвет, изображение смазывается, а текст становится неразборчивым. Описанный однокристальный эквалайзер позволяет в полном объеме восстанавливать изображение, передаваемое по кабелю длиной более 1500 м. ЛИТЕРАТУРА 1. Atul Patel. The basics of SerDes (serializers/deserializers) for interfacing//www. eetimes.com. 2. Dave Ritter. Applying advanced analog and digital techniques to long video-cable equalization//www.eetimes.com.

НОВОСТИ ПРОЦЕССОРОВ

Электронные компоненты №11 2010

87 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

| MULTICORE ASSOCIATION РАЗРАБАТЫВАЕТ СТАНДАРТЫ С ПОМОЩЬЮ ПРИВЛЕЧЕННЫХ ЭКСПЕРТОВ | Некоммерческая организация Multicore Association (MCA) представила программу гостевого участия, цель которой – привлечь разработчиков стандартов для реализации многоядерных систем. Первой компанией, которая присоединилась к ассоциации в рамках этого гостевой программы, стала консалтинговая фирма EfficiOS. EfficiOS стала участником рабочей группы TIWG (Multicore Association's Tools Infrastructure Working Group), задача которой состоит в определении стандартного формата данных и механизмов совместного использования данных инструментами разработки многоядерных систем. Консорциум MCA обнародовал спецификацию MCAPI (Multicore Communications API) на своем вебсайте. В ближайшее время планируется выпуск еще одной спецификации – MRAPI (Multicore Resource Management API). В настоящее время рабочие группы этой организации занимаются также разработкой документов MPP (Multicore Virtualization, Multicore Resource Management, Multicore Programming Practices) и TIWG (Tools Infrastructure). www.elcomdesign.ru


Датчик разбития стекла — всё под контролем КРИПАСАГАР ВЕНКАТ (KRIPASAGAR VENKAT), системный инженер, Texas Instruments В статье описаны алгоритм распознавания звука разбивающегося стекла и принцип работы системы оповещения. Дана структурная схема датчика разбития стекла на основе недорогого микроконтроллера Texas Instruments. Датчик разбития стекла обнаруживает акустические колебания и анализирует, произошло ли разбитие стекла. Работа датчика в значительной степени зависит от качества приема звука, а также других условий: типа стекла, его толщины и размера, расстояния между датчиком и стеклом, материала и габаритов предмета, которым было разбито стекло, и др. В связи с этим универсального алгоритма распознавания не существует, хотя все они основаны на одном принципе. Различаются пороговые значения и другие параметры. По своему спектру звук разбитого стекла напоминает белый шум (см. рис. 1). В нем присутствует множество высокочастотных компонент. Однако в отличие от шума, ВЧ-колебания всегда предваряет низкочастотный выброс (200…300 Гц), обусловленный ударом предмета о стекло. Именно на этой особенности строится большинство алгоритмов распознавания звука разбивающегося стекла. Так, если был зарегистрирован звук удара, а ВЧ-колебаний не последовало, это свидетельствует о том, что событие не произошло, система сработала на посторонний звук. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ УСТРОЙСТВА

П О С Л Е РА Б О Т Ы

88

Датчик разбития стекла предназначен для непрерывной работы и постоянно находится во включенном состоянии. Реакция на любые звуки должна быть незамедлительной, чтобы обеспе-

Рис. 1. Спектральный состав звука разбивающегося стекла

WWW.ELCOMDESIGN.RU

чить безопасность. Отсюда вытекают два важных требования к устройству: низкое энергопотребление и возможность работы в режиме реального времени. При этом второстепенные блоки можно отключить или перевести в энергосберегающий режим, чтобы увеличить срок службы элементов питания. Все акустические колебания улавливаются микрофоном, усиливаются и проходят через заграждающий фильтр, который отсекает ВЧ-составляющие за пределами слышимого диапазона (20 кГц). Затем аналоговый сигнал преобразуется АЦП в цифровую форму для последующей обработки. Частота дискретизации FS зависит от спектрального состава сигнала, однако для корректного восстановления исходного сигнала она должна быть не ниже 40 кГц. Далее сигнал поступает в блок анализа, где определяется, произошло ли искомое событие. Если параметры сигнала совпадают с характерными параметрами для звука разбивающегося стекла, событие считается наступившим и активизируется исполнительное устройство (сирена, светодиодный индикатор, блокировка двери и т.п.). В качестве вычислительного ядра датчика может применяться процессор, микроконтроллер (МК) или СБИС. Выбор зависит от условий эксплуатации и назначения датчика. В большинстве случаев подобные системы располагаются в помещении, питаются от батарей или аккумуляторов и имеют компактный размер. Для таких устройств наиболее подходящей основой является МК, поскольку он имеет сравнительно низкую стоимость, мало потребляет, легко программируется и поддерживает работу в режиме реального времени. Кроме того, обычно микроконтроллеры имеют широкий набор встроенных периферийных устройств, а также АЦП. Микрофон относится к тем элементам схемы, которые работают постоянно. Он должен не только мгновенно регистрировать акустические колебания, но и иметь низкое энергопотребление. Усилитель на выходе микро-

фона должен обладать достаточно высоким коэффициентом усиления и низким током включения. В качестве заграждающего фильтра обычно используется простой ФНЧ первого или второго порядка, представляющий собой операционный усилитель с коэффициентом усиления 1. АЛГОРИТМ РАБОТЫ

Примерно каждые 2,5 мс микрофон и ОУ1 переводятся в активное состояние и проверяют звуковой фон. Если акустических колебаний не обнаружено, они выключаются и МК переходит в режим со сниженным энергопотреблением. В противном случае начинается процедура идентификации звука удара. Для этого запускается АЦП и в его выходном сигнале производится поиск низкочастотной компоненты. Если она найдена, программа переходит к алгоритму обнаружения шумоподобного высокочастотного звука разбитого стекла. Если нет, то повторяется прослушивание на наличие звуковой активности. При обнаружении звука разбивающегося стекла активизируется светодиодный индикатор или сирена, чтобы оповестить пользователя. Далее весь алгоритм повторяется. Для обнаружения звуковых колебаний производится сравнение входного сигнала АЦП с предустановленными пороговыми значениями, чтобы отличить полезный сигнал от шума. Глухой звук удара слышен только вначале, поэтому цифровой ФНЧ с частотой отсечки 350 Гц фильтрует только первые несколько выборок. Далее отфильтрованные выборки усредняются и сравниваются с предустановленным пороговым значением. Если энергия сигнала превышает порог, система регистрирует звук удара, после чего запускается алгоритм обнаружения звука разбивающегося стекла. Цифровой ФНЧ должен быть небольшим, но эффективным, с частотой выборки 4 кГц. В этом же каскаде стоит заграждающий фильтр с частотой отсечки 2 кГц. Алгоритм обнаружения звука разбивающегося стекла сложнее. Он состоит


из двух частей: первичная обработка на наличие звука удара предмета о стекло, проводящаяся в каждой выборке, и вторичная, на которой производится поиск ВЧ шумоподобного сигнала. На первой стадии используется заграждающий фильтр с полосой 20 кГц. Выборки производятся с частотой 40 кГц. Сигнал усредняется, после чего производится подсчет пересечений нуля и положительных пиков, которые появляются примерно каждые 60 мс или 2400 выборок. Для выделения ВЧ-компонент исходного сигнала используется ФВЧ с частотой отсечки, равной ¼ частоты выборки. Данные операции производятся над всеми выборками и должны завершаться до прихода следующей выборки, чтобы обеспечить работу в режиме реального времени. На второй стадии поиска работа в реальном времени не требуется. Производится анализ сигнала и выносится решение, последовал ли звук разбивающегося стекла за ударом. Для этого вычисляется отношение полной энергии сигнала к энергии, прошедшей через ФВЧ. Если оно лежит в пределах 1,75—14, то регистрируется наступление события. Затем проверяется количество пиков (должно быть в пределах 160—320) и пересечений нуля (95—300). Если все условия выполняются, то считается, что стекло было разбито и производится запуск исполнительного устройства. В зависимости от внешних условий пороговые значения можно изменить.

Рис. 2. Структурная схема датчика ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

Структурная схема устройства показана на рисунке 2. В качестве основы схемы был выбран 16-разрядный МК MSP430F2274 (Texas Instruments) с рабочей частотой 16 МГц и ультранизким потреблением. Он содержит внутренний маломощный низкочастотный осциллятор с частотой 12 кГц, два 16-разрядных таймера и 10-разрядный АЦП с частотой преобразования до 200 кГц. Для формирования входного аналогового АЦП предусмотрено два усилителя 0 и 1. ОУ 0 работает как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 7 и усиливает выходной сигнал микрофона. Микроконтроллер потребляет 0,7 мкА в режиме ожидания и 250 мкА в активном режиме, что делает его подходя-

щим для устройств с питанием от батарей. Поскольку MSP430F2274 содержит два ОУ, то внешний заграждающий фильтр можно исключить. Теоретически это ухудшит характеристики схемы, однако на практике разница почти незаметна. Ориентировочный срок работы от двух элементов ААА емкостью 800 мАч составляет 416 дней, если звук разбивающегося стекла обнаружен не был. Этот срок можно увеличить, если производить включение микрофона реже, однако при этом повышается риск пропуска события. ЛИТЕРАТУРА 1. Venkat K. Glass-breakage detector uses one microcontroller//www.edn.com/ article/510388-Glass_breakage_detector_ uses_one_microcontroller.php.

НОВОСТИ ПРОЦЕССОРОВ

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №10 2010

89 П О С Л Е РА Б О Т Ы

| ИССЛЕДОВАТЕЛИ ВСТРАИВАЮТ ПРОЦЕССОР В ПОЛИМЕРНУЮ ПЛЕНКУ | На конференции ISSCC , которая состоится в феврале 2011 г. в Сан-Франциско, исследователи из Европы расскажут о 8-разрядном 6-Гц устройстве, сформированном на двух листах полимерной пленки толщиной всего 25 мкм и использующим 10-В питание. Как сказал один из организаторов ISSCC Кен Смит (Ken Smith), органический процессор представляет собой вполне реальную перспективу, хотя сейчас еще далеко до его практического использования. На другом краю спектра представленных на конференции разработок IBM находится один из самых быстрых на сегодняшний день микропроцессоров — 5,2-ГГц КМОП-чип, разработанный для большой ЭВМ серии Z этой компании. 4-ядерный центральный процессор, изготовленный по 45-нм технологии «кремний-на-изоляторе», содержит почти 30-Мбайт кэш-память и будет использоваться в системах zEnterprise от IBM. Корпорация Intel собирается установить рекорд со своим 32-нм процессором Itanium, который содержит 3,1 млрд транзисторов, большинство из которых используется для 54-Мбайт кэш-памяти. Ее объем почти в два раза превосходит размер кэш-памяти, когда-либо реализованный на кристалле. 8-ядерный процессор Poulson от Intel имеет площадь кристалла 544 мм2 по сравнению с кристаллом площадью 512 мм2 для ЭВМ серии Z от IBM. Процессор Poulson использует версию технологии Intel Quick Path Interconnect, которая обеспечивает скорость обмена информацией на уровне 8 Гпересылок/с, а также встроенную скоростную кольцевую шину, заимствованную из серверного процессора Nehalem. Независимо друг от друга, корпорация Intel и ее главный соперник, компания Advanced Micro Devices, представят набор процессоров, совмещающих x86-ядро и графическое ядро, которые дебютируют в январе. Intel расскажет о 32-нм процессоре Sandy Bridge, который содержит четыре x86-ядра и графическое ядро. AMD представит 40-нм процессор Zacate, использующий два новых x86-ядра Bobcat и графическое ядро Radeon HD5000.


Новые компоненты на российском рынке АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ Новый 16-В операционный усилитель с низким током потребления от Microchip

Компания Microchip анонсирует семейство операционных усилителей общего назначения MCP6H01 и MCP6H02 (MCP6H01/2), имеющих низкий ток потребления (135 мкА), с полосой 1,2 МГц и напряжением питания 3,5…16 В. Эти операционные усилители имеют максимальное смещение 3,5 мВ, типовое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) 100 дБ и типовое значение подавления пульсаций источника питания (PSRR) 102 дБ. Операционные усилители MCP6H01/2 разработаны для устройств, имеющих диапазон питающих напряжений до 16 В, таких как портативные измерительные приборы, кардио-мониторы и приборы измерения кровяного давления в медицинском сегменте, датчики приближения, температуры или расхода жидкостей и/или газа в автомобильном сегменте, измерители тока в промышленном сегменте. Высокие значения CMRR и PSRR улучшают шумовые характеристики, а низкий ток потребления и миниатюрные корпуса делают операционные усилители MCP6H01/2 пригодными для портативных приложений. Разработка с применением новых операционных усилителей поддерживается с помощью рекомендованных посадочных мест на печатной плате и схемными изображениями, которые доступны для скачивания с сайта Microchip по ссылке www.microchip.com/get/2KPK. Операционные усилители предлагаются в 8-выводных корпусах типа SOIC или 2×3 мм корпусах типа TDFN. Для получения подробной информации посетите сайт компании Microchip по ссылке www.microchip.com/get/MTL1. Ключевые особенности операционных усилителей. – Новые операционные усилители увеличивают срок службы устройств с батарейным питанием и имеют улучшенные шумовые характеристики. – Миниатюрные корпуса для портативных устройств. – Разработаны для автомобильных, промышленных, медицинских приборов с батарейным питанием и других применений. Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

ДАТЧИКИ

90

3-осевой широкополосный монитор вибрации со встроенным анализатором Фурье от Analog Devices

Компания Analog Devices анонсировала первый в отрасли 3-осевой широкополосный монитор вибрации со встроенными модулями цифровой обработки сигналов и быстрого преобразования Фурье — ADIS16227. Ключевые особенности модуля ADIS16227. – Широкая полоса рабочих частот до 22 кГц с возможностью выбора диапазонов измеряемых ускорений в пределах ±1g, ±5g, ±20g, ±70g через интерфейс управления и данных SPI. – Встроенный модуль цифровой обработки сигналов представляет собой набор готовых функций дециматорного фильтра и оконной выборки. Модуль быстрого преобразования Фурье в режиме реального времени позволяет производить преобразование для каждой из трех осей по 512-ти точкам с прямоугольным окном, по функции Хенинга, либо с плоской характеристикой. Также имеется функция усреднения спектра по 256-ти выборкам и возможность внутреннего хранения 16-ти записей результатов преобразования.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– Возможность программирования сигнализации подхода и превышения порогов в шести разных анализируемых полосах, а также задержки для исключения ложных срабатываний. – Прочный алюминиевый модуль 15×15×15мм с гибким ленточным кабелем для диапазона рабочих температур –40…125°С. Основное применение ADIS16227 — мониторы вибрации, системы контроля машинного «здоровья», инструментальное и диагностическое оборудование, системы безопасности на производстве. Краткие основные характеристики: – напряжение питания: 3,15…3,6 В; – интерфейс управления и данных SPI; – возможность самотестирования; – возможность измерения температуры и напряжения питания; – возможность чтения серийного номера устройства и его идентификация; – диапазон рабочих температур: –40…125°С. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Новый векторный анализатор цепей «Обзор TR1300/1» от ООО «Планар»

ООО «Планар» (г. Челябинск) приступил к выпуску нового векторного анализатора цепей «Обзор TR1300/1». Прибор предназначен для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения (S–параметров) СВЧ-устройств в диапазоне частот от 0,3 до 1300 МГц. Для измерения нелинейных свойств четырехполюсников и расширения диапазона измерений в приборе используется регулировка выходной мощности от –55 до +3 дБм. Основные особенности прибора. – Измеряемые параметры S11 и S21. – Динамический диапазон более 130 дБ. – Шаг установки частоты 1 Гц. – Время измерения на одной частоте 150 мкс. – Анализ во временной области. – Измерение устройств с преобразованием частоты. – Прибор поддерживает различные виды калибровок: нормализация отражения и передачи; полная однопортовая калибровка; однонаправленная двухпортовая калибровка. – Низкая цена. ООО «Планар» www.planar.chel.ru

Дополнительная информация: см. «Планар», ООО

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (Санкт-Петербург) представляет качественно новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы: ГК218-ТС и ГК219-ТС. ГК218-ТС — это миниатюрный термостатированный кварцевый генератор в корпусе размером 25×25×10 мм.


Поставляется с частотами от 48 МГц до 1000 МГц. Характеризуется высокой температурной стабильностью частоты (до 5∙10 -8) в широком интервале рабочих температур, высокой долговременной стабильностью частоты (до 2∙10 -7 за год) и низким уровнем фазовых шумов: до –170 дБ/Гц для частоты 100 МГц при отстройке 100 кГц. ГК218-ТС имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 или 5 В. Характерной особенностью новой модели является малое время установления частоты: не более 60 с. Доступен вариант исполнения в корпусе с SMA разъемом. ОАО «Морион» заканчивает разработку кварцевого генератора ГК219-ТС с теми же габаритно-присоединительными размерами, как и у описанного выше ГК218-ТС. Обладая схожими электрическими характеристиками, ГК219-ТС будет иметь существенно более высокую стойкость к внешним воздействующим факторам. Предназначен для специальных применений и будет поставляться в категории качества «ВП». Уникальные характеристики делают указанные генераторы эффективным решением для применения в различных типах радиолокационного оборудования, а также для любых видов синтезаторов частот. Дополнительная информация об этих и других новых приборах доступна на обновленном сайте www.морион.рф. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Интегральные цифровые изоляторы на 2,5 кВАС со встроенным драйвером трансформатора от Analog Devices

Компания Analog Devices анонсировала новую серию четырехканальных интегральных цифровых изоляторов со встроенным драйвером трансформатора: ADUM3470, ADUM3471, ADUM3472, ADUM3473, ADUM3474. Новые изоляторы обеспечивают гальваническую изоляцию 2,5 кВ АС четырех цифровых линий приемапередачи и позволяют построить гальванически изолированный DC/DC-источник питания мощностью до 2 Вт с применением внешнего стандартного трансформатора, что обеспечивает КПД до 70%. Частота преобразования задается внешними компонентами в полосе 200 кГц…1 МГц, а выходное напряжение может быт получено в диапазоне 3,3…24 В. Микросхемы найдут широкое применение в промышленных системах сбора и преобразования данных, промышленных логических контроллерах и компьютерах, интерфейсах и системах управления двигателями. Для апробирования новых интегральных изоляторов доступна отладочная плата EVAL-ADUM3471. Краткие основные характеристики: – номинальное напряжение питания: 3,3 и 5,0 В; – номинальный ток потребления: 52 мА (при скорости передачи 25 Мбит/c); – максимальная скорость передачи: 25 Мбит/с; – частота работы драйвера трансформатора: 200 кГц…1 МГц; – максимальная выходная мощность преобразователя: 2 Вт; – диапазон выходных напряжений преобразователя: 3,3…24 В; – защита от перегрева и превышения тока; – напряжение изоляции: 2,5 кВ АС; – диапазон рабочих температур: -40…105°С; – тип корпуса: 20-TSSOP Микросхемы доступны для серийного производства. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

МК И DSP Микроконтроллер на базе ARM Cortex-M3 со встроенным радиомодулем от Analog Devices

Основное применение микроконтроллера ADUCRF101 компании Analog Devices — системы беспроводных датчиков. ADUCRF101 найдет применение в системах учета показаний счетчиков, в системах телеметрии в медицине, системах автоматизации зданий и системах отслеживания перемещении и безопасности. Микроконтроллер включает в себя радиомодуль ISM-диапазона (на основе ADF4023), многоканальный 12-разрядный АЦП, процессорное ядро на основе ARM Cortex M3, ОЗУ и флэш-память. Микроконтроллер построен на основе ядра с низким энергопотреблением ARM Cortex-M3. Оно обеспечивает производительность до 1,25 DMIPS и включает в себя контроллер прямого доступа к памяти на 14 каналов. На кристалле также размещены до 128-КБ флэш-память и 16-КБ ОЗУ. Радиомодуль построен на микросхеме ADF4023 — 2 FSK/GFSK/OOK-приемопередатчике с ультранизким энергопотреблением. Радиомодуль предназначен для работы в нелицензируемых диапазонах 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц. Поддерживаемые скорости передачи: от 1 до 300 Кбит/с. Основные характеристики ADuCRF101 представлены в таблице. 32-разрядное ядро ARM Cortex-M3 До 128-Кбайт флэш-память, 16-Кбайт ОЗУ 862…928 МГц, 431…464 МГц 1…300 Кбит/с –20…12 дБм 6 режимов пониженного энергопотребления; Режимы пониженного энергопотрепотребление в дежурном режиме с сохранебления нием данных ОЗУ 1,6 мкА 8,7…32 мА в режиме передачи; Потребляемая ток 12,8 мА в режиме приема Поддерживаемы виды модуляций 2 FSK/GFSK/OOK/MSK/GMSK –107,5 дБм при 38,4 Кбит/c Чувствительность приемника 38 дБ соседний канал (шаг сетки каналов Избирательность 500 кГц, ширина ПЧ 300 кГц) Процессорное ядро Память Рабочие диапазоны частот Скорость обмена по радиоканалу Излучаемая мощность

Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

91

ЭЛЕКТРОПРИВОД Малогабаритный контроллер положения от maxon motor

Компания maxon motor (Швейцария) представляет новый малогабаритный контроллер положения EPOS2 24/2. Этот контроллер является дальнейшим развитием второго поколения семейства контроллеров EPOS2. Новый контроллер EPOS2 24/2 прекрасно интегрируется в модельный ряд контроллеров EPOS2. Несколько

Электронные компоненты №11 2010


исполнений устройства обеспечивают возможность работы с коллекторными и бесколлекторными двигателями мощностью до 48 Вт. Новый контроллер приходит на смену ранее разработанному контроллеру EPOS 24/1. EPOS2 24/2 обладает всеми характеристиками контроллера EPOS 24/1, а также рядом новых возможностей (например, USB-интерфейс для настройки параметров). Выходная мощность контроллера увеличена в два раза, а габаритные размеры при этом не увеличились. Контроллер EPOS2 24/2 обладает обратной совместимостью с более старой моделью EPOS 24/1 в части системы команд, разъемов, электрических параметров. По сравнению с другими контроллерами семейства, EPOS2 24/2 имеет более высокую частоту ШИМ на выходе — 100 кГц. Это позволило уменьшить размеры фильтрующих элементов. Основные характеристики контроллера EPOS2 24/2: – работа в режиме контроллера положения, скорости или тока; – работа в сетях CANopen; – возможность управления по интерфейсу RS232 или USB; – работа в режиме шлюза RS232-CAN или USB-CAN; – поддержка скоростей вращения двигателя до 100000 об/мин; – поддержка энкодеров с разрешением до 2 500 000 отсчетов; – частота следования импульсов энкодера до 5 МГц; – частота ШИМ на выходе 100 кГц; – поддержка аналогового задающего сигнала; разрешение АЦП 12 бит; – работа в режиме интерполяции положения; в этом режиме привод может точно отрабатывать заданную траекторию перемещения; – напряжение питания до 24 В, рабочий ток двигателя до 2 А; – размеры модуля: 55×40×16…20 мм. maxon motor ag www.maxonmotor.com

Новые линейные шаговые приводы в круглом корпусе от Haydon Kerk

Расширяя семейство линейных шаговых приводов в круглых корпусах, компания Haydon Kerk Motion Solutions (США) приступает к выпуску семейства приводов G4 с улучшенной надежностью и повышенной производительностью. Семейство линейных приводов G4 включает в себя три серии, выполненных по единой технологии: 19000 (диаметр 20 мм), 25000 (диаметр 25 мм) и 37000 (диаметр 36 мм). В новое семейство были внесены изменения в геометрию зубцов статора, применены усиленные неодимовые магниты, а также были применены специально разработанные пластиковые материалы и усиленные выходные подшипники, обеспечивающие улучшенную поддержку ротора и высокие осевые нагрузки. Благодаря новой конструкции приводы G4 развивают до 1,5 раз больший момент по сравнению с ранее разработанными приводами. Как и другие серии линейных приводов Haydon, приводы G4 могут быть заказаны в одном из трех исполнений: Captive, Non-Captive или External Linear. Семейство G4 обладает высоким отношением линейного усилия к размеру, и может быть использовано в целом ряде приложений, требующих мощных и точных линейных приводов, например, для обеспечения точных линейных перемещений в таких приложениях, как медицинское оборудование, устройства сканирования штрих-кодов, печатное оборудование и лабораторное оборудование. Haydon Kerk Motion Solutions www.haydonkerk.com

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Компания Harmonic Drive (Германия) обновила серию малогабаритных волновых редукторов CSF. К ранее выпущенным четырем типоразмерам добавлен новый типоразмер 3 (13×13 мм) — самый маленький в данной серии. Теперь серия состоит из пяти типоразмеров, для каждого из которых доступны передаточные числа от 30 до 100. Кроме того, добавлено несколько вариантов исполнения с отличиями в конструкции входных и выходных элементов. Исполнения отличаются по виду выходного элемента (вал или фланец), входного элемента (вал или втулка), а также по конструкции крепежного фланца. В конструкции редукторов серии CFS применён компактный выходной подшипник с четырехточечным контактом, что обеспечивает высокую жесткость на изгиб. Входной вал также имеет подшипник. Исполнение с входной втулкой предназначено для непосредственной установки редуктора на двигатель. Специальная конструкция деталей редуктора вместе с укороченными вариантами подшипников позволила получить особенно компактный редуктор. По сравнению с ранее разработанной серией PMG волновые редукторы CSF имеют более высокую производительность, благодаря улучшенной конструкции используемой волновой передачи. Параметры редукторов CFS. – Выходной момент в длительном режиме — от 0,07 до 11 Нм; – Входная скорость в длительном режиме — до 6500 об/мин; – Максимальный кратковременный момент — от 0,09 до 28 Нм; – Габариты от 13×13×20,5 до 51×51×70 мм. Harmonic Drive AG www.harmonicdrive.de

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

92

Малогабаритные редукторы CSF от Harmonic Drive

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Авитон», ЗАО 197376 С.- Петербург, Аптекарский проспект, д. 6, оф. 717 Тел.: +7 (812) 702-10-01 sales@aviton.spb.ru www.aviton-spb.ru «Планар», ООО 454091, Челябинск, ул. Елькина, д.32 Тел.: (351) 729-97-77, (351) 263-26-82 welcome@planar.chel.ru www.planar.chel.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru


ЭК 11 2010  

30 Байонгчул Чо, Сангил Йонг Вентильно-индукторные двигатели в «зеленых» системах 32 Майк Брогли Программируемые ИС смешанного сигнала для у...