Современная электроника 2018 №4

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 2. Основные характеристики переходов серии ADP1A На правах рекламы Наименование Характеристика Переходы в тракте Переходы между трактами Переходы в тракте 7,0/3,04 мм 7,0/3,04 мм и 3,5/1,52 мм 3,5/1,52 мм Цветовой Диапазон рабочих частот, ГГц 0…18 0…32 идентификатор Вносимые потери, не более, дБ 0,10 0…18 0,15 КСВН, не более 0,10 Повторяемость коэффициента 1000 1,05 335 отражения, дБ 5000 −60 3000 Сопротивление изоляции, не менее, МОм 1000 – 0,8…1,0 Рабочее напряжение, не более, В 335 3000 Количество сочленений (ресурс) Маркер Момент вращения гайки при сочленении: 1,1…1,7 1,1…1,7 N и III, Н⋅м 3,5 мм и IX, Н⋅м – 0,8…1,0 Рис. 2. Маркировка переходов серии ADP1A Температура окружающего Рабочие условия эксплуатации воздуха, °С Соответствие предъявляемым тре- −60…+110 бованиям достигается благодаря при- Относительная влажность воздуха менению ряда технологических и кон- при температуре +25°С, не более, % 90 структивных решений (см. табл. 1). 70…106,7 Атмосферное давление, кПа Каждый переход имеет цветовую идентификацию согласно схеме, раз- ная, цветовая и маркерная) упрощает НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕХОДОВ работанной группой P287 Института определение типа соединителей пере- инженеров электротехники и электро- ходов при эксплуатации и делает про- Переходы измерительного класса ники (IEEE). Кроме цветовой иден- цесс подключения более безопасным. предназначены для выполнения цело- тификации, переходы имеют осо- (см. рис. 2) го ряда функций. бые маркеры в виде дополнительной 1. Соединение радиотехнических проточки на корпусе или рифления В таблице 2 приведены основные на гайке для отличия метрических характеристики переходов серии устройств и кабелей. Это примене- соединителей III и IX от дюймовых ADP1A. Более подробные характери- ние является типичным и наиболее N и 3,5 мм соответственно. Наимено- стики переходов представлены в руко- распространённым. вание перехода, содержащее инфор- водстве по их эксплуатации, которое 2. Работа в качестве защитных мацию о типах соединителей, выгра- можно найти на сайте изготовителя устройств (в английской термино- вировано на его корпусе. Наличие [1]. На рисунках 3–6 представлены гра- логии – savers). При подключении к трёх видов идентификации (буквен- фики типичных зависимостей коэф- портам измерительных приборов, фициентов передачи и отражения от тестируемых модулей или к СВЧ- частоты. кабелям во время измерений или испытаний переходы предохраня- Коэффициент передачи, дБ0,05 1,10 КСВН 0 1,08 –0,05 –0,10 1,06 –0,15 –0,20 1,04 –0,25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1,02 Частота, ГГц Рис. 3 Коэффициент передачи (вносимые потери) переходов в тракте 1,00 7,0/3,04 мм 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Частота, ГГц Рис. 4. КСВН переходов в тракте 7,0/3,04 мм 0,05Коэффициент передачи, дБ 1,10 КСВН 0 1,08 47 –0,05 –0,10 1,06 –0,15 –0,20 1,04 –0,25 1,02 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Частота, ГГц 1,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Рис. 5. Коэффициент передачи (вносимые потери) переходов в тракте Частота, ГГц 3,5/1,52 мм Рис. 6. КСВН переходов в тракте 3,5/1,52 мм СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Анализатор На правах рекламы Переход Совместимость Защита Кабель СВЧ ХХ КЗ СН Перемычка Исследуемое устройство Переход Стабильность Защита Рис. 7. Использование переходов совместно с кабелем СВЧ Рис. 8. Схема калибровки и измерений ют их входы/выходы от поврежде- амплитудно- и фазочастотные харак- ды серии ADP1A на выходе из про- ний и тем самым продлевают срок теристики кабеля в целом. Например, изводства могут быть дополнитель- службы устройств. Поскольку пере- в системах на основе векторного ана- но проверены на векторном анали- ходы относятся к измерительному лизатора цепей (ВАЦ) даже незначи- заторе цепей высокой точности. На классу, они не приводят к ухудше- тельное изменение электрических основании проверки выдаётся серти- нию характеристик приборов даже характеристик кабеля отражается фикат заводской калибровки и s2p- самого высокого метрологического на стабильности плоскости «кали- файл, содержащий значения ком- уровня. Переходы серии ADP1A име- бровки», т.е., другими словами, на по- плексных коэффициентов передачи ют специальную конструкцию сое- грешности измерений S-параметров и отражения перехода в диапазоне динителей с увеличенным ресур- исследуемых устройств. Существует рабочих частот. сом, что обеспечивает защиту портов и ряд других приложений, где каче- 5. Переходы входят в состав измери- устройств в течение длительного вре- ство измерений параметров сигна- тельных приборов, расширяя их мени. Эта особенность является наи- лов или цепей напрямую зависит от функциональные возможности. более актуальной при работе с изме- стабильности параметров кабеля при рительными приборами, стоимость изменении его положения, поэтому ВЕКТОРНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ которых достаточно высока и коли- для дополнительной механической чество которых на предприятии, как развязки центрального проводни- ЦЕПЕЙ правило, ограничено. Переходы се- ка кабеля относительно плоскости Для измерения S-параметров мно- рии ADP1A защищают порты, прод- подключения к нему какого-либо левают срок их службы и не искажа- устройства или прибора рекомен- гополюсников чаще всего использу- ют результаты измерений. дуется использовать переходы из- ют векторные анализаторы цепей как 3. Улучшение параметров радиоча- мерительного класса (см. рис. 7). средства, обладающие самой высокой стотных кабелей. При использова- Таким образом, применение пере- точностью. ВАЦ представляет собой нии совместно с СВЧ-кабелями пе- ходов измерительного класса позво- систему, состоящую из компарато- реходы серии ADP1A защищают, как ляет повысить качество измерений в ра, кабелей и переходов, наборов мер указано выше, и повышают стабиль- системах, неотъемлемой частью ко- коэффициентов передачи и отраже- ность соединителей. Требования к торых являются СВЧ-кабели, оказы- ния и управляющего программного соосности проводников и качеству вающие непосредственное влияние обеспечения. изготовления контактных поверхно- на результаты. стей у соединителей переходов из- 4. Переходы самостоятельно высту- Для того чтобы обеспечить соответ- мерительного класса гораздо жёстче, пают в качестве мер коэффициен- ствие системы заявленным характе- чем у соединителей кабельных сбо- тов передачи и отражения и исполь- ристикам, её необходимо правильно рок. Практически любой СВЧ-кабель, зуются в процессе калибровки или сконфигурировать, используя необхо- даже самого высокого класса, чув- поверки радиотехнических средств димые кабели и переходы для под- ствителен к изгибу. В момент изгиба измерений, если это установлено в ключения исследуемых устройств, и происходит смещение центрального их документации. Для переходов выполнить «калибровку». В данном проводника, которое приводит к из- как средств измерений или этало- случае под термином «калибровка» менению его электрических харак- нов единицы величины устанавли- подразумевается штатная процеду- теристик, в частности S-параметров. вается прослеживаемость результа- ра настройки ВАЦ перед использова- Чем выше класс кабеля, тем меньше тов измерений к государственному нием, схожая по назначению с уста- подобное смещение, тем стабильнее первичному эталону ГЭТ 75. Перехо- новкой нуля и проверкой диапазона для некоторых радиоизмерительных приборов. «Калибровку» можно счи- тать реальным способом управления 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ точностью проводимых измерений. Таблица 3. Отличительные особенности соединителей в метрическом и дюймовом исполнении К этой процедуре следует относиться На правах рекламы с особой тщательностью и понима- Тип Диаметр штыря центрального проводника Диаметр отверстия Тип резьбы нием. Для проведения «калибровки» соединителя соединителя «вилка», в гнездовом контакте используют специальные наборы мер, d, мм соединителя «розетка», D, мм 5/8″-24UNEF состоящие из нагрузок, максимально N M16×1 перекрывающих комплексную пло- III 1,651±0,013 1,600…1,676 скость S-параметров, а также отрезков 3,5 мм 1/4″-36UNS линий передачи и переходов. Перехо- IX 1,700−0,025 1,675…1,700 M6×0,75 ды в такой системе могут выполнять 0,927±0,008 несколько функций (см. рис. 8): 0,902…0,940 1. Обеспечение совместимости соеди- 0,900−0,025 0,875…0,900 нителей измерительных портов и ис- следуемых устройств. Для расшире- пей, если известны S-параметры пе- хуже по ГОСТ 8.569), то допускается не ния типов соединителей, поддержи- рехода; учитывать их параметры, но рекомен- ваемых ВАЦ, в первую очередь в его ● с помощью функции «удлинение дуется убедиться, что неисключённая состав должны быть включены пре- порта», если S-параметры перехода систематическая погрешность, обу- цизионные переходы класса не ниже являются неизвестными (для это- словленная влиянием перехода, его измерительного. Используемые для го в номенклатуре технических S-параметрами, в реальных условиях этой цели переходы должны не толь- характеристик переходов серии применения ваттметра менее задан- ко обеспечивать механическую со- ADP1A дополнительно представ- ного уровня. вместимость портов ВАЦ и исследу- лена электрическая длина). емых устройств, но и не приводить к 4. Защита соединителей различных Тем не менее для получения более ухудшению электрических параме- устройств и обеспечение повторя- точных результатов измерений тров портов. емости результатов измерений при S-параметры переходов необходимо 2. Мера «перемычка» при выполнении многократном подключении. Для учитывать. Программное обеспече- «калибровки». Для проведения пол- предотвращения поломки соеди- ние большинства современных ваттме- ной двухпортовой «калибровки» нителей измерительных портов ВАЦ тров имеет функцию автоматической ВАЦ, обеспечивающей максималь- рекомендуется использовать пере- компенсации S-параметров устройств, ную точность при одновременном ходы. Качество переходов должно подключённых к их входу. Достаточно измерении коэффициентов пере- быть таким, чтобы при многократ- лишь загрузить файл описания перехо- дачи и отражения исследуемого ном подключении к ним исследуе- да в программное обеспечение ваттме- устройства, требуется мера «пере- мых устройств параметры ВАЦ оста- тра, и оно автоматически пересчита- мычка». Функцию перемычки мо- вались на должном уровне в течение ет результат измерений в зависимости жет выполнять переход: длительного времени. от коэффициентов передачи и отраже- ● переходы могут выступать в каче- ния перехода. Если в процессе изме- ВАТТМЕТРЫ СВЧ рений известен коэффициент отра- стве меры «неизвестная перемыч- жения выхода источника сигнала, то ка» при тестировании устройств, Ваттметры предназначены для изме- производители ваттметров рекомен- например, с разными типами со- рений мощности непрерывных и моду- дуют использовать функцию гамма- единителей; лированных СВЧ-колебаний в различ- коррекции, которая учитывает рас- ● при наличии описания в виде ных трактах. Приборы обеспечивают согласование в тракте, делая резуль- S-параметров переходы могут при- максимальную точность измерений в тат измерений мощности ещё более меняться в качестве меры «извест- широком диапазоне частот и мощно- точным. Стоит отметить, что гамма- ная перемычка», если векторный стей. По принципу действия они делят- коррекция работает совместно с функ- анализатор цепей не поддержива- ся на ваттметры поглощаемой мощно- цией исключения S-параметров, если ет режим «калибровки» с «неизвест- сти и ваттметры проходного типа. эти параметры известны и корректно ной перемычкой». загружены в программное обеспече- 3. Смещение плоскости «калибровки». В целях расширения области приме- ние ваттметра. В процессе измерений может возни- нения ваттметров в их состав добав- кать ситуация, когда «калибровка» ляются переходы измерительного ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ, уже проведена и требуется подклю- класса, обеспечивающие проведение ЧАСТОТОМЕРЫ, АНАЛИЗАТОРЫ чить исследуемое устройство с дру- измерений с разными типами соеди- гими соединителями. В этом случае нителей. Для достижения согласова- СПЕКТРА И ПРОЧИЕ ПРИБОРЫ измерение параметров устройства ния измерительного тракта с номи- Для данных приборов самыми важ- обычно проводят совместно с под- нальным характеристическим импе- ключёнными переходами. Для ком- дансом линии передачи 50 Ом КСВН ными функциями переходов являют- пенсации влияния переходов на ре- переходов должен быть как можно ся уже рассмотренные выше соедине- зультаты измерений S-параметров ниже. За счёт этого снижается основ- ние и защита. При совместном исполь- осуществляют перенос плоскости ная погрешность измерений СВЧ- зовании зарубежных и отечественных «калибровки»: мощности, вызванная эффектом рас- радиотехнических устройств и при- ● с помощью функций встраивания согласования между источником сиг- боров существует проблема соедине- или исключения электрических це- нала и ваттметром. ния их между собой. Отличия отече- ственных соединителей от зарубеж- Если переходы используются в про- ных заключаются в резьбе элементов цессе измерений мощности СВЧ с соединения внешнего проводника и в пределами допускаемой относитель- диаметре контактов центрального про- ной погрешности более 6% (класс 6 и водника (см. табл. 3). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 49

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Так, например, проблема совмести- скому повреждению центрального про- и малые вносимые потери. Соедини- На правах рекламы мости резьбы заключается в том, что водника. тели имеют повышенный ресурс, а их внешний диаметр метрической резьбы конструкция обеспечивает высокую M6×0,75 равен 6 мм (тип соединителя При подключении несоответству- повторяемость и воспроизводимость IX), а у дюймовой резьбы 1/4″-36UNS ющих друг другу контактов происхо- результатов измерений при повтор- диаметр составляет 6,35 мм (тип сое- дит соединение с повышенным уси- ном подключении. Применяемая мар- динителя 3,5 мм). По этой причи- лием включения и выключения. Это кировка соответствует международной не метрический соединитель «вил- может привести к преждевременно- системе идентификации типов соеди- ка» невозможно накрутить на дюймо- му стиранию покрытия штыревого нителей и позволяет избежать ошибок вый соединитель «розетка». Подобная контакта, поломке ламелей гнездово- при подключении. На этапе выхода из ситуация возникает с резьбами M16×1 го контакта, смещению центральных производства характеристики перехо- и 5/8″-24UNEF: внешний диаметр резь- проводников вдоль оси и поврежде- дов могут быть измерены на векторном бы M16×1 равен 16 мм (тип соедини- нию диэлектрических опор. В связи с анализаторе цепей высокой точности с теля III), а внешний диаметр резьбы этим подключать устройства с разны- выдачей сертификата заводской кали- 5/8″-24UNEF составляет 15,87 мм (тип ми типами соединителей запрещает- бровки и файла с описанием частотных соединителя N) – поэтому дюймо- ся. Соединение таких устройств между зависимостей коэффициентов переда- вый соединитель «вилка» невозможно собой является одной из причин ухуд- чи и отражения. Область применения накрутить на метрический соедини- шения надёжности радиотехнических переходов охватывает процессы разра- тель «розетка». устройств, сокращения срока их служ- ботки и производства любых устройств бы или выхода из строя. в радиотехнике, в том числе приложе- Существует возможность совмеще- ния с повышенными требованиями к ния метрических и дюймовых соеди- ЗАКЛЮЧЕНИЕ метрологическому обеспечению. Пере- нителей в некоторых комбинациях: ходы серии ADP1A могут отгружаться розетка типа N с вилкой типа III и вил- Компания «НПК ТАИР» наладила со склада готовой продукции в самые ка типа 3,5 с розеткой типа IX при усло- серийное производство переходов короткие сроки. вии, что длина резьбы не будет превы- измерительного класса с самыми шать 3–4 витка. При таком соединении востребованными типами соедини- ЛИТЕРАТУРА не обеспечивается качественный элек- телей, включая метрическое и дюй- трический контакт по внешнему прово- мовое исполнение. 1. ООО «НПК ТАИР»: www.npktair.com днику, что может привести к механиче- 2. ООО «Планар»: www.planarchel.ru Предлагаемые переходы являются прецизионными, имеют низкий КСВН МОЩНЫЕ СВЕТОДИОДЫ LUXEON Однородность цветовых характеристик Высокий индекс цветопередачи Cтабильность цветовой температуры Постоянство углового распре- деления спектра Постоянство характеристик t во времени ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ОТВЕТСТВЕННАЯ ЭЛЕДКТЛРЯОНЖИКЕАСТКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ VVVTTTTT 100% РОССИЙСКАЯ КОМПАНИЯ Реклама ЗАКАЗНЫЕ РАЗРАБОТКИ КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Разработка электронного оборудования Контрактная сборка электроники уровней: по ТЗ заказчика в кратчайшие сроки модуль / узел / блок / шкаф / комплекс • Модификация КД существующего изделия • ОКР, технологические консультации и согласования • Разработка спецвычислителя на базе • Макеты, установочные партии, постановка в серию • Полное комплектование производства импортными COM-модуля • Конфигурирование модульного и отечественными компонентами и материалами • Поддержание складов, своевременное анонсирование корпусированного изделия • Сборка магистрально-модульной системы снятия с производства, подбор аналогов • Серийное плановое производство по спецификации заказчика • Тестирование и испытания по методикам и ТУ • Разработка изделия с нуля • Гарантийный и постгарантийный сервис WWW.DOLOMANT.RU • (495) 739-0775

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Перспективы использования диодов с резким восстановлением в силовой электронике Василий Боровиков, Юрий Красников, Иван Красников ([email protected]) образцам зарубежных производите- лей. Поэтому задача по разработке В статье на примере импульсного понижающего регулятора напряжения БКД, имеющих более низкие прямые показано, что замена быстродействующего кремниевого диода с мягким и динамические потери по сравнению восстановлением на аналогичный диод с резким восстановлением с лучшими зарубежными аналогами, совместно с разработанным снаббером тока позволяет уменьшить актуальна с точки зрения импортоза- динамические потери при замыкании ключа более чем на порядок. мещения. В настоящее время развитие Приводятся аргументы в пользу разработки и промышленного освоения БКД идёт по пути совершенствования быстродействующих кремниевых диодов с резким восстановлением для технологии изготовления кремниевых преобразователей с повышенными КПД и надёжностью. диодных структур с целью одновре- менного получения малого прямого ВВЕДЕНИЕ зования электроэнергии в энергетике, напряжения, малого заряда обратно- промышленности, бытовом секторе и го восстановления, мягкого характе- В настоящее время в развитых стра- во многом определяет уровень жизни ра обратного восстановления и надёж- нах мира более половины получаемой населения и обороноспособность стра- ной работы при высоких dI/dt, dU/dt. электроэнергии проходит через полу- ны. Поэтому такие направления, как Для этого подбирается профиль диф- проводниковые преобразователи, что энергоэффективность, базовые тех- фузионных слоёв диодной структуры, обеспечивает рациональное и эко- нологии силовой электротехники, тех- формируется неоднородный акси- номное её потребление. Уровень раз- нологии создания энергосберегающих альный профиль распределения вре- вития силовой электроники определя- систем транспортировки, распределе- мени жизни неосновных носителей ет эффективность генерации и исполь- ния и использования энергии, техноло- путём протонного и/или электрон- гии создания электронной компонент- ного облучения (Control Axial Lifetime D1 ной базы, входят в перечень приори- technology), а также путём комбини- тетных и критических направлений рованной диффузии золота и плати- D2 развития науки, технологий и техни- ны, снижается эффективность эмит- L1 ки в РФ. тера за счёт сложной мозаичной кон- струкции эмиттера. R1 Одна из основных проблем в сило- вой электронике – проблема восста- За мягкий характер восстановле- а новления обратного сопротивления ния БКД приходится платить увели- быстродействующего кремниевого ченными прямыми потерями и дина- D1 диода (БКД), когда к проводящему мическими потерями на фронте спада прямой ток диоду быстро приклады- обратного тока, которые невозможно D2 вается обратное напряжение. От того, убрать полностью даже с использова- L1 как решена эта проблема, определя- нием снаббера тока. Отметим, что БКД с ющим образом зависят КПД и надёж- мягким восстановлением разработаны R1 ность преобразующего устройства в специально для бесснабберного приме- целом, т.к. при выводе накопленного нения, при этом динамические потери б D1 в БКД заряда возникают токовые пере- в силовом ключе во много раз превы- грузки, перенапряжения и дополни- шают потери в БКД. I D2 тельные динамические потери в клю- Waux L1 чах и диодах. Несмотря на значитель- Применение известных простых ный прогресс в развитии БКД, диод снабберных цепей, включённых после- R1 по-прежнему рассматривается мно- довательно с БКД D1 (см. рис. 1а, б), гими разработчиками преобразова- уменьшает потери в ключе и диоде, но в тельной техники как «слабый» эле- при этом возникают дополнительные мент, ограничивающий возможность потери в самих снабберных цепях. Рис. 1. Снабберы тока: а) с линейным увеличить рабочую частоту, КПД и дросселем; б) с дросселем насыщения; надёжность преобразователей, рабо- РАЗРАБОТКА в) с ограничением обратного тока тающих в режиме «жёстких» переклю- чений (например, частота коммута- ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ции силовых IGBT-ключей в тяговом СНАББЕРА ТОКА приводе электровоза составляет все- го 500 Гц). В ООО «Силовая электроника» раз- работан новый высокоэффективный Параметры отечественных серийно снаббер тока. Введение дополнитель- выпускаемых БКД уступают лучшим ной обмотки Waux с током подмаг- ничивания I (как правило, это один виток с током, равным среднему току 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ V R I F IR t rr аб в Рис. 2. Осциллограммы напряжения (канал 1, 100 В/дел.) и тока (канал 2, 10 А/дел.) при восстановлении запирающих свойств: а) карбид-кремниевого диода Шоттки CSD20060; б) диода с резким восстановлением КД2997; в) ультрабыстрого диода TURBOSWITCH с мягким восстановлением STTA2512P нагрузки) на дросселе насыщения L1 прикладывается к дросселю насыще- R1 D1 (см. рис. 1в) приводит к радикальному ния, поэтому в диоде и силовом клю- изменению процесса обратного вос- че в этот момент нет динамических L1 становления диода D1. При приклады- потерь, а ключ можно замыкать мак- V1 вании обратного напряжения к цепи симально быстро. При восстановлении D1–L1 дроссель насыщения L1 выхо- запирающих свойств БКД, во-первых, R2 S1 дит из насыщения и становится транс- не возникает резкого фронта обрат- форматором тока, поэтому обратный ного напряжения из-за медленного Рис. 3. Схема импульсного регулятора ток диода D1 равен току подмагни- контролируемого вывода накоплен- напряжения понижающего типа чивания I, делённому на отношение ного заряда, во-вторых, не возникает обмоток трансформатора тока. Сра- высокочастотных колебаний напря- да только часть накопленного заря- зу после запирания диода D1 этот ток жения на запертом БКД благодаря да выведена из p-n-перехода, поэто- замыкается по цепи R1–D2, что при- огромной индуктивности дросселя му динамические потери в 4,5…5 раз водит к обратному перемагничива- в ненасыщенном состоянии, к тому больше, чем у диода КД2997. нию сердечника дросселя L1 вплоть же шунтированного R1–D2-цепью. до насыщения. Подробно работа снаб- В результате по статическим и дина- На примере импульсного регулятора бера тока с ограничением обратного мическим потерям такой БКД в паре напряжения (см. рис. 3) оценим, какой тока диода (тиристора) рассмотрена с предлагаемым снаббером тока бли- выигрыш в суммарных динамических в [1–6]. зок к SiC-диоду Шоттки, но дешевле и потерях в силовом ключе и диоде при надёжнее. замыкании ключа даст замена БКД с Отметим основные преимущества мягким восстановлением на БКД с рез- предлагаемого снаббера тока: На рисунке 2 приведены осцилло- ким восстановлением в паре с предла- ● обратный ток постоянен по вели- граммы тока диода и напряжения на гаемым снаббером тока. диоде в режиме обратного восстанов- чине и может быть выбран в диа- ления с использованием предлагаемо- С целью упрощения оценки энергии пазоне 5–100% от тока подмагни- го снаббера тока для различных типов потерь при восстановлении диода D1 чивания; диодов при одинаковых условиях ком- с мягким восстановлением (см. рис. 4) ● габаритные размеры, стоимость и мутации: прямой ток диода 30 А, ком- сделаем следующие замечания и допу- потери в сердечнике уменьшены в мутируемое напряжение 300 В. щения: несколько раз по сравнению с про- ● сумма падения напряжения на дио- тотипом, представленным на рисун- Отметим, что у карбид-кремниево- ке 1б; го диода CSD20060 нет накопленного де D1 и ключе S1 равна U0; ● потери в резисторе R1 (см. рис. 1в) заряда и, несмотря на очень быстрое уменьшены более чем на порядок по выключение (dI/dt>1000 А/мкс), 53 сравнению с прототипом; нет больших перенапряжений на ● сразу после восстановления диода запертом диоде. В случае БКД с D1 сердечник дросселя насыщения резким восстановлением КД2997 L1 начинает перемагничиваться об- практически весь заряд выводится ратно вплоть до насыщения. при нулевом напряжении на дио- Использование снаббера тока с огра- де, а динамические потери в дио- ничением обратного тока при восста- де на фронте нарастания обратного новлении БКД открывает возможность напряжения не превышают 2 Вт на с успехом использовать БКД с резким частоте 20 кГц при коммутируемой (snappy) характером восстановле- мощности 9 кВт. Для ультрабыстро- ния в режимах «жёсткой» коммутации го диода с мягким восстановлением силовых ключей. При выводе из БКД TURBOSWITCH STTA2512P напряже- накопленного заряда всё напряжение ние на диоде начинает нарастать, ког- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ U U Другой путь снижения полной энер- D1 S1 гии потерь в момент восстановле- ния диода D1 – включение снаббера ID1 IS1 тока последовательно с диодом D1, U U что позволяет использовать макси- мально быстрое включение силово- 0 0 го ключа S1 и максимально быстрый фронт обратного восстановления дио- I0 I0 да (т.е. К<<1). t t t tttt Оценим суммарную энергию потерь 0123 E2 в силовом ключе S1 и диоде D1 при 1 3 замене диода D1 с мягким восстановле- нием (см. рис. 3) на диод с резким вос- tt t становлением в паре с предлагаемым снаббером тока (см. рис. 1в), причём 02 дополнительная обмотка Waux включе- на последовательно с основным дрос- –I селем L1 (см. рис. 3). Для этого исполь- 0 зуем реальную осциллограмму, пред- аб ставленную на рисунке 2б: Рис. 4. Упрощённые осциллограммы тока и напряжения во время обратного восстановления диода D1: (3) а) диод D1; б) силовой ключ S1 , I ,A RM 55 50 V =600 В I =I (av) R FF Tj=125°C 45 IF=2×IF(av) 40 35 где τ1 – время нарастания тока в сило- 30 вом ключе S1; US1 – падение напряже- 25 IF=0,5×IF(av) ния на замкнутом ключе S1; UD1 – паде- ние напряжения на диоде D1; Q1 – нако- 20 пленный заряд в диоде D1, выведенный 15 при почти нулевом напряжении на дио- де D1 и силовом ключе S1; τ2 – время 10 нарастания напряжения на диоде D1; 5 Ктр – коэффициент трансформации 0 дросселя насыщения L1 (см. рис. 1в). 0 100 200 300 400 500 Отметим, что отношение (US1+UD1)Q1/ dI /dt, A/мкс /QU0≈0,01, поэтому слагаемым (US1+ +UD1)Q1 в формуле (2) можно прене- F бречь. Рис. 5. Зависимость амплитуды обратного тока диода STTA2512P от dI/dt Оценим отношение E0 / E2: ● резистор R2 подобран таким обра- тока и перенапряжения на диоде D1 в (4) зом, чтобы амплитуда обратного то- момент его восстановления уменьшают ка Irr диода D1 была равна прямому эту разницу, но потери в силовом ключе . току I0; всё равно примерно на порядок больше потерь в диоде. При уменьшении dI/dt Величину τ0 определим исходя из ● коэффициент мягкости диода D1 ра- вдвое в рамках предложенной модели условий: I0=30 А, амплитуда обратно- вен 1: К=(t3–t2)/(t2–t1)=1. получим: t1–t0=2τ0 , t2–t1=t3–t2= , Irr= го тока I=30 А. По графику из техниче- При таких допущениях t1–t0=t2–t1= = , а энергия потерь Е1 будет равна: ских характеристик на диод STTA2512P (см. рис. 5) получаем dI/dt=300 А/мкс, =t3–t2=τ0, поэтому энергия потерь E0 (2) т.е. τ0=100 нс. Примем τ1=30 нс, τ2=50 нс, равна: . Ктр=5. Итого получаем E0/E1=15, т.е. пол- ные динамические потери на вклю- (1) чение силового ключа S1 (см. рис. 3) , уменьшены более чем на порядок. где – потери в силовом ключе S1, Сравнивая E0 и E1, отметим, что при Выигрыш в надёжности при заме- уменьшении dI/dt полные потери уве- не БКД с мягким восстановлением на связанные с током нагрузки; – личиваются (даже с учётом того, что БКД с резким восстановлением в паре накопленный заряд уменьшается при с предлагаемым снаббером тока ещё потери в силовом ключе S1, связанные уменьшении dI/dt), причём за счёт уве- значительнее. личения потерь в силовом ключе S1, с обратным током диода D1; – поэтому усилия разработчиков совре- Одна из основных причин выхо- менных БКД направлены на создание да из строя БКД и силовых ключей потери в диоде D1 на фронте нараста- диодов, надёжно работающих при высоких значениях dI/dt, имеющих ния обратного напряжения; Q0U0– сум- коэффициент мягкости К≥10 и умень- марные потери в силовом ключе S1 и шенный накопленный заряд Q0 [7]. диоде D1, связанные с выводом нако- пленного заряда Q0. Из рисунка 4 видно, что потери в силовом ключе S1 в 17 раз больше, чем в диоде D1. Наличие «хвоста» обратного 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ при бесснаберном восстановлении становлением, которые разработаны Рис. 6. Осциллограммы напряжения на диоде БКД в режимах «жёсткой» коммута- специально для бесснаберного режи- (канал 1, 100 В/дел.) и тока диода (канал 2, ции – увеличение амплитуды обратно- ма работы! Применение разработанно- 25 А/дел.) при восстановлении запирающих го тока и динамических потерь из-за го ООО «Силовая электроника» снаб- свойств диода STTA2512P при dI/dt=750 А/мкс роста накопленного заряда с увели- бера совместно с БКД с резким восста- чением температуры кристалла дио- новлением позволит исправить эту час в этом направлении Россия име- да (накопленный заряд увеличивает- ситуацию. ет абсолютный приоритет. ся в 2–4 раза при нагреве кристалла БКД на 100°С). В результате возника- Предлагаемый снаббер тока явля- ЛИТЕРАТУРА ет положительная зависимость дина- ется лучшим из известных аналогов мических потерь от температуры: чем по совокупности параметров: габа- 1. Боровиков В.М., Красников Ю.И. Спо- выше температура, тем больше дина- риты, стоимость, форма и амплиту- соб ограничения обратного тока мические потери. Из рисунка 6 вид- да обратного тока диода (тиристора), при восстановлении диода. Патент но, что амплитуда обратного тока КПД, простота и удобство использо- RU 2256283, опубликован 10.07.2005. диода достигает 65 А (при комнат- вания. Бюл. № 19. ной температуре), а ток в силовом ключе – 95 А. При увеличении темпе- Использование БКД с резким вос- 2. Боровиков В.М., Красников Ю.И. Спо- ратуры кристалла силового ключа на становлением (БКДРВ) совмест- соб ограничения обратного тока при 100°С амплитуда тока может вырасти но с предлагаемым снаббером тока восстановлении диода. Международная до 150 А и более, что может привести позволит радикально повысить КПД заявка на изобретение WO 2005/074114 к выходу силового ключа, рассчитан- и надёжность преобразователей A1, опубликована 11.08.2005. ного на ток 40–50 А, из насыщенно- электроэнергии, работающих в экс- го режима в линейный режим рабо- тремальных температурных усло- 3. Красников Ю.И., Красников И.Ю. Новые ты с последующим выходом из строя. виях (нефтяные погружные насосы, решения старых проблем в импульсных электротранспорт, военная техни- регуляторах напряжения. VIII Междуна- При использовании предлагаемого ка, космические объекты и т.д.) или родный симпозиум «Электротехника снаббера тока и БКД с резким восста- при повышенных напряжениях, ког- 2010», доклад 5-08, Московская область, новлением с увеличением температу- да используемые силовые ключи и 24–26 мая 2005 г. ры кристалла БКД будет увеличивать- диоды обладают низким быстродей- ся время trr протекания обратного тока ствием (РЖД, энергетика, промыш- 4. Yu. Krasnikov. New solutions to the old (см. рис. 2б) при почти нулевом напря- ленность). problems of buck and boost converters. жении на диоде и силовом ключе, 11th European Conference on Power т.е. динамические потери в диоде и Ввиду полного отсутствия БКДРВ Electronics and Applications, 11–14 Sep- ключе практически не увеличивают- на рынке необходимо провести НИР, tember 2005, Dresden, Germany. ся с увеличением температуры кри- ОКР и освоить промышленное произ- сталла БКД. Обратный ток диода будет водство нового перспективного типа 5. Боровиков В., Красников Ю. Поиск «иде- оставаться практически постоянным диодов, которые нельзя использовать альных» решений в силовой электрони- в течение всего времени восстановле- всегда и везде, а необходимо рассма- ке: от постановки задачи до реализации ния диода. Такое решение существен- тривать как диоды для спецпримене- проекта. Современная электроника. 2006. но повышает КПД и надёжность пре- ния, требующие специальных схемо- № 8. образователя в целом. технических решений. 6. Yuriy I. Krasnikov. Improved Buck and Boost Требования к БКД с резким восста- Разработка снаббера с ограниче- Converters for High-power Applications. новлением невысокие: он должен иметь нием обратного тока при восстанов- 2007 IEEE International Symposium on малое прямое падение напряжения и лении БКД (или тиристора), иссле- Industrial Electronics, 4–7 June, 2007, малый накопленный заряд. К нему не дование характеристик обратного Vigo, Spain. предъявляются требования высокой восстановления диодов различных динамической стойкости, как к БКД типов с использованием разрабо- 7. Писарев А., Черников А., Сурма А. Мощ- с мягким восстановлением, поэтому танного снаббера тока, схемотехни- ные мягкие быстровосстанавливающи- технология изготовления диодов с ческие решения применения снаббе- еся диоды для высокоэффективных резким восстановлением может быть ра тока в различных преобразователь- инверторных систем: www.proton- существенно проще, а стоимость – зна- ных устройствах были выполнены electrotex.com/ru/articles/moshhnye- чительно ниже, чем для БКД с мягким в основном за счёт сил и средств myagkie-bystrovosstanavlivayushhiesya восстановлением и карбид-кремние- ООО «Силовая электроника». Для вых диодов Шоттки. реализации следующих этапов (раз- 8. Государство ждёт оппонента: эксперты работка новых типов БКДРВ, созда- обсудили, как сделать отечественную ВЫВОДЫ ние инженерного расчёта элементов электронику доходной. Современная снаббера тока, развитие схемотехни- электроника. 2017. № 8. Прежде всего, стоит отметить, что в ки преобразователей электроэнергии настоящее время сложилась парадок- с использованием БКДРВ) необходи- сальная ситуация: разработчик пре- ма государственная поддержка дан- образовательной техники, применяя ного направления, нацеленного на снабберы тока и напряжения для уве- импортозамещение и технологиче- личения КПД и надёжности, вынуж- скую независимость России, кото- ден использовать диоды с мягким вос- рое может стать новой точкой роста в силовой электронике [8], причём сей- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 55



Реклама

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Низкопрофильные преобразователи «АЕПС-ГРУПП» Александр Гончаров ([email protected]), Вторая линейка новинок – это бюд- Александр Сурков жетные версии популярных преобра- зователей AC/DC серии JETA. С начала 2018 года международная группа компаний «АЕПС-ГРУПП», представленная в России фирмами ООО «ВИП АГ», ООО «АЕПС-ГРУПП» В составе серии четыре модуля – и ООО «ТЕ», начала принимать заявки на поставку новых моделей JETBA50, JETBA100, JETBA250 и JETBA500. преобразователей DC/DC и AC/DC. Для российского рынка данные НОВИНКИ 2018 ГОДА На рисунке 1 показан типовой модуль модули поставляются с обозначением в корпусе Full-Brick JETND400-CTHV ВИПАБ. Это низкопрофильные устрой- Первой новинкой являются уль- мощностью 400 Вт. ства в малогабаритных металлических тракомпактные изолированные DC/ корпусах-основаниях для установки DC-преобразователи с высоковольт- Характерной особенностью всей их на радиаторы. Максимальная мощ- ной сетью серий JETND120-CTHV, серии JETND400-CTHV является воз- ность составляет от 50 до 500 Вт. Рабо- JETND250-CTHV и JETND400-CTHV. можность работы с двумя входными тают устройства от стандартной сети сетями – постоянным входным напря- 220 В (187...242 В), 50 Гц. Допускается Для российского рынка данные моду- жением 100...200 В или 180...375 В. также использование модулей и в сетях ли поставляются с обозначением ВИПД. Типовые выходные напряжения 24, на 400 Гц. В ряде применений они могут заме- 27 или 48 В. Диапазон температур нить соответствующие модули фир- корпуса −40...+110°С, по заказу может На рисунке 2 показан типовой модуль мы VICOR семейств Micro, Mini и Maxi быть расширен до −60...+130°С. Стан- JETBA250 мощностью 250 Вт. в корпусах промышленного стандар- дартные сервисные функции модулей: та Brick. подстройка выходного напряжения, Характерной особенностью всей дистанционное включение и выклю- серии является диапазон температур Рис. 1. Модуль JETND400-CTHV чение, а в модулях на 250 и 400 Вт – корпуса (−40...+85°С). Типовые выход- ещё и параллельная работа и выносная ные напряжения – от 5 до 48 В. Стан- Рис. 2. Модуль JETBA250 обратная связь. Предусмотрен полный дартные сервисные функции модулей комплекс защит. для моделей на 250 и 500 Вт: подстрой- Рис. 3. Безвентиляторный блок электропитания ка выходного напряжения и дистанци- JETAB5500-HP Габариты и удельная мощность анон- онное включение и выключение, а для сируемых приборов являются уникаль- модели на 500 Вт – ещё и параллельная ными для производимых в России работа с выносной обратной связью. аналогичных модулей электропита- Имеется стандартный комплекс защит, в ния: для JETND-120CTHV (1/4 Brick) – том числе от превышения температуры. 59×37×12 мм и 4813 Вт/дм3, для JETND- 250CTHV (1/2 Brick) – 61×59×12 мм и Габариты и удельная мощность пред- 6030 Вт/дм3, для JETND-400CTHV (Full- ставленных приборов являются весьма Brick) – 117×61×13 мм и 6478 Вт/дм3. конкурентоспособными по сравнению с производимыми в России аналогичными Корпуса модулей выполнены из модулями электропитания: для JETBA50 – металла, что позволяет использовать 89×42×18 мм и 743 Вт/дм3, для JETBA100 – их в экстремальных условиях эксплу- 101×55×21 мм и 787 Вт/дм3, для JETBA250 – атации. В них предусмотрены отвер- 115×80×28 мм и 970 Вт/дм3, для JETBA500 – стия для крепления, позволяющие 175×93×29 мм и 1059 Вт/дм3. применять винты с утопленными головками, что отвечает низкому кон- Выводная система – клеммные колод- структивному профилю данных моду- ки для гибких многожильных прово- лей. Выводная система – штыри, пред- дников. Модули снабжены фильтра- назначенные под распайку на печат- ми ЭМС. ную плату. Типовая область применения – систе- Модули серии JETND-CTHV имеют мы автоматики и электропитания раз- высокий типовой КПД – до 92% при личных электронных устройств. коэффициенте нагрузки 0,7. В связи с растущим спросом на мощ- Типовая область применения – систе- ные блоки электропитания с конвек- мы радарных АФАР, использование в ционным охлаждением группой ком- преобразователях AC/DC в качестве паний «АЕПС-ГРУПП» разработан конвертеров (достаточно добавить мощный безвентиляторный блок элек- выпрямитель и входной фильтр) при тропитания JETAB5500-HP. Внешний типовых однофазных и трёхфазных вид блока показан на рисунке 3. сетях на 50 и 400 Гц. Преимуществами данного изделия являются пассивное охлаждение без вентиляторов, трёхфазная входная сеть 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

Реклама

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Условный модуль 250×140×50 мм JETA2500-LP 250×140×24 мм 1. На поверхности лежит тезис о пла- 100°C нарности как о весьма желательном 100°C параметре конструкции. Дело в том, что модули электропитания в боль- 78°C h 84°C h шинстве случаев имеют самую боль- 1 2 шую толщину среди всех элементов конструкции и очень плохо компо- Рис. 4. Влияние низкопрофильности (планарности) модуля на размеры радиатора нуются с другими приборами микро- электроники: тонкому прибору лег- 3×400 В ±10%, 50–60 Гц, выходная мощ- получения низкопрофильности или че найти место в современной аппа- ность до 5500 Вт, выходное напряжение малой толщины модулей электропи- ратуре. 220 В постоянного тока, выходной ток тания AC/DC. Данный класс устройств 25 А (возможны варианты наращива- электропитания по сравнению с DC/ 2. Ситуация с трудностью компонов- ния мощности). Встроенный цифровой DC-модулями крайне неудобен для ки ещё более обостряется, когда со- модуль с дистанционным управлени- компоновки в аппаратуре. Это объ- вместно с модулем электропитания ем и возможностью настройки параме- ясняется неизбежностью использо- необходимо разместить радиатор, к тров, порт RS-232 значительно облегча- вания крупногабаритных элемен- которому модуль прикреплён. Конеч- ют компьютерное управление блоком. тов – конденсаторов, выпрямителей, но, лучше максимум толщины отдать Имеется возможность параллельной трансформаторов, дросселей и т.п., радиатору, а сам модуль максималь- работы до 8 блоков. Монтаж произво- без которых преобразование АC/DC но «расплющить» на радиаторе, сде- дится в 19″ стойку шириной 800 мм. невозможно. лать его планарным. Безвентиляторные AC/DC-блоки элек- Допустим, имеется модуль элек- 3. Есть и неочевидные, но очень се- тропитания объединяют в себе передо- тропитания в виде некоторого гео- рьёзные доводы для борьбы за пла- вые технологии построения импульс- метрического объёма со своими дли- нарность модулей электропитания ных преобразователей напряжения ной, шириной и высотой (или толщи- (см. рис. 4). Два модуля равного объ- на основе низкопрофильных моду- ной – она-то и называется профилем). ёма с одинаковой мощностью рассе- лей, исключающих также систему жид- Система кондуктивного охлаждения ивания, но с разным профилем стоят костного охлаждения, с высоким КПД. отсутствует, однако имеется слабый на большом радиаторе. Первый мо- Они имеют гибкую структуру в кон- вентилятор. При этом до идеально- дуль сундукообразный, его высота структиве стандарта 19″ для постро- го КПД=1 далеко, а тепла выделяется (толщина, профиль) – 50 мм. Второй ения конкурентоспособных систем с неприятно много. Что делать в таком модуль планарного типа, т.е. низко- выходным током 25, 50, 75, 100 А при случае? профильный, имеет толщину 24 мм. КПД более 0,92. Имеется возможность Красными кружками в районе цен- работы в буфере с батареей (работа и Мысленно можно начать сплющи- тральной части высоты корпуса ус- одновременная подзарядка). Темпера- вать модуль так, чтобы уменьшить ловно показаны концентраторы тура окружающей среды −10…+45°C, высоту – профиль. То, что у модуля при тепла – это могут быть, например, климатическая группа IEC 721-3-3 – этом начнут увеличиваться длина или трансформаторы, дроссели, электро- 3K3/3Z1/3B1/3C2/3S2/3M2. Размеры ширина или оба параметра, – некри- литические конденсаторы, терморе- 730×404×300 мм (Ш×В×Г). Вес до 15 кг. тично, главное, что у него начнёт уве- зисторы и т.п. Крайне важно не допу- личиваться поверхность охлаждения, стить нагрева этих элементов выше Типовые области применения без- и в какой-то момент будет достигнут некоторой критической температу- вентиляторных AC/DC-блоков элек- определённый результат: и вентиля- ры, например +100°С. тропитания – системы электропитания тор, и окружающий воздух «заработа- Очевидно (см. рис. 4), что тепло- постоянного тока средней и высокой ют», тепло начнёт эффективно сни- вой путь h1 для модуля, имеющего мощности, выпрямители в системах с маться, а надёжность модуля – резко бо′льшую толщину, гораздо длин- резервированием и аккумуляторной увеличиваться (снижение перегрева нее, чем тепловой путь h2 для низ- батареей в буфере, системы сигнали- на каждые 10°С будет увеличивать вре- копрофильного планарного модуля, зации на ж/д транспорте, промышлен- мя наработки на отказ вдвое). и поэтому в случае низкопрофиль- ные системы автоматизации, зарядка ного модуля для удержания вну- и оптимизация работы стационарных В результате будет получен идеаль- три конструкции предельной тем- батарей на электростанциях, телеком- ный вариант – профиль станет равен пературы +100°С можно допустить муникационная аппаратура. нулю, а площадь поверхности станет бо′льшую температуру на радиато- равна бесконечности. Теперь вентиля- ре, равную +84°С, в отличие от ле- ПРЕИМУЩЕСТВА тор уже не понадобится, и, теоретиче- вой конструкции, имеющей на ра- ски, даже в космосе охлаждение будет диаторе температуру +78°С. Именно НИЗКОПРОФИЛЬНОСТИ отличное. поэтому радиатор совместно с моду- лем электропитания у правой низко- ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ AC/DC Разберём, какие именно преимуще- профильной планарной конструк- ства даёт низкопрофильность, или, что ции будут иметь заметно меньшие Говоря о новинках 2018 года, нель- более правильно, планарность. размеры и вес. Данное преимуще- зя оставить без внимания проблемы ство может иметь особое значение для передвижных изделий, напри- мер для дронов. 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 4. Весьма важным является вопрос о AC/DC: JETNA1000-LP с профилем 16 мм и Рис. 5. Модуль JETNA1000-LP том, что делать с теплом, которое входным напряжением 380 В (см. рис. 5) идёт не в радиатор (например, если и JETA2500LP с профилем 24 мм и вход- Рис. 6. Модуль JETA2500-LP используется жидкостный радиа- ным напряжением 220 В (см. рис. 6). ка выходного напряжения, выносная тор), а в противоположную сторону. обратная связь. Максимальная под- Из-за наличия данного паразитно- Для JETNA1000-LP конкурентны- ключаемая выходная ёмкость – без го тепла приходится устанавливать ми характеристиками являются уль- ограничений. Металлический корпус в аппаратуре, наряду с основным транизкопрофильная конструкция AC/DC-преобразователя имеет разме- жидкостным охлаждением, ещё и 16 мм, трёхфазное линейное входное ры 250×140×24 мм (Ш×В×Г). дополнительное, например венти- напряжение, соединение в «треуголь- ляторное. ник» 304…456 В, энергетическая плот- Основное назначение данных при- Учитывая, что в конструкциях моду- ность до 3850 Вт/дм3, рабочие темпе- боров с AC/DC-преобразованием – лей электропитания, имеющих боль- ратуры корпуса −60…+85°С, выходной эффективная работа в самых компакт- шую толщину, доля паразитного теп- ток до 60 А, мощность до 1000 Вт. Кро- ных конфигурациях электропитания в ла может составлять 15–25%, данная ме того, имеется возможность коррек- жёстких условиях окружающей среды. проблема становится весьма непри- ции коэффициента мощности. При ятным, снижающим надёжность габаритах 175×93×16 мм (Ш×В×Г) это ЛИТЕРАТУРА фактором. В аппаратуре могут поя- мощное микроминиатюрное устрой- виться механические устройства – ство имеет выход питания вентилято- 1. Каталоги продукции «ВИП АГ» и «АЕПС- вентиляторы. Разработчикам «АЕПС- ра, защиту от перегрузки, КЗ и перена- ГРУПП». ГРУПП» приходилось сталкиваться с пряжения, тепловую защиту, возмож- такими проблемами, разрабатывая ность дистанционного включения/ 2. www.aeps-group.ru системы электропитания для супер- выключения. компьютеров и фазированных ан- тенных решёток радаров. За счёт Для JETA2500LP с профилем 24 мм применения планарных низкопро- конкурентными преимуществами явля- фильных модулей электропитания ются экстремально низкий профиль достаточно легко довести уровень для устройств, работающих от одно- паразитного тепла до 7–10% – в этом фазной сети 100…242 В/176…242 В, а случае появляются другие способы также высокая энергетическая плот- отведения тепла, кроме использова- ность до 3000 Вт/дм3. ния вентиляторов, например конвек- ционные. Модуль JETA2500LP поддерживает конвекционное или жидкостное охлаж- НИЗКОПРОФИЛЬНЫЕ дение, рабочие температуры корпуса ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ AC/DC −50…+85°С, выходной ток до 125 А, мощ- ность до 2500 Вт. Предусмотрены так- В области планарных конструкций в же параллельная работа, коррекция 2018 году «АЕПС-ГРУПП» предлагает низ- коэффициента мощности, все виды копрофильные модули электропитания защиты, дистанционное включение/ выключение с применением напряже- ния или «сухого контакта», подстрой- Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 61

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Малошумящие высокочастотные генераторы на ПАВ Дмитрий Астапенко, Алексей Ложников (г. Омск) ках 2 и 3. Данные генераторы по габа- В статье рассмотрены вопросы реализации генераторов частот ритным размерам и электрическим от 100 до 2000 МГц с использованием резонаторов и фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также представлены параметрам находятся на уровне графики фазовых шумов. устройств фирмы Crystek Crystals [2], позиционирующихся как Ultra-Low Phase Noise. Реализация высокодобротных Наряду с увеличением стабильно- 1 МГц) и малого джиттера (менее (5000… 20 000) ПАВ-резонаторов на сти, основными тенденциями раз- 100 фс). вития устройств генерации сигна- частоты до 1000 МГц не вызывает лов являются увеличение рабочих Из рисунка 1, на котором представ- частот и уменьшение фазовых шумов лена классификация резонаторов по технологических трудностей, так как и габаритных размеров. Частым тре- частоте и добротности, видно, что бованием для генераторов в диапа- в данном диапазоне частот наивыс- ширина линии ПАВ-структуры боль- зоне частот от 100 до 2000 МГц явля- шей добротностью обладают ПАВ- ется обеспечение низкого уровня резонаторы. С точки зрения габарит- ше 1 мкм. Для реализации генерато- спектральной плотности мощности ных размеров ПАВ-устройства также фазовых шумов (СПМФШ) (−145… имеют ряд преимуществ. ров с частотами от 1000 до 2000 МГц −135 дБ/Гц при отстройке 10 кГц и –170 дБ/Гц при отстройках выше Результаты измерения СПМФШ гене- оптимально использовать генерато- раторов частот 224 и 857 МГц на ПАВ- резонаторах представлены на рисун- ры на ПАВ-резонаторах с умножени- ем частоты. Это вынужденная мера, связанная, во-первых, с трудностями реализации топологий (<1 мкм), а во-вторых, с тем, что подобная ПАВ- структура со временем может дегра- Q Кварц С модами 107 шепчущей 106 105 галереи 104 103 ДР 102 ПАВ 10 ЖИГ КР МПЛ Колебательный контур 0,01 0,1 1 10 100 F, ГГц Примечание: ЖИГ – резонаторы на основе железо-иттриевого граната; Рис. 2. Характеристика генератора частоты 224 МГц ПАВ – резонаторы на основе поверхностно-акустических волн; КР – коаксиальные резонаторы; ДР – дисковые диэлектрические резонаторы; МПЛ – микрополосковые резонаторы Рис. 1. Классификация резонаторов по частоте (F) и добротности (Q) Рис. 3. Характеристика генератора частоты 857 МГц Рис. 4. Характеристика генератора частоты 300 МГц с фильтром на ПАВ СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 62 WWW.SOEL.RU

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ дировать, что недопустимо для высо- ры в диапазоне частот от 100 до 300 МГц бильностью (±50…200×10−6). В диапазо- конадёжных устройств. в металлокерамических SMD-корпусах. не частот от 100 до 300 МГц может быть Результаты измерения СПМФШ и джит- использовано сочетание кварцевого Помимо ПАВ-резонаторов, в генерато- тера 100 МГц генератора М54003 с ПАВ- SMD-генератора и ПАВ-фильтра, что обе- рах также применяются ПАВ-фильтры. фильтром на 300 МГц представлены на спечивает джиттер меньше 70 фс и тем- Наиболее эффективным их приме- рисунке 4. Схожее решение использует- пературную стабильность (±1…5×10−6). нение является в диапазоне частот от ся в генераторах фирмы Vectron, напри- 100 до 300 МГц. К примеру, миниатюр- мер в модели VS-702 [3]. Во всех генераторах также может ные термокомпенсированные кварце- быть реализована возможность управ- вые SMD-генераторы обладают относи- ЗАКЛЮЧЕНИЕ ления напряжением, что позволяет тельно высокой температурной и долго- использовать их в качестве ключевых временной стабильностью (±1…5×10−6) Современные материалы и техноло- компонентов в различных высокочув- и, как правило, их частота не превыша- гии позволяют реализовать генерато- ствительных радионавигационных и ет 100 МГц (М54003, АО «ОНИИП»), при ры на отечественной элементной базе, радиолокационных системах. этом СПМФШ не опускается ниже отмет- обеспечивающие низкий уровень фазо- ки −150 дБ/Гц. Применение узкополос- вых шумов в широкой полосе отстрой- ЛИТЕРАТУРА ных фильтров на ПАВ позволяет одно- ки от несущей в высокочастотном диа- временно снизить СПМФШ на 20 дБ/Гц в пазоне от 200 до 2000 МГц, с габаритны- 1. Горевой А. Выбор генераторов для дальней зоне и выделить третью гармо- ми размерами не более 12,7×9,2×5,0 мм. построения малошумящих СВЧ-синте- нику выходного сигнала КМОП. Данное Кроме того, за счёт применения кварце- заторов. Компоненты и технологии. 2012. решение позволяет реализовать высо- вых подложек ПАВ-структур генераторы № 6. С. 87–92. костабильные миниатюрные генерато- обладают высокой температурной ста- 2. Crystek Crystals: www.crystek.com 3. Vectron International: www.vectron.com Реклама НОВОСТИ МИРА лы по работе в САПР электроники Delta Design стров по направлению «Конструирование и Professional, SimOne, TopoR, а также провёл технология электронных средств». С 9 фев- СОТРУДНИЧЕСТВО «МИЭТ» обучение сотрудников вуза на базе учебного раля 2018 года стартовал первый из курсов И «ЭРЕМЕКСА» В СФЕРЕ центра в Москве. Сотрудники института НМСТ для бакалавров. НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ организовали курсы с использованием полу- ченных данных «Основы САПР Delta Design» В ходе совместной деятельности планиру- ДЕЯТЕЛЬНОСТИ и «Сквозной маршрут проектирования Delta ется сотрудничество в области САПР для раз- Компания «ЭРЕМЕКС» по инициативе Design» для подготовки бакалавров и маги- работки ВЧ/СВЧ-устройств. Института нано- и микросистемной техни- Пресс-служба компании «Эремекс» ки (НМСТ) НИУ «МИЭТ» в начале 2017 го- да провела ряд встреч с представителями вуза. Встречи были направлены на демон- страцию сквозного маршрута проектирова- ния печатных плат Delta Design и обсуждение условий сотрудничества в сфере образова- тельной и научной деятельности. Сотрудни- ки Института НМСТ посетили несколько зна- чимых научно-технических семинаров ком- пании «ЭРЕМЕКС». В ноябре 2017 года организации подписали договор о сотрудничестве, в рамках которого «ЭРЕМЕКС» предоставил «МИЭТ» лицензи- онное программное обеспечение и материа- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 63

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 10 принципов, которые необходимо знать при работе с источником питания постоянного тока Часть 2 Keysight Technologies деляет значение в амперах, при кото- ром источник питания будет предот- Во второй части статьи описаны ещё 5 принципов работы с источником вращать протекание электрического питания постоянного тока, знание которых может обеспечить гибкость тока слишком большой силы. Такой при создании наиболее простых и эффективных испытательных установок. режим стабилизации тока (CC) регу- лирует выходное значение силы тока 6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ новлено существенно выше макси- так, чтобы она была равна предель- мального номинального выходного ному значению тока, но не отключает ИСПЫТУЕМОГО УСТРОЙСТВА значения источника питания. Следу- выход – напротив, напряжение умень- С ПОМОЩЬЮ ВСТРОЕННЫХ ет установить напряжение срабаты- шается ниже установленного значения, В ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ вания OVP достаточно низким для и источник питания продолжает гене- ЗАЩИТНЫХ ФУНКЦИЙ защиты испытуемого устройства от рировать ток в соответствии с установ- чрезмерного напряжения, но доста- ками предела для режима стабилизации Большинство источников питания точно высоким, чтобы предотвратить по току. постоянного тока имеют функции, случайное срабатывание вследствие предназначенные для защиты чув- нормальных флуктуаций выходного Функция защиты от перегрузки по ствительных испытуемых устройств напряжения. Флуктуации могут появ- току выключает выход, чтобы пред- и цепей от потенциально опасного ляться во время переходных состоя- отвратить поступление избыточного напряжения или тока. Когда испыту- ний выхода, таких как изменения тока электрического тока в испытуемое емое устройство приводит в действие нагрузки. устройство. Ограничение тока сле- схему защиты в источнике питания, дует установить достаточно низким, схема защиты выключает выход и выда- Предупреждение: на большинстве чтобы защитить испытуемое устрой- ёт соответствующий сигнал. Две обыч- источников питания OVP реагирует на ство от избыточного тока, но доста- ные защитные функции – защита от напряжение на выходных разъёмах, а точно высоким, чтобы предотвратить перегрузки по напряжению и защита не на разъёмах, предназначенных для случайное переключение вследствие от перегрузки по току. измерений. При использовании четы- нормальных флуктуаций выходного рёхпроводного подключения следует тока, которые могут иметь место во При разработке испытательных запрограммировать значение напря- время переходных состояний выхо- систем важно понимать эти защитные жения срабатывания OVP на доста- да, например при изменении значения функции, чтобы предохранить испыту- точно высоком уровне, чтобы обеспе- напряжения на выходе. Когда источ- емое устройство. чить падение напряжения на выводах ник питания поставляется с фабрики, для подключения нагрузки. защита от перегрузки по току выклю- Защита от перегрузки чена. по напряжению (OVP) Схемы OVP могут реагировать на состояние перегрузки по напряжению На рисунке 8 представлена панель OVP – это установленное значение в в течение микросекунд, однако пони- источника питания, показывающая вольтах, предназначенное для защиты жение самого выходного напряжения защиту от перегрузки по напряжению испытуемого устройства от чрезмерно- займёт больше времени. Время, необ- (ОV), перегрузки по току (ОC), режи- го напряжения. Когда значение выход- ходимое для отключения выхода, зави- мы стабилизации напряжения (СV) и ного напряжения источника пита- сит от способности источника пита- стабилизации тока (CV). ния превысит OVP, защита выключит ния к быстрому снижению напряже- выход. ния и нагрузки, которая подключена 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ к выходу. Функция OVP всегда включена. Ког- РЕЛЕ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО да источники питания отгружаются с Некоторые источники питания ОТКЛЮЧЕНИЯ ИСПЫТУЕМОГО фабрики, значение OVP обычно уста- имеют однооперационный тиристор, УСТРОЙСТВА включённый параллельно выходу и открывающийся, когда переключает- Существует мнение, что если уста- ся OVP, что снижает напряжение гораз- новлено состояние выключения выхо- до быстрее. да, то выход источника питания пол- ностью разомкнут, однако это не всег- Рис. 8. Панель источника питания Защита от перегрузки по току (OCP) да верно. В состоянии «Отключено» Большинство источников питания выходной импеданс будет различным для разных моделей; он также может имеет установку выходного напряже- зависеть от опций, установленных в ния и установку предела силы тока. источнике питания. Состояние «Выход Установка предела силы тока опре- отключён» обычно устанавливает нуле- 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Источник питания Источник питания + + + + Испытуемое Испытуемое устройство устройство – – – – Защитный Фильтры Выходной Внутренние Защитный Внутренние Фильтры Выходной обратный радиопомех/ конденсатор выходные обратный выходные радиопомех/ конденсатор диод защита от реле диод реле защита от электростатического электростатического разряда разряда Рис. 9. Источник питания с внутренними реле, расположенными Рис. 10. Источник питания с внутренними реле и другими компонентами, на выходе встроенными в цепь выхода вые значения выходного напряжения Выборка измерения и тока, а также отключает внутренние (точка) схемы генерации мощности. Тем не менее эти установки не гарантируют, Запуск что ток перестанет течь в испытуемое устройство (ИУ) или из него, как если Интервал времени между выборками бы выходные клеммы были физически отсоединены от ИУ. Время захвата Когда выход источника питания = Временной интервал × (количество выборок –1) отключён, но не разомкнут, на тестиро- вание ИУ могут неблагоприятно повли- Рис. 11. Дигитайзер, преобразующий аналоговый сигнал в точки данных с помощью выборки ять следующие причины: ● ИУ содержит источник энергии, ко- обеспечивающая полное отключение. ● открытие реле при наступлении со- Если такая конфигурация недоступна, стояния отказа, например перегруз- торый подключён непосредственно возможно, следует предусмотреть соб- ки по напряжению или току. к выходу источника питания; ственные внешние реле для отключе- ● ИУ содержит источник энергии, ко- ния выхода. 8. ЗАХВАТ ДИНАМИЧЕСКИХ торый подключён к выходу источни- ка питания в конфигурации с обрат- Недостатками конфигурации с СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ной полярностью; внешним реле являются дополнитель- ВСТРОЕННОГО В ИСТОЧНИК ● ИУ чувствительно к излишней ём- ная стоимость и усложнение испыта- ПИТАНИЯ ДИГИТАЙЗЕРА костной нагрузке; тельной установки, а также необходи- ● ИУ приводит к изменениям напряже- мость в дополнительном пространстве. В то время как большинство источ- ния на выходе источника питания. В этом случае необходимо предусмо- ников питания могут измерять устано- Некоторые модели источников треть реле, соединить провода от выхо- вившиеся значения напряжения и силы питания имеют опцию внутреннего да источника питания с реле, а также тока ИУ, некоторые могут также изме- выходного реле, которое может пол- установить средства управления реле. рять динамические значения напря- ностью отсоединять выход источни- Кроме того, более сложной может жения и тока. Такие источники имеют ка питания от ИУ. Реле, показанное на оказаться синхронизация открытия встроенный дигитайзер. рисунке 9, открывается, когда пользо- и закрытия внешних реле с другими ватель использует установку «Выход событиями, связанными с электропи- Обычно дигитайзеры используются отключён», и полностью останавли- танием. при сборе данных для захвата и хране- вает протекание электрического тока ния аналоговых сигналов. Как и осцил- в ИУ. Но даже если опция реле при- Встроенные реле отключения выхо- лограф, который использует дигитай- сутствует, отдельные модели могут да, если таковые доступны, дают следу- зер для отображения аналогового сиг- иметь выходные конденсаторы или ющие преимущества по сравнению с нала, присутствующего на одном из его цепи с ёмкостной связью, соединяю- внешними реле: входов, встроенный дигитайзер источ- щие выходные клеммы с заземлением ● простота; ника питания захватывает динамиче- шасси вследствие расположения реле – ● упрощение монтажа; ские сигналы напряжения и тока, соз- таким образом, ИУ в этом случае будет ● отсутствие схемы управления внеш- даваемые на его выходе. всё ещё подключено к этим компонен- там (см. рис. 10). ним реле; Основы работы дигитайзера При использовании критически важ- ● экономия места; На рисунке 11 показан дигитайзер, ных приложений, где требуется полное ● лучшая встроенная синхронизация отсоединение ИУ от выхода источни- преобразующий аналоговый сигнал в ка питания, следует обратиться к про- открытия/закрытия реле с другими набор точек данных. По сигналу запу- изводителю источника питания, что- событиями, зависящими от электро- ска дигитайзер захватывает выборки бы выяснить, существует ли опция реле, питания; измерений и сохраняет их в буфере. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 65

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ные данные могут возвращаться как ска- лярное значение, которое вычисляется источником питания в виде единствен- ного числа, полученного посредством усреднения данных, или как массив зна- чений. Можно также захватывать дан- ные, предшествующие или следующие за событием запуска, изменяя задерж- ку запуска для захвата сигналов, таких как пиковое потребление тока во время испытаний пускового тока. Рис. 12. Отображение потребления тока с помощью программного обеспечения, использующего 9. СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ встроенный дигитайзер источника питания для захвата данных ВО ВРЕМЕНИ НАПРЯЖЕНИЯ Запуск Время выдержки ВЫХОДНОГО СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ РЕЖИМА РАБОТЫ Шаг № 0 1 2 34 5 01 2 34 5 Итерация 1 Итерация 2 ПО СПИСКУ LIST Число повторений = 2 Обычно источники питания при- меняются для подачи напряжения с Рис. 13. Последовательность отдельно запрограммированных шагов напряжения (или силы тока), постоянным значением на цепи пита- инициированная с помощью сигнала запуска ния испытуемого устройства. Однако для более сложных приложений может Когда осуществляются измерения с ра данных) или провести статистиче- требоваться изменяющееся во време- использованием дискретизации, мож- ский анализ. ни напряжение (или ток). Современ- но установить два из следующих трёх ные источники питания могут легко параметров: Пример применения дигитайзера справиться с обеими задачами, исполь- 1. Временной интервал – время между Если источник питания использу- зуя режим свипирования по списку в приложениях, для которых характер- выборками. ется вместо батареи, можно получать ны изменения во времени. 2. Количество выборок – полное число динамическую информацию об элек- трическом токе, который течёт в ИУ, Режим работы по списку LIST выборок, которое требуется захватить. что позволяет проследить потребление В обычной ситуации можно запро- 3. Время захвата – полное время, в те- тока батареей ИУ. Благодаря этому мож- но внести соответствующие корректи- граммировать ПК для изменения напря- чение которого требуется захваты- ровки в проект, чтобы оптимизировать жения на выходе источника питания в вать выборки. управление электропитанием ИУ в про- течение дискретных периодов времени. Когда два параметра заданы, пара- цессе различных режимов его работы. В этом случае пользовательская програм- метр будет определяться следующим ма управляет переходами между значе- равенством: Время захвата = Временной На рисунке 12 представлен образец ниями напряжения, позволяя проводить интервал × (Количество выборок −1). сигнала, полученный при потреблении тестирование ИУ в различных условиях. Похожим образом встроенный диги- тока мобильным телефоном с помо- тайзер источника питания может быть щью выходного дигитайзера источника Режим работы по списку LIST позво- сконфигурирован на запуск и захват питания и программного обеспечения. ляет генерировать такие последователь- сигналов напряжения и тока источни- ности напряжений и синхронизировать ка. Дигитайзер источника будет сохра- При использовании программного их с внутренними или внешними сиг- нять точки данных сигнала в буфер обеспечения захваченные данные гра- налами без использования компьюте- отсчётов. Пользователь может извлечь фически отображаются во временно′й ра. Для этого необходимо установить эти данные и использовать любое стан- области так же, как осциллограф ото- раздельно программируемые шаги дартное программное обеспечение для бражает сигнал. На графике различимы напряжения (или силы тока), а также анализа. Также можно использовать состояния ожидания, приёма и переда- соответствующую длительность шага. собственную программу или доступ- чи. Конечно, можно анализировать дис- После установки длительности для каж- ное программное обеспечение для кретизированные данные и другими спо- дого шага следует запустить список на измерения параметров устройств, что- собами: с использованием интерфейса исполнение непосредственно на источ- бы легко визуализировать результаты шины, например USB, LAN или GPIB, для нике питания. Можно настроить источ- во временно′й области (просмотр как захвата и выборки дискретизированн- ник питания для перехода на следую- на осциллографе или в системе сбо- ной информации о сигнале. Выбран- щий шаг на основе времён выдержки или сигналов запуска. Список может быть запрограммирован на повторение один или несколько раз (см. рис. 13). Для создания списка необходимо установить следующие параметры: ● один или более шагов напряжения или силы тока – определённые зна- чения напряжения или силы тока; 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ● времена выдержки – длительность, Напряжение источника V V Vоконч. связанная с каждым шагом напря- пад. плоск. 400 мс Время жения или силы тока; 300 мс 500 мс ● число повторений – необходимое ко- личество повторений списка. Рис. 14. Профиль напряжения в бортовой сети автомобиля при холодном пуске двигателя, представленный списком шагов Два способа применения режима работы по списку LIST ду уровнями напряжения с помощью Таблица 4. Список, использующийся для испытаний дополнительных шагов). Такое испы- для симуляции профиля напряжения тание позволяет убедиться, что автомо- в бортовой сети автомобиля при пуске двигателя Режим работы по списку LIST в источ- бильная электроника имеет достаточ- нике питания может быть эффектив- ную устойчивость к переходным поме- Шаг Уровень Значение Время ным инструментом для запуска двух хам по цепи питания. Режим работы по напряжения напряжения, В выдержки, мс типов испытаний: списку LIST следует использовать таким 1. Тестирование последовательностью способом в случаях, когда необходимо 0 U 8 300 приложить изменяющееся во времени пад. 12 500 напряжений – испытание, при кото- напряжение к ИУ. 14 400 ром измерения осуществляются в то 1 U время, когда заданные значения на- 10. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА плоск. пряжения воздействуют на ИУ. 2. Тестирование напряжением произ- ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ В СТОЙКУ 2 U вольной формы – испытание, при ко- При планировании приборной оконч. тором измерения осуществляются в то время, когда сигнал напряжения про- стойки выбор компоновки контроль- ● следует обеспечить должный кон- извольной формы воздействует на ИУ. но-измерительной аппаратуры может троль нагрева во избежание слиш- В обоих случаях создаётся последова- оказаться достаточно сложной зада- ком высоких температур; тельность шагов напряжения. В первом чей. Безопасность, надёжность и про- случае имеется несколько уровней уста- изводительность – вот лишь часть из ● размещать приборы необходимо та- новившегося напряжения, во втором – множества требований, влияющих на ким образом, чтобы минимизировать непрерывно изменяющийся профиль выбор. влияние магнитного поля; напряжения. Оба испытания обычно применяются при тестировании ИУ При размещении источника питания ● прокладывать провода следует таким на этапе разработки. Следует учиты- постоянного тока в стойке следует при- образом, чтобы минимизировать на- вать, что источник питания постоян- нять во внимание следующие сообра- ведённые и излучённые помехи. ного тока имеет ограничения по поло- жения: се пропускания и обычно может гене- ● вес должен быть распределён долж- Распределение веса рировать сигналы напряжения только Как правило, источник питания явля- с частотой до десятков килогерц. Кроме ным образом, чтобы избежать неу- того, большинство источников питания стойчивости стойки; ется одним из самых тяжёлых приборов являются униполярными устройства- ● должен быть обеспечен соответству- в стойке, поэтому его следует монтиро- ми, которые создают только положи- ющий подвод мощности от сети пи- вать в нижней её части, чтобы понизить тельные значения напряжения. тания переменного тока, чтобы избе- центр тяжести и, следовательно, умень- жать чрезмерного потребления тока; шить риск опрокидывания (см. рис. 15). Использование режима работы по списку LIST Подвод питания от сети переменного тока Режим работы по списку LIST может использоваться для тестирования авто- При выборе сечения подводящего мобильных электронных систем. сетевого кабеля следует использовать максимальные номинальные значения Во время запуска двигателя внутренне- го сгорания, также известного как холод- Плохо Передняя ный пуск, уровень напряжения батареи сбалансированная сторона существенно падает из-за потребления испытательная стойки огромного количества тока электромо- система с тяжёлой тором стартёра (см. рис. 14). Как толь- верхней частью Хорошо сбалансированная ко двигатель запускается, сигнал напря- испытательная система жения батареи становится плоским и Передняя с низкорасположенным достигает окончательного уровня после сторона центром тяжести выключения электрического стартёра. стойки Можно ввести упрощённую последо- Рис. 15. Размещение источника питания в приборной стойке (вид сбоку) вательность, приведённую в таблице 4, в список, чтобы осуществить испыта- ния управляющего блока автомобиль- ной электронной системы на этапе раз- работки (имитировать переходы меж- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 67

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ силы тока каждого прибора в стойке, выпуска отработанного воздуха. Следу- же, какой находится внутри источника чтобы обеспечить соответствующий ет держать чувствительные к температу- питания. Следует устанавливать источ- подвод питания от сети переменно- ре приборы, например мультиметры, на ники питания постоянного тока доста- го тока к стойке. Большинство прибо- достаточном удалении от источников точно далеко от приборов, чувствитель- ров потребляет относительно постоян- питания, поскольку высокие темпера- ных к магнитному полю, особенно от ное количество тока, однако подводи- туры могут оказать отрицательное воз- цифровых мультиметров. мый переменный ток меняется вместе действие на показания таких приборов. с выходной нагрузкой источника пита- Прокладка проводов ния. Если максимальная ожидаемая Влияние магнитного поля Поскольку силовые провода могут выходная нагрузка источника пита- ЖК-дисплеи заменили бо′льшую ния заранее неизвестна, следует пла- излучать помехи, а измерительные про- нировать наихудший вариант, исполь- часть ЭЛТ-дисплеев, однако при вода и сенсоры восприимчивы к этим зуя максимальное номинальное значе- использовании старых компьютеров помехам, силовые и сигнальные кабели ние входного тока источника питания. или осциллографов с ЭЛТ-дисплеями следует прокладывать раздельно. следует иметь в виду, что они чувстви- Контроль нагрева тельны к магнитным полям. Магнитные ЛИТЕРАТУРА Обычно источники питания име- поля также могут влиять на характери- стики и точность некоторых измери- 1. 10 принципов, которые необходимо ют встроенные вентиляторы охлажде- тельных приборов. Например, цепи знать при работе с источником питания ния. При монтаже источника питания вольтметров могут быть чувствитель- постоянного тока. Часть 1. Современная в стойку следует убедиться, что имеется ными к сильному магнитному полю, электроника. 2018. № 3. достаточно пространства для притока и создаваемому трансформатором, таким 2. http://literature.cdn.keysight.com/litweb/ pdf/5990-8888EN.pdf НОВОСТИ МИРА различного типа, в том числе станков с ЧПУ, При этом объём внутрикристальной энер- робототехники, в агрегатах, применяемых гонезависимой памяти микроконтроллера «РОСЭЛЕКТРОНИКА» в нефтегазовой промышленности, сельско- позволяет разместить в ней управляющую хозяйственном производстве и энергетике, программу практически любой сложности, ВЫПУСТИТ МИКРОКОНТРОЛЛЕР а также в средствах измерений, медицин- что исключает необходимость использова- ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ском оборудовании. ния внешних микросхем памяти. НА 250 MIPS Микроконтроллер осуществляет управ- В настоящее время НИИЭТ серийно ление частотой и направлением враще- выпускает 8- и 16-разрядные микрокон- Специалисты холдинга «Росэлектрони- ния вала электродвигателя, контролем и троллеры для управления электродвига- ка» Госкорпорации «Ростех» разработали стабилизацией крутящего момента, про- телями. микроконтроллер для управления электро- цессом торможения, остановкой двигателя двигателями любого типа с производитель- и его отключением от электрической се- Кроме того, предприятие выводит на ностью 250 млн операций в секунду. Эксплу- ти при аварийных режимах работы. Мощ- рынок Ga/N-транзисторы для сетей свя- атационные испытания изделия планирует- ное производительное ядро и специально зи 5G. Выходная мощность приборов – ся начать осенью 2018 года. В настоящее разработанная дополнительная перифе- от 5 до 50 Вт, коэффициент усиления по мощ- время с потенциальными потребителями об- рия позволяют применять микроконтрол- ности – от 9 до 13 дБ, КПД стока – не менее суждается состав и функциональность пе- лер в высокопроизводительных системах 45% на тестовых частотах 4 и 2,9 ГГц. Изде- риферии. для высокоточного определения положе- лия уже прошли испытания в составе аппа- ния, направления и скорости вращения ратуры квадрокоптеров, радиостанций и ап- Разработчиком 32-разрядного микрокон- вала. паратуры локации аэропортов. троллера 1921ВК024 выступило воронежское АО «НИИ электронной техники» (НИИЭТ, в со- Пресс-служба «Росэлектроники» ставе холдинга входит в концерн «Созвездие»). Микроконтроллер предназначен для ис- пользования в системах электропривода 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

Герметизированное исполнение Потребляемая мощность в режиме холостого хода < 0,3 Вт Герметизированное исполнение и открытый каркас Потребляемая мощность в режиме холостого хода < 0,3 Вт ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ НОВОСТИ МИРА ки зрения применения модельно-ориенти- ления беспилотного летательного аппарата рованного проектирования в области авто- (БПЛА) на примере дрона, реализация сле- В МГТУ ИМ. БАУМАНА номных систем автоматического управления дящей системы, программирование отече- и цифровой обработки сигналов. ственной ЭКБ и многие другие ноу-хау. ОБСУДИЛИ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Докладчики рассмотрели широкий спектр Для представителей СМИ в ходе перво- вопросов – от анализа инженерных данных, го дня конференции состоялся брифинг на C 27 по 28 марта 2018 г. в МГТУ им. Н.Э. Бау- создания системы управления пассажирского тему «Риски российской промышленности мана прошла IV научно-практическая кон- авиалайнера до реализации встраиваемых ал- в случае отложенного внедрения методо- ференция «Технологии разработки и отлад- горитмов на отечественной электронной ком- логий модельно-ориентированного проек- ки сложных технических систем». Мероприя- понентной базе (ЭКБ), разработки системы тирования при разработке наукоёмкой про- тие было посвящено системам управления и управления электроприводом и улучшения дукции и подготовке инженерных кадров». цифровой обработке сигналов. Основная цель процессов разработки встраиваемого ПО с конференции, организатором которой являет- помощью модельно-ориентированного проек- Участники брифинга, среди которых бы- ся ЦИТМ «Экспонента», – это повышение осве- тирования. Спикеры конференции подробно ли руководители МГТУ им. Н.Э. Баумана, домлённости промышленности об эффектив- рассказали, как посредством данной методо- ЦИТМ «Экспонента», ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» ных методиках проектирования сложных систем логии повысить эффективность научно-иссле- и ряда других предприятий, обсудили такие в формате докладов участников и экспозиции довательских и опытно-конструкторских работ вопросы, как ускорение цикла производства вспомогательного оборудования для решения при создании сложных технических систем в авиационно-космической техники, системные технологических «вызовов» проектирования. условиях импортозамещения ЭКБ. подходы к раннему обнаружению отказов, пути достижения требуемого качества инже- С докладами на конференции выступи- В рамках экспозиции делегатам конферен- нерных кадров за счёт расширения практи- ли представители ведущих промышленных ции были продемонстрированы различные ко-ориентированного обучения. Также были предприятий и вузов: «Гражданские само- аспекты технологии модельно-ориентиро- рассмотрены способы снижения зависимо- лёты Сухого», «Туполев», Yokogawa, «ОДК- ванного проектирования, в т.ч. использова- сти от проблем с ЭКБ при модернизации и Авиадвигатель», «НПП «Салют», ДВФУ, «Радио ние свёрточных нейронных сетей (глубокого разработке новой продукции, проблемы от- Гигабит», «КБ Радар», ДВФУ и другие. Инже- обучения) во встраиваемых системах, рас- раслевой кооперации при проектной рабо- неры ЦИТМ «Экспонента» продемонстрирова- познавание объектов и лиц с помощью те- те над сложными техническими изделиями. ли примеры выполненных реальных проектов. пловизоров, проектирование системы управ- www.matlab.ru Спикеры конференции представили свой взгляд на развитие российской промышлен- ности и поделились историями успеха с точ- Источники питания INVENTRONICS со стабилизацией выходного тока и напряжения Компания XLight представляет широкий спектр источников питания INVENTRONICS для систем светодиодного освещения мощностью от 36 до 300 Вт Преимущества ·Защита от перенапряжения, короткого замыкания и перегрева Питание от сети 90…305 В Диапазон рабочих температур от –40 до +70°С ·Возможность управления яркостью освещения ·Режим работы не менее 65 000 часов ·Показатель эффективности до 94% ··Водонепроницаемый корпус IP67 ·Коэффициент мощности до 99% ··Отсутствие пульсаций (495) 232-1652 [email protected] www.xlight.ru Реклама 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АРКАДИЙ ДВОРКОВИЧ изводств, таких как «Микрон», «Ангстрем» и радиоэлектронной промышленности на 2013– предприятия, входящие в корпорацию «Рос- 2025 годы». В её рамках на решение научных, ЗАЯВИЛ О НЕОБХОДИМОСТИ тех». Однако доля их гражданской продук- технических, технологических задач из феде- СОЗДАНИЯ СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ ции на внутреннем рынке электронной ком- рального бюджета за пять лет выделено бо- РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ОТРАСЛИ понентной базы пока невелика. Отрасль нуж- лее 62 млрд рублей. Ещё свыше 35 млрд при- дается в дополнительном развитии, так как влечено в качестве внебюджетных средств. О необходимости создания стратегии раз- объём внутрироссийского рынка граждан- Это повысило конкурентоспособность отрас- вития российской электронной промышлен- ской микроэлектроники составляет не менее ли и позволило увеличить за пять лет объ- ности в рамках программы «Цифровая эко- 120 млрд рублей и будет только увеличиваться. ём выпуска продукции радиоэлектроники в номика» высказался заместитель председа- 3,5 раза», – сообщил президент. теля правительства РФ Аркадий Дворкович на «С 2013 года у нас реализуется государ- Open Innovations Startup Tour в Калининграде. ственная программа «Развитие электронной и Минпромторг России Самый масштабный в России и СНГ проект по поддержке стартап-команд в сфере ИТ на два дня, 21 и 22 марта, переместился в Балтий- ский федеральный университет им. И. Канта. «Я согласен, что нужна отраслевая стратегия, программа, какой-то документ, который опреде- лял бы приоритеты поддержки и основные на- правления рынка», – отметил Аркадий Дворко- вич. Он также заявил, что в рамках программы цифровой экономики развиваются инфраструк- туры, сквозные платформы, ориентируясь на которые можно оценить объёмы рынка. По сло- вам спикера, необходимо сформировать точ- ный заказ и начать его реализовывать. Ассоциация разработчиков и производи- телей электроники (АРПЭ) уже обратилась в Минпромторг России с конкретными пред- ложениями по разработке отраслевой стра- тегии, которая определит приоритетные ры- ночные сегменты для дальнейшего развития российской электронной промышленности. Стратегия развития электронной промыш- ленности в России, над которой сейчас ра- ботают участники АРПЭ, направлена на под- держку отечественных производителей. Со- гласование документа на государственном уровне позволит расширить сектор частных компаний, переориентировать отрасль на экспорт инновационной продукции и обеспе- чить глобальное технологическое лидерство в приоритетных направлениях. Ключевые це- ли стратегии развития электронной промыш- ленности в России: увеличить к 2035 году до- лю российской электроники на мировом рын- ке до 3%, на внутреннем рынке – до 35%. АРПЭ ОБЪЁМ ВЫПУСКА ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ВЫРОС ЗА ПОСЛЕДНИЕ 5 ЛЕТ В 3,5 РАЗА 20 марта 2018 года в Кремле под председа- тельством Владимира Путина состоялось сове- щание, посвящённое перспективам развития гражданской микроэлектроники. В мероприя- тии приняли участие представители кабинета министров и производители микроэлектроники. Президент рассказал, что на сегодняшний день в отрасли работает 55 дизайн-центров, а также действует ряд промышленных про- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 71

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Логический анализатор «за один вечер» Часть 2. Работа с программой Saleae Logic Павел Редькин ([email protected]) ное поле окна Saleae Logic по горизон- тали разделено на сектора по числу В статье продолжается описание процесса создания и настройки доступных каналов. В данном случае многоканального цифрового логического анализатора, рассказывается для устройства Logic, как можно видеть о работе с программой Saleae Logic и приводятся примеры анализа на рисунке 7, доступно восемь цифро- сигналов для различных цифровых шин передачи данных. вых каналов: Channel 0…7. Обучающие материалы по работе с В этом случае установку драйвера логи- Кликом левой клавиши мыши на вер- программой Saleae Logic размещены ческого анализатора ОС Windows завер- тикальных стрелках (на рисунке 7 обве- производителем в сети Интернет [1]. шит автоматически. дены красным), находящихся рядом с При инсталляции на компьютере про- большой зелёной кнопкой Start, распо- грамма запрашивает разрешение на После запуска программы Saleae Logic ложенной в левом верхнем углу окна, установку драйвера для логическо- открывается её главное окно, показан- открывается окно настроек параметров го анализатора производства Saleae – ное на рисунке 7. В верхней части окна захвата внешних сигналов, показан- необходимо согласиться на установку указывается текущий статус соедине- ное на рисунке 8. В этом окне из списка этого драйвера. ния программы с аппаратной частью доступных устройств, подключённых в анализатора. При наличии корректного данный момент к компьютеру, можно При подключении к компью- обмена с аппаратной частью будет уста- выбрать аппаратную часть логического теру в качестве аппаратной части новлен статус Connected, как показано анализатора для взаимодействия с про- логического анализатора платы на рисунке. Если программа не обна- граммой. В данном случае в списке содер- CY7C68013A USB Board на ней должна руживает подключённой к компью- жится только одно устройство – Logic. быть установлена перемычка-джампер теру аппаратной части анализатора, Кроме того, в этом окне можно задать P-SDA. После подключения платы она она будет функционировать в демон- желаемую частоту выборок внешних сиг- автоматически опознаётся ОС Windows 7 страционном режиме, при этом будет налов – Speed (Sample rate). Максималь- в качестве Saleae Logic USB Logic Analyzer. установлен статус Disconnected. Основ- ная доступная для выбранного устрой- ства скорость – 24 мегавыборки/с (MS/s). Рис. 7. Главное окно программы Saleae Logic Помимо этого, в окне может быть зада- Рис. 8. Окно настроек параметров захвата сигналов на длительность временно′го интервала анализа входных сигналов – Duration (Record data for). Этот параметр опреде- ляет интервал времени, в течение которо- го анализатор будет производить выбор- ки значений сигналов во всех каналах и отображать захваченные значения в виде временны′ х диаграмм в главном окне. Захват осуществляется с заданной частотой выборок. Команда на запуск захвата подаётся однократным кликом левой клавиши мыши на большой зелё- ной кнопке Start (см. рис. 7). Таким образом, логический анализа- тор в совокупности с программой Saleae Logic по сути представляет собой циф- ровой многоканальный запоминающий осциллограф с однократной развёрткой. В качестве источника исследуемых цифровых сигналов для анализатора была использована отладочная пла- та CoreEP4CE6 с установленной на ней ПЛИС Cyclone-IVE EP4CE6E22C8N. К пла- те подключён модуль часов/календаря реального времени PCF8563. В соответ- ствии с загруженной в ПЛИС конфигу- рацией два раза в секунду ПЛИС чита- ет из модуля PCF8563 текущее время и дату в виде блока данных, состоящего из 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ нескольких байт. Чтение производится Рис. 9. Общий вид собранного макета с логическим анализатором по шине I2C. Линия SCL этой шины сое- динена со входом Channel 0 анализа- Рис. 10. Диаграммы в крупном масштабе тора, линия SDA – со входом Channel 1. Помимо этого, каждые 2 мс ПЛИС выда- грамма окажется в новой открытой Рис. 11. Сохранение диаграмм во вкладках ёт во внешнее устройство посылку вкладке (см. рис. 11). Для новой вкладки из нескольких байт данных по шине можно задать имя, например SAMPL_1. Рис. 12. Окно задания параметров экспорта UART со скоростью 230 400 бит/с. Линия Для этого нужно дважды кликнуть данных TX этой шины соединена со входом мышью на заголовке вкладки, задан- ном меню Options → Export Data, после Channel 3 анализатора, также необходи- ном по умолчанию. Данные в откры- чего откроется окно, показанное на мо соединить между собой общие про- той вкладке при последующих захва- рисунке 12. В поле Export Format это- вода (GND) отладочной платы и анали- тах останутся неизменными. Чтобы затора. Общий вид собранного макета с произвести следующий захват, необ- подключённой к нему платой логическо- ходимо вернуться во вкладку Capture. го анализатора CY7C68013A USB Board показан на рисунке 9. Диаграммы, полученные в програм- ме Saleae Logic в результате захвата сиг- С учётом имеющегося полусекунд- налов, могут быть сохранены на жёст- ного интервала между посылками на ком диске, а также загружены оттуда шине I2C значение параметра Duration в обратно в программу. Для сохране- программе было задано равным 800 мс ния необходимо из любой вкладки и запущен захват. выбрать в главном меню Options → Save Capture, после чего откроется окно Для того чтобы получить представ- дерева файлов и каталогов, в котором ление о наличии исследуемых сигна- будет предложено сохранить диаграм- лов во всём интервале анализа, реко- мы с вкладки в виде файла с расшире- мендуется после завершения захвата нием .logicdata. Для загрузки сохра- уменьшить до минимума масштаб изо- нённой диаграммы нужно выбрать в бражения с помощью клавиши «↓» кла- меню Options → Open Capture, а затем виатуры или колёсика мыши. В ходе экс- задать нужный файл с расширением перимента в интервал анализа попали .logicdata. две посылки данных на шине I2C (кана- лы Channel 0, Channel 1) и множество Диаграммы также могут быть экспор- посылок на линии TX шины UART (канал тированы из программы Saleae Logic с Channel 2). Для детального исследования преобразованием в один из несколь- захваченных сигналов следует увели- ких форматов. Для этого необходи- чить масштаб изображения с помощью мо из любой вкладки выбрать в глав- клавиши «↑» клавиатуры или колёсика мыши, чтобы получить детализирован- ное изображение (см. рис. 10). Прокрут- ка в окне диаграмм по горизонтали осу- ществляется с помощью клавиш «→», «←» клавиатуры или горизонтальным движе- нием мыши при нажатой левой клави- ше. Если при крупном масштабе наве- сти курсор мыши на какой-либо уча- сток диаграммы в каком-либо канале, то в поле окна сразу же отобразятся временны′ е параметры этого участка: длительность паузы, длительность пери- ода, соответствующая этой длительно- сти частота. Конкретный набор отобра- жаемых параметров может быть задан с помощью контекстного меню, открыва- ющегося кликом правой клавиши мыши. Если необходимо сделать последова- тельно несколько захватов сигналов с сохранением каждой из полученных диаграмм, действовать надлежит сле- дующим образом. Кликнуть левой кла- вишей мыши на значке «>>» (на рисун- ке 10 обведён красным) рядом с назва- нием вкладки Capture в левой нижней части окна, после чего текущая диа- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 73

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ аб Рис. 13. Задание триггера для канала: а) контекстное меню для задания триггера; б) задание уровня сигнала для срабатывания триггера Рис. 14. Перечень анализируемых протоколов ла данных. Размер этого файла опреде- меню команду Show more analyzers ляется заданными параметрами захва- (см. рис. 14). Рис. 15. Окно настроек анализатора протокола I2C та (Speed, Duration), а также выбранным го окна можно из выпадающего списка форматом. Работу анализатора протоколов выбрать формат экспортируемого фай- можно продемонстрировать на при- Программа Saleae Logic обеспечи- мере анализа сигналов шины I2C. Сна- вает возможность захвата сигналов чала необходимо задать соответ- с задаваемым пользователем услови- ствие линий шины I2C каналам ана- ем запуска – триггером. Для задания лизатора. Для этого в контекстном триггера нужно кликнуть левой кла- перечне поддерживаемых протоко- вишей мыши на значке положитель- лов, показанном на рисунке 14, нуж- ного перепада (Setup Trigger) в секто- но выбрать позицию I2C, после чего ре нужного канала. При этом откро- откроется окно настроек, показанное ется контекстное меню, показанное на рисунке 15. В нём следует задать на рисунке 13а. Как видно из рисун- SCL – Channel 0, SDA – Channel 1 и ка, для канала возможно задание запу- сохранить эти настройки путём нажа- ска по положительному или отрица- тия кнопки Save. После этого под тельному перепадам сигнала, а также позицией строки Analyzers в глав- по положительному или отрицатель- ном окне появится строка I2C. Кли- ному импульсам заданной длительно- ком на значке с изображением солн- сти. Задать указанным образом усло- ца в этой строке открывается кон- вие запуска можно только для одного текстное меню. В нём можно задать канала. Для остальных каналов в этом формат представления дешифруе- случае возможно только задание уров- мых при анализе протокола цифро- ня (высокий, низкий, безразлично), вых значений. В данном случае нуж- который должен иметь сигнал в дан- но выбрать двоичный формат пред- ном канале для обеспечения срабаты- ставления данных (Bin), после чего вания триггера, как показано на рисун- запустить захват, после завершения ке 13б. Вернуть все триггеры в исход- которого можно будет наблюдать кар- ное состояние можно, нажав кнопку тину, показанную на рисунке 16. Как RESET контекстного меню. можно видеть из рисунка, программа идентифицировала группы импуль- Помимо простого наблюдения сиг- сов в каналах Channel 0, Channel 1 налов, программа Saleae Logic обеспе- как посылку данных протокола I2C, чивает весьма важную функцию ана- включающую условие START I2C, усло- лиза протоколов. Она заключается в вие повторный START I2C (отмечены возможности распознавания в захва- на диаграмме зелёными точками) тываемых сигналах посылок команд и условие STOP I2C. Программа так- и данных заданного протокола шин- же дешифрировала каждый переда- ного обмена. При таком анализе про- ваемый по шине байт, обнаружив, грамма производит дешифрацию рас- например, адреса ведомого устрой- познанных посылок и выстраивает их ства с признаками записи (Write) и структуру в соответствии с заданным чтения (Read), биты подтверждения протоколом. Полный перечень под- приёма байта от ведущего устройства держиваемых программой протоко- (ACK). При этом под позицией стро- лов (более двадцати) можно увидеть, ки Decoded Protocols появилась табли- кликнув на значке «+» в строке Analyzers ца данных, состоящая из последова- и выбрав в открывшемся контекстном 74 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 16. Анализ протокола I2C Рис. 17. Окно настроек анализатора протокола Рис. 18. Анализ протокола UART UART тельности значений всех дешифро- группы импульсов в канале Chan- ЛИТЕРАТУРА ванных программой байт (см. рис. nel 2 как посылку данных протоко- 16). Если кликнуть правой клави- ла UART, состоящую из нескольких Saleae Users Guide: https://support.saleae. шей мыши на каком-либо элементе асинхронно передаваемых байт. com/hc/en-us/sections/201990573-saleae- этой таблицы, то в центре главного users-guide окна появится соответствующий это- му элементу фрагмент диаграммы. Реклама Отключение анализатора протокола I2C производится с помощью команды Remove Analyzer из контекстного меню (см. рис. 16). Аналогичным образом можно про- вести анализ протокола UART. Для этого в перечне поддерживаемых протоколов нужно выбрать Async Serial. В окне его настроек, приве- дённом на рисунке 17, следует задать канал Channel 2, скорость обмена Bit Rate=230 400 Bits/s, а остальные пара- метры оставить заданными по умол- чанию, поскольку они соответству- ют реальному сигналу. Далее сле- дует выбрать шестнадцатеричный формат представления данных (Hex), после чего запустить захват. После его завершения можно будет наблю- дать картину, показанную на рисун- ке 18. Как можно видеть из рисун- ка, программа идентифицировала СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 75

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВОСТИ МИРА солнечных батарей, аккумуляторов и за- лее чем в 8 раз превышает показатели су- грузки энергосистемы), тогда как другие ществующих систем аналогичного размера; ATOS ВЫПУСКАЕТ представленные на рынке решения могут ● небольшой вес и портативность – возмож- тестировать только один тип конфигурации. ность удобного переноса в различные зо- УНИВЕРСАЛЬНУЮ СИСТЕМУ ны линии сборки, в другие лаборатории Система ProUST univerSAS позволяет упро- или на стартовую площадку; ТЕСТИРОВАНИЯ ЭК СПУТНИКОВ стить крупносерийное производство спутни- ● снижение расходов – минимальная сово- ков за счёт отказа от ручной сборки и пере- купная стоимость владения; Компания Atos объявила о выпуске хода на более эффективные технологии про- ● энергоэффективность – энергия возвра- ProUST univerSAS™. Это компактная система верки систем. Небольшой вес, компактность, щается в сеть, не превращаясь в тепло. тестирования спутников, предназначенная универсальность и портативность оборудова- Системы ProUST univerSAS™ уже исполь- для оптимизации их массового производства ния позволят снизить расходы и повысить эф- зуются в рамках крупных проектов несколь- за счёт увеличения скорости и эффективно- фективность производства за счёт сокраще- ких заказчиков. Поставки нового решения сти тестирования. Благодаря недавнему при- ния сроков разработки и тестирования с ис- запланированы на начало 2019 года. обретению компании Siemens Convergence пользованием всего одного устройства. Creators (CVC), Atos значительно упрочила www.atos.net свои позиции в космической промышлен- Ключевые характеристики и преимущества: ности. Система ProUST univerSAS вошла в ● компактная конструкция корпуса толщи- 2018 ГОД СТАНЕТ ГОДОМ семейство решений для тестирования элек- тронных компонентов (ЭК) спутников – EGSE ной около 10 см; ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА (Electrical Ground Support Equipment), обеспе- ● универсальность – одно устройство спо- Выручка поставщиков систем когнитивно- чивающее исключительную надёжность и бесперебойность работы на протяжении все- собно тестировать 3 типа конфигураций го и искусственного интеллекта по итогам го времени их нахождения на орбите. питания; кроме того, оно может одно- 2017 года может достигнуть $12,5 млрд, уве- временно обрабатывать две задачи (на- личившись по сравнению с 2016 годом на ProUST univerSAS – самая компактная пример, 50% ресурсов расходуются на 59,3%. Среднегодовые темпы прироста рын- система тестирования питания спутников, моделирование нагрузки от солнечных ка до 2020 года ожидаются на уровне 54,4%. которая обеспечивает выходную мощность батарей, а оставшиеся 50% – на моде- К этому времени доходы превысят $46 млрд. более 16 кВт при толщине корпуса всего лирование питания от аккумуляторов); На этот раз аналитики могут оказаться пра- около 10 см. Уникальность новой разра- ● исключительная удельная мощность – более вы: технологии ИИ поддерживаются на меж- ботки заключается в том, что она способна 16 кВт при высоте корпуса в 10 см, что бо- тестировать целый ряд различных конфи- гураций питания (моделирование работы ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ дународном уровне различными компаниями. тратить деньги на мастера: пользователь Комбинация улучшенного интеллекта и Ярким подтверждением указанному факту справится сам. распространение новых технологий позво- стала выставка потребительской электро- лит создавать правила поведения «умных» ники CES 2018, прошедшая в Лас-Вегасе. Область, в которой технологии искусствен- устройств и для системы AAL. Применение ного интеллекта также будут широко востре- контекста в конкретных ситуациях станет На CES 2018 были представлены различ- бованы – это «умные» автомобили. В сфере ключевым преимуществом для распростра- ные голосовые помощники и связанные с подключённых автомобилей спрос на «ум- нения ИИ-технологий. ними подключённые вещи: душевые, зер- ных» помощников только растёт. Большин- кала, выключатели, микроволновки и даже ство решений ориентировано на пассажи- Прирост сегмента голосового или рас- автомобили. На рынке лидирует Amazon, но ров. Так, на CES 2018 стало известно о том, ширенного ИИ особенно хорош в контек- конкурировать с этой компанией намерены что с 2018 года некоторые модели Toyota и сте AAL (Программа содействия активно- также Apple и Google. Именно на CES 2018 Lexus обзаведутся голосовым помощником сти и жизни), где способность управлять Samsung представила своего «умного» голо- Amazon Alexa. В сентябре 2017 года ком- устройствами с семантической речью жиз- сового ассистента Bixby, которым обзаведут- пания Volkswagen презентовала решение ненно важна по нескольким причинам: это ся умные телевизоры компании, выпущен- Car-Net App Connect, с помощью которого че- устраняет необходимость физического вза- ные в 2018 году и позднее. Работа голосо- рез развлекательную систему для автомоби- имодействия с малыми или труднодоступ- вых помощников базируется на технологиях лей станет возможным управлять «умным» ными устройствами, речевое управление искусственного интеллекта, которые позво- домом от Deutsche Telekom. Пассажиры или также избавляет пользователя от взаимо- ляют управлять устройствами в умном до- водитель смогут удалённо включать и выклю- действия с оборудованием, ОС, пользова- ме и автомобилем. Большинство потреби- чать охрану дома, обеспечивать нужную тем- тельским интерфейсом. телей считают, что в интеллектуальном до- пературу в жилище к моменту возвращения машнем пространстве должен быть только с работы и т.д. В 2018 году кардинальных изменений в центр управления, к которому легко и бес- технологиях ИИ ждать не приходится. Сто- шовно посредством Wi-Fi можно подключить Такая волна инноваций начнёт непосред- ит рассчитывать на расширение линейки другие устройства. Такая концепция подраз- ственно влиять на способы управления жи- устройств для пользователей «умного» до- умевает, что для добавления интеллектуаль- лищем, даст возможность проводить обмен ма и, следовательно, появление новых сце- ного освещения, подключённой камеры или информацией с поставщиками услуг «умно- нариев использования и улучшение базо- «умного» дверного звонка не потребуется го» дома, которые на основе анализа дан- вого функционала систем «умного» дома. ных улучшат свои продукты. Новости Интернета вещей 23,22 мм ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 77

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Подготовка к производству с помощью Delta Design 2.5 Сергей Попов ([email protected]) ности созданного контура платы, провер- ка зазоров между объектами печатного В статье затронуты вопросы подготовки производственной монтажа (трек – трек, трек – контактная документации печатных плат, описан функционал, позволяющий площадка, переходное отверстие – пере- просматривать и анализировать Gerber-файлы, а также рассмотрены ходное отверстие и др.), проверка соблю- сопутствующие возможности системы сквозного проектирования дения ширины гарантийного пояска, электроники Delta Design версии 2.5. проверка зазоров вырезов в маске и пр. Инженеры-конструкторы печатных нер-конструктор не полностью кон- В связи с этим следует рассмотреть, плат (ПП) используют несколько вари- тролирует качество и правильность как конструктор может задать ограниче- антов передачи проектов в производ- выходных данных. Все вопросы, свя- ния и выполнить проверки до передачи ство. Большинство экспортирует про- занные с конвертацией данных и разре- проекта на производство, применитель- екты в Gerber-формат (или, очень редко, шением спорных моментов, переходят но к системе Delta Design (см. рис. 1), а в формат ODB++), остальные передают на сторону технологов. При этом может также показать, каким образом в систе- свои проекты полностью, то есть делают увеличиваться срок (затраты на согласо- ме реализованы проверки, отвечающие это в формате той программы, в которой вание) и стоимость изготовления печат- за правильность и технологичность они ведут проектирование ПП. Фактиче- ной платы (из-за привнесённых оши- производственных файлов. ски эта группа инженеров отдаёт в сто- бок). Вторым важным аспектом является роннюю организацию всю информа- то, что самим производителям печатных ЗАДАНИЕ ОСНОВНЫХ цию о разрабатываемом изделии (спи- плат такой подход приносит много неу- сок цепей и подключений, данные об добств. Они вынуждены иметь в своём ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ используемых компонентах и т.п.). распоряжении те же программы проек- В системе существуют предустанов- тирования, в которых происходит раз- Можно предположить, что передача работка платы, со всеми вытекающими ленные наборы значений параметров проектов в производство вызвана тем, что отсюда последствиями. В связи с этим правил (стандарты правил), которые параметры экспорта непонятны инжене- производители призывают разработчи- соответствуют различным классам точ- рам и вызывают опасения относитель- ков переходить на универсальный язык ности ПП. На этапе создания проекта но возможных ошибок, а производите- общения – язык Gerber-файлов [1]. инженер может применить один из ли печатных плат в этом вопросе идут им доступных стандартов. После этого в навстречу и самостоятельно производят Общая тенденция в отрасли позволя- редакторе правил будут автоматически конвертацию присланных проектов. ет говорить о том, что инженеры пред- заполнены значения параметров тех- почитают Gerber- и Excellon-файлы нологических ограничений (см. рис. 2). Однако в таком подходе есть как для обмена с производителями печат- минимум два существенных недостат- ных плат. Предварительно, до отправ- Говорить о том, какой класс точности ка. Первый заключается в том, что, пере- ки производителю, конструкторы осу- будет у проектируемой платы, до этапа давая свой проект в производство, инже- ществляют ряд специальных проверок, расстановки на ней компонентов и их относящихся к DFM-анализу (Design For трассировки преждевременно, поэтому Технологические Manufacturing). Почти все существую- выбор класса точности на начальном ограничения щие САПР ПП обладают широким набо- этапе создания проекта носит скорее ром таких проверок [2, 3]. Кроме того, рекомендательный характер. В процес- (редактор правил) системы позволяют открыть и визуально се дальнейшего проектирования зна- проверить полученные Gerber-файлы. чения параметров могут быть отредак- DFM-анализ тированы инженером; имеется также (редактор ПП) возможность их повторной загрузки Класс точности из другого стандарта правил. (стандарты) DFM-ПРОВЕРКИ В САПР ГРАНИЦА ПЛАТЫ, Производство DELTA DESIGN 2.5 ГАРАНТИЙНЫЙ ПОЯСОК, Анализ и сравнение ЗАЗОРЫ «ОТВЕРСТИЕ К…» (Gerber-редактор) В зависимости от объектов DFM- проверки могут быть поделены на сле- Выбор одного из стандартов правил Рис. 1. Формирование технологических дующие категории [3]: проверка правиль- ограничений в САПР Delta Design определяет значения и других параме- Рис. 2. Редактор правил с параметрами, заполненными по 3-му классу Рис. 3. Значения параметров, используемых для DFM-анализа точности СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 78 WWW.SOEL.RU



ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Примечание: сигнальный слой – тёмно-красный, слой маски – светло-голубой Примечание: сигнальный слой – тёмно-красный, слой маски – светло-голубой Рис. 4. Сформированные только для трёх SMD-компонентов вырезы в маске Рис. 5. Автоматически сформированный слой маски тров, относящихся к DFM-проверкам, затем обновить его в проекте. Также ная с первой версии редактора ПП. которые также влияют на технологич- он может выбрать альтернативный Работая в Delta Design, инженер-кон- ность будущей платы (см. рис. 3). вариант и отредактировать посадоч- структор может взаимодействовать с ное место только на плате. производителями ПП двумя способа- Контур платы ми. Первый способ – генерация Gerber- Одним из первых шагов при проекти- Маска и паста файлов и файлов сверловки и их пря- Этап формирования слоёв маски мая передача на производство. Такой ровании платы является создание кон- способ является наиболее подходящим тура. Система настроена так, чтобы под- и пасты важен тем, что при создании для совсем простых плат, не требующих держивать замкнутость контура проек- библиотечных посадочных мест пользо- дополнительной верификации. Второй тируемой платы. В редакторе ПП для ватель может не указать размеры контакт- способ – выполнение ряда проверок, формирования контура предназначен ных площадок на этих слоях или указать доступных в Gerber-редакторе, и после- системный слой BOARD_OUTLINE. При их только для отдельных компонентов. дующая передача файлов на производ- выборе этого слоя становятся доступ- ство. Данный способ в большей степе- ны инструменты построения только Если разработчик закончил разме- ни подходит для сложных и ответствен- замкнутых фигур (полигон, прямо- щение и трассировку платы и DRC- ных плат. угольник, окружность), что делает соз- проверка проекта не выявила каких- дание контура с разрывами невозмож- либо нарушений, то следующим шагом Gerber-редактор ным. Однако одновременно с построе- будет формирование геометрии сло- В системе реализован функционал, нием контура средствами самой Delta ёв маски и пасты. В Delta Design реа- Design существует возможность загру- лизован функционал, который позво- который позволяет автоматически жать чертежи, созданные в машино- ляет сформировать данные слои на открывать Gerber-файлы сразу же по строительных САПР. При этом вполне системных слоях платы. Кроме того, завершении их создания. При этом возможны ситуации, когда импорти- имеются настройки, которые позво- порядок следования, цвет и тип сло- рованный контур содержит разрывы ляют конструктору управлять про- ёв будут идентичны порядку, цвету и и является незамкнутым. Такая ситуа- цессом формирования маски и пасты. типу установленных в редакторе плат. ция будет обработана системой следу- Например, существует возможность Такой подход позволяет ускорить рабо- ющим образом: учесть или проигнорировать библи- ту, а также избежать ошибок при опи- 1. В рабочем окне редактора плат им- отечные данные о маске и пасте. На сании свойств загружаемых Gerber- рисунке 4 приведён пример слоя маски файлов. портированный контур не будет ви- SOLDERMASK_TOP до выполнения зуально выделен специальной штри- команд по его автоматическому фор- В Delta Design версии 2.5 был реали- ховкой. мированию. Из рисунка видно, что зован ряд функций, которые позволя- 2. DRC-проверка выдаст предупрежде- вырезы в маске были сформированы ют конструкторам как визуально оце- ние о том, что контур платы не зам- только для трёх компонентов проекта, нивать Gerber-файлы, так и анализи- кнут. а для остальных вырезы не сформиро- ровать их. 3. Для редактирования контура будет вались, поскольку не были определе- дополнительно активирован ин- ны на этапе создания библиотечного Визуальная инспекция файлов струмент «Разместить полилинию». посадочного места. На рисунке 5 пока- Загруженные слои отображаются в зан слой маски, который был автома- Гарантийный поясок тически сформирован с отступом, рав- новом рабочем окне системы. Види- Если проверка минимально допу- ным 0,15 мм. мость слоёв и их цвет могут быть изме- нены. Для каждого объекта есть воз- стимой ширины гарантийного поя- СОЗДАНИЕ И ПРОВЕРКА GERBER- можность отображения его свойств, ска сквозной контактной площад- а также того, какой апертурой (эле- ки обнаружит нарушение, то разра- ФАЙЛОВ мент изображения, через который ботчик может изменить посадочное Функционал создания Gerber- и будет происходить засветка) он был место в библиотеке компонентов, а нарисован на слое. При необходимо- Excellon-файлов был доступен начи- 80 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Примечание: 1 – отображение ошибки в таблице; 2 – подсветка «разрыва» в окне Gerber-редактора; 3 – переход в редактор ПП; 4 – отображение ошибки в окне редактора ПП Рис. 6. Взаимодействие Gerber-редактора с редактором ПП Рис. 7. Слой шелкографии до (слева) и после правок (справа) Примечание: красным цветом показаны различия между слоями Рис. 8. Результаты геометрического сравнения двух слоёв сти может быть активирован систем- Геометрическое сравнение чение высокого качества проектиро- ный инструмент «Линейка» – с его После выполнения анализа Gerber- вания. САПР Delta Design версии 2.5 помощью удобно определять шири- обладает большим набором проверок, ну выгруженных треков и контакт- файлов и их визуальной инспекции отвечающих за качество и технологич- ных площадок. они могут быть отправлены на произ- ность будущей платы. Специализиро- водство, однако у производителей ПП ванный редактор позволяет изучать и Анализ Gerber-файлов могут появиться замечания по произ- анализировать созданные производ- Во время анализа загруженных водственным файлам, например касаю- ственные файлы в форматах Gerber, щиеся отступов маски, вскрытия шелко- Excellon, IPC-D-356A. Работая в Delta Gerber-файлов и файлов сверловки графии и пр. В этой связи вполне допу- Design, инженер-конструктор без осо- происходит построение внутреннего стимы ситуации, когда технолог на бых усилий может общаться с произ- списка цепей. Цепи формируются на производстве может отредактировать водителями печатаных плат на их язы- основе геометрического расчёта про- один из Gerber-файлов и прислать его ке – на языке Gerber. Сквозная нави- водников, того, как они соприкасаются на согласование. Для этих целей в Delta гация между редакторами системы друг с другом, с контактными площад- Design реализована функция геометри- обеспечивает удобство использова- ками и с медными заливками. Далее ческого сравнения слоёв (см. рис. 7). ния и внесения правок на любом этапе происходит сравнение вычисленно- проектирования платы, а значит более го и загруженного (из IPC-D-356A- Разработчик может загрузить и изу- высокую скорость разработки в целом. файла) net-листов. Результат сравне- чить исправленный технологом файл. ния отражается в таблице сопостав- Благодаря функции геометрическо- ЛИТЕРАТУРА ления вычисленных и загруженных го сравнения слоёв будут отображе- цепей. Нерастрассированные и зако- ны участки, содержащие изменения 1. Топоров С. Вы говорите на GERBER? Как роченные цепи отмечаются в табли- (см. рис. 8). Автоматический поиск и экспортировать GERBER- и EXCELLON- це красным, а также подсвечиваются отображение изменений исключают файлы. Печатный монтаж. 2010. № 2. в окне редактора. Кроме того, имеет- вероятность пропуска правок, сделан- ся возможность перехода из Gerber- ных технологом. Все найденные рас- 2. Effective DFM Analysis with the PADS редактора в редактор платы. Переход хождения отобразятся на отдельном Flow: https://www.pads.com/resources/ осуществляется именно на тот участок, слое сравнения. overview/effective-dfm-analysis-with- где была найдена ошибка (см. рис. 6). the-pads-flow-ae8739dc-cb21-424f-86c0- Схожим образом могут быть найдены и ЗАКЛЮЧЕНИЕ f8f10c608f3c. подсвечены возможные случаи зако- рачивания цепей. Основными задачами современных 3. Акулин А. Новые возможности САПР САПР печатных плат являются сокра- Cadence OrCAD и Allegro Venture 17.2. щение временны′ х затрат и обеспе- Современная электроника. 2018. № 1. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 81

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Интерактивная трассировка в среде Altium Designer Часть 2. Трассировка дифференциальных пар и групп цепей Алексей Якубенко ([email protected]) Упомянутый выше маркер представля- ет собой директиву Differential Pair. Чтобы Во второй части статьи рассматриваются такие инструменты, указать, какие из сигналов схемы входят как интерактивная трассировка дифференциальных пар и интерактивная в дифференциальные пары, необходимо трассировка групп цепей. Поскольку в статье идёт речь исключительно выполнить команду Place → Directives → об инструментах интерактивной трассировки, то по тексту термин Differential Pair и после этого щелчками «интерактивный» для краткости будет опущен. ЛКМ установить маркеры на соответству- ющие цепи. Необходимо заметить, что ТРАССИРОВКА мо совершить ряд подготовительных директивы должны быть установлены действий: на каждой цепи, входящей в дифферен- ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАР 1. Определить, какие сигналы являются циальную пару (см. рис. 2). Чтобы закон- Прежде чем перейти к рассмотре- чить установку маркеров, нужно щёл- дифференциальными парами. кнуть ПКМ или нажать клавишу ESC [1, 2]. нию вопросов, связанных с трассиров- 2. Выполнить ряд настроек файла про- кой дифференциальных пар, необхо- Если на схеме присутствует большое димо вспомнить, что собой представ- екта. количество дифференциальных пар, ляет дифференциальная пара. 3. Выполнить настройку правила типа то можно воспользоваться групповой директивой Blanket. Для этого необ- Передача сигнала с помощью диффе- Differential Pairs Routing. ходимо выполнить команду Place → ренциальной пары – такой метод пере- Directives → Blanket и после этого сери- дачи, при котором сигнал передаёт- Определение дифференциальных ей щелчков ЛКМ сформировать вокруг ся по двум проводникам. По одному из пар соответствующих меток цепей группо- проводников передаётся сигнал, инвер- вую директиву. Чтобы закончить фор- тированный по отношению к сигналу, Определение дифференциальных мирование этой директивы, необхо- передающемуся по второму. В данном пар, как правило, производится в димо щёлкнуть ПКМ или нажать кла- случае приёмник определяет разницу редакторе схем. Для этого в общем вишу ESC [1, 3]. После этого остаётся между потенциалами пары. Как след- случае необходимо выполнить два лишь «подцепить» к групповой дирек- ствие, данный способ передачи сигнала действия: присвоить цепям имена тиве Blanket директиву Differential Pair гораздо более устойчив к воздействию по определённому правилу, а также с (см. рис. 3). электромагнитных помех, так как любая помощью специального маркера ука- электромагнитная помеха добавляется к зать, какие цепи входят в дифферен- Помимо указания цепей дифферен- двум инвертированным между собой сиг- циальные пары. циальных пар, директива Differential налам, сохраняя их разность (см. рис. 1). Pair имеет также ещё ряд возможно- Присвоение имён цепям дифферен- стей, реализуемых с помощью панели Подготовка к трассировке циальной пары производится по сле- Properties, содержащей опции директи- дифференциальных пар дующему правилу: имя каждой цепи вы (см. рис. 4). пары должно состоять из имени диф- Прежде чем заниматься непосред- ференциальной пары и суффикса «_P» В верхней части панели расположены ственно прокладкой проводников для неинвертированного сигнала или поля ввода (X/Y), отображающие коорди- дифференциальных пар, необходи- суффикса «_N» для инвертированного сигнала (см. рис. 2 и рис. 3) [1]. Помеха t t t t Источник t – +t Приёмник t Рис. 1. Помеха, воздействующая на сигналы дифференциальной пары Рис. 2. Определение цепей дифференциальной Рис. 3. Определение дифференциальных пар Рис. 4. Панель Properties директивы пары с помощью директив Differential Pair с помощью групповой директивы Blanket Differential Pair и директивы Differential Pair 82 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU

Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 5. Правило Differential Pairs Routing в окне редактора правил PCB Rules and Constraints Editor Для того чтобы передача этой инфор- мации была произведена без ошибок, необходимо убедиться, что проект настроен правильным образом. Для это- го с помощью команды Project → Project Options… нужно открыть окно Options for PCB Project… после чего необходимо: ● убедиться, что на вкладке ECO generation в строке параметра Add Differential Pair выставлено значе- ние Generate Change Orders [4]; ● убедиться, что на вкладке Comparator в строке параметра Extra Differential Pairs выставлено значение Find Differences [5]; ● на вкладке Class Generation поставить галочку напротив пункта Generate Net Classes [6]. наты расположения директивы по осям X Add – в результате в области Classes поя- Настройка правила Differential и Y соответственно. Здесь же эти коорди- вится строка нового класса, а в её графе Pairs Routing наты можно вручную отредактировать. Class Name необходимо будет установить Ниже расположено выпадающее меню, соответствующее имя класса. Располо- После того как данные со схемы были с помощью которого можно повернуть женная в том же углу кнопка с изобра- переданы в документ ПП, для работы директиву на 90, 180 или 270° или вер- жением корзины предназначена для уда- с дифференциальными парами необ- нуть её в положение 0°. Ещё ниже распо- ления существующего класса. Следует ходимо настроить одно или несколь- ложена область Properties, которая содер- добавить, что в данном случае формиру- ко правил типа Differential Pairs Routing. жит поле ввода Label, где отображается ется общий класс цепей типа Net Class, а В окне редактора правил PCB Rules and имя директивы. не класс цепей дифференциальных пар Constraints Editor все правила данного типа Differential Pair Classes [2]. типа можно найти в разделе Routing → Под областью Properties находит- Differential Pairs Routing (см. рис. 5). ся область Rules, с помощью которой Необходимо заметить, что созда- на этапе формирования схемы мож- ние правил с помощью директивы Настройка правила производится но задавать правила, которые вместе Differential Pair имеет свои особен- с помощью опций, представленных с остальными данными схемы будут ности. Так, если правило создаётся с в области Constraints. На схематиче- переданы в документ ПП. Для форми- помощью директивы, помещаемой ском отображении дифференциальной рования правила нужно нажать распо- на цепь, то оно создаётся исключи- пары представлены следующие опции: ложенную в нижнем правом углу обла- тельно для данной цепи, независимо ● Min Width – минимально допустимая сти кнопку Add, в результате чего откро- от того, создаётся ли с помощью той ется окно Choose Design Rule Type, где же директивы класс цепи. В то же вре- ширина проводников; нужно указать, к какому типу относит- мя, если правило создаётся с помощью ● Min Gap – минимально допустимый ся формируемое правило (в данном директивы, помещаемой на группо- случае – Routing → Differential Pairs вую директиву Blanket, то возможны зазор между проводниками; Routing). После выбора типа и нажа- два варианта: ● Preferred Width – предпочитаемая ши- тия кнопки OK окно Choose Design Rule 1. С помощью директивы одновремен- Type закроется, а вместо него откроет- рина проводников; ся окно Edit PCB Rule (From Schematic) – но создаётся и правило, и класс це- ● Preferred Gap – предпочитаемый за- Differential Pairs Routing Rule. Настрой- пей – в таком случае формируется од- ка правил данного типа будет рассмо- но правило для класса цепей. зор между проводниками; трена далее. Для редактирования уже 2. С помощью директивы создаётся толь- ● Max Width – максимально допустимая существующего правила необходимо ко правило – в таком случае форми- нажать расположенную в том же углу руется столько правил, сколько цепей ширина проводников; кнопку с изображением карандаша, а охватывает групповая директива, т.е. ● Max Gap – максимально допустимый для удаления – кнопку с изображени- по одному правилу на каждую цепь. ем корзины. Кроме описанной выше, существует зазор между проводниками; также возможность определения диф- ● Max Uncoupled Length – максимально С помощью директивы Differential Pair ференциальных пар на этапе трасси- можно не только указывать, какие цепи ровки ПП в PCB-редакторе – этот спо- допустимая несогласованная длина входят в дифференциальные пары, но соб будет рассмотрен позже [1]. проводников. и формировать классы цепей. Для это- Ниже схематического отображения го предназначена область Classes, рас- Настройки проекта дифференциальной пары находится положенная ниже области Rules. Чтобы После того как все дифференциаль- таблица, с помощью которой можно задать класс, необходимо нажать распо- отредактировать те же значения раз- ложенную в нижнем правом углу кнопку ные пары были определены, информа- дельно для каждого слоя [7]. цию об этом нужно передать в файл ПП. 84 Прокладка проводников дифференциальной пары В общем случае после того как все вышеописанные действия были выпол- нены, можно приступать к прокладке проводников дифференциальных пар. WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 6. Прокладка проводников дифференциальной пары Рис. 7. Автоматическое формирование отвода проводников дифференциальной пары Трассировка дифференциальных пар логии, выбранный в качестве началь- Рис. 8. Область Net Information панели аналогична трассировке отдельных ной точки, – в процессе прокладки Properties в режиме прокладки проводников проводников. Для выполнения данной будут формироваться одновременно дифференциальных пар задачи необходимо выполнить следу- оба проводника. В случае если элемен- ющие действия: ты, от которых отводятся новые прово- Рис. 9. Область геометрических настроек 1. Запустить команду Route → Interactive дники, находятся друг от друга на боль- проводников дифференциальных пар шем расстоянии, чем определённый Differential Pair Routing (горячие кла- правилом зазор, то среда AD автомати- Рис. 10. Области Rules и Visualization панели виши U → I) или щёлкнуть ЛКМ по чески формирует отвод проводников Properties в режиме прокладки проводников расположенной на панели инстру- дифференциальной пары от подобных дифференциальных пар ментов пиктограмме – среда AD элементов топологии (см. рис. 7) [1]. кнопкой, открывающей окно редакти- перейдёт в режим трассировки диф- рования правила типа Differential Pair ференциальной пары, а курсор, в за- Панель Properties в режиме Rule, а в области Visualization отсут- висимости от настроек, примет вид трассировки дифференциальной ствует кнопка, включающая индика- большого или малого перекрестия пары тор длины проложенного проводни- под углом 90° или малого перекре- ка (см. рис. 10) [1]. стия под углом 45°. Поскольку трассировка дифферен- 2. Щёлкнуть ЛКМ в начальной точке циальных пар аналогична трассиров- прокладываемых проводников – в ке отдельных цепей, то и содержимое результате среда AD перейдёт в ре- панели Properties в режиме трассировки жим прокладки проводников диф- дифференциальных пар очень близко к ференциальной пары. содержимому панели в режиме трасси- 3. Проложить проводники серией ровки отдельных проводников. В связи щелчков ЛКМ в их узловых точках с тем что содержимое этой панели было (см. рис. 6). подробно рассмотрено в первой части 4. Закончить трассировку. статьи [11], следует рассмотреть лишь Как уже упоминалось выше, процесс отличия, имеющиеся в данном режиме. трассировки дифференциальных пар аналогичен процессу трассировки В области Net Information (см. рис. 8) отдельного проводника. Это касает- отображаются: в строке Diff. Pair – имя ся таких действий, как выбор ширины дифференциальной цепи, а в строке проводников, работа с углами, заверше- Diff. Pair Class – имя класса дифферен- ние прокладки проводников и т.п. Все циальной цепи. настройки интерактивной трассиров- ки в полной мере относятся и к трасси- Основные отличия области геоме- ровке дифференциальных пар [11]. По трических настроек в режиме проклад- упомянутой причине повторно описы- ки дифференциальных пар (см. рис. 9) вать весь процесс не имеет смысла, сто- состоят в том, что, во-первых, в поле ит остановиться подробнее только на схематического отображения пред- его особенностях. ставлено изображение дифферен- При прокладке проводников диффе- циальной пары, а во-вторых, в поле, ренциальной пары создаются одновре- содержащем настройки ширины, менно два проводника: для инвертиро- добавлено выпадающее меню Gap, с ванного и неинвертированного сиг- помощью которого можно выбрать налов. Ширина проводников и зазор минимальный, предпочтительный или между ними определяются правилом максимальный зазор между проводни- типа Differential Pairs Routing. Совер- ками в соответствии с правилом типа шенно не имеет значения, к какому из Differential Pairs Routing. двух сигналов относится элемент топо- И последнее: в области Rules кноп- ка, открывающее окно редактирова- ния правила типа Width Rule, заменена СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 85

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 11. Панель PCB в режиме Differential Pairs теристики), входящие в дифференци- правило несколько отличается: если имя Editor альную пару, выделенную в области дифференциальной пары в именах обе- …Differential Pairs [8]. их цепей также должно быть одинаковым, Панель PCB в режиме Differential то суффиксы, определяющие неинверти- Pairs Editor Ранее уже упоминалось, что диф- рованный и инвертированный сигналы, ференциальные пары можно опре- могут быть любыми, отличными от «_P» Ещё одним крайне полезным в про- делять не только на этапе проекти- и «_N». цессе работы над дифференциальны- рования схем, но и средствами редак- ми парами инструментом является тора ПП. В данном случае, так же, как Чтобы в документе ПП определить панель PCB в режиме Differential Pairs и при работе над схемой, существу- группу дифференциальных пар, необ- Editor. Данная панель позволяет отсле- ет два способа определения диффе- ходимо нажать кнопку Create From живать, добавлять, удалять и редакти- ренциальных цепей – определение Nets, расположенную в нижней части ровать дифференциальные цепи, а отдельной дифференциальной пары области …Nets. В результате откроется также формировать новые правила и групповое определение дифферен- окно Create Differential Pairs From Nets (см. рис. 11). циальных пар. (см. рис. 13). В верхней части данного окна расположена строка Create nets В верхней части панели расположена Для определения одиночной диф- from class … differing … by … to create область …Differential Pair Classes, в кото- ференциальной цепи необходи- differential pair with prefix... С помощью рой отображаются присутствующие в мо нажать кнопку Add, которую мож- опций, представленных в данной стро- документе ПП классы дифференци- но найти в нижней части области ке, формируются условия для поиска альных цепей. При выделении в дан- …Differential Pairs, после чего откро- цепей, которые должны войти в диф- ной области одного из классов в рас- ется окно Differential Pair (см. рис. 12). ференциальные пары. Если двигать- положенной ниже области …Differential С помощью выпадающих меню Positive ся по строке слева направо, то пер- Pairs отображаются все цепи, относя- Net и Negative Net необходимо выбрать вым размещено выпадающее меню, щиеся к выбранному классу. Ещё ниже цепи неинвертированного и инверти- с помощью которого можно ограни- расположена область …Nets, в кото- рованного сигналов соответственно. чить список цепей определённым клас- рой отображаются цепи (и их харак- С помощью поля ввода Name нужно сом. Далее, между словами «differing» и задать имя дифференциальной пары. «to» находятся два поля ввода, в кото- После нажатия кнопки OK будет соз- рые необходимо вручную ввести суф- дана новая дифференциальная пара. фиксы, определяющие неинвертиро- Необходимо заметить, что в данном ванный и инвертированный сигналы. случае правило наименования сигна- В конце строки расположено поле вво- лов дифференциальной пары не при- да, позволяющее при необходимости меняется: имена обоих сигналов могут ввести префикс, который будет добав- быть абсолютно любыми [9]. лен к имени каждой дифференциаль- ной пары. В нижней части области …Differential Pairs, помимо кнопки Add, расположе- Ниже указанной строки расположено ны также кнопки Delete и Edit. Очевид- поле ввода с выпадающим меню Create но, что первая предназначена для уда- differential pairs in class – здесь можно ления выбранной дифференциальной ввести имя нового или выбрать имя уже пары, а вторая – для редактирования. существующего класса типа Differential Pair Classes. В таком случае все форми- В случае необходимости группового руемые дифференциальные пары будут определения дифференциальных пар отнесены к заданному классу. средствами редактора ПП соответству- ющие цепи должны также иметь имена, Основную часть окна Create сформированные по определённому Differential Pairs From Nets занимает правилу. Однако в данном случае такое Рис. 12. Окно Differential Pair WWW.SOEL.RU Рис. 13. Окно Create Differential Pairs Ferom Nets СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 86

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ки – режимы угла, настройки, ширина проводников и т.п. – в полной мере относятся и к трассировке групп цепей. Рис. 14. Прокладка группы проводников ТРАССИРОВКА ГРУПП ЦЕПЕЙ Панель Properties в режиме трассировки группы цепей Рис. 15. Область панели Properties в режиме Прокладка группы проводников трассировки групп цепей Трассировка групп цепей также мало По причине схожести процессов трассировки отдельной цепи [11] и таблица, в которой в соответствии с чем отличается от трассировки отдель- группы цепей содержимое панели настройками отображается информа- ной цепи [11]. В общем случае для Properties в соответствующих режи- ция о предполагаемых дифференци- выполнения данной процедуры необхо- мах отличается незначительно. Пер- альных парах. Данная таблица содер- димо выполнить следующие действия: вое, что бросается в глаза, – отсутствие жит следующие графы: 1. Выбрать элементы топологии, под- области Net Information. Если двигать- ● Differential Pair Name – предполага- ся далее вниз, можно заметить следу- ключённые к цепям, которые будут ющее отличие: под областью, задаю- емое имя дифференциальной пары; трассироваться. щей ширину проводников, находится ● Positive Net – имя неинвертирован- 2. Запустить команду Route → Interactive область, которая содержит поле вво- Multi-Routing (горячие клавиши U → да Bus Spacing. Это поле предназначе- ной цепи; M) или щёлкнуть ЛКМ по располо- но для определения величины зазора ● Negative Net – имя инвертированной женной на панели инструментов между одновременно трассируемыми пиктограмме – среда AD перейдёт проводниками. Под данным полем рас- цепи; в режим трассировки, а курсор, в за- положена кнопка From Rule, подгружа- ● Create – пункт, определяющий, будет висимости от настроек, примет вид ющая величину зазора из правила типа большого или малого перекрестия Electrical → Clearance (см. рис. 15). Кро- ли сформирована дифференциаль- под углом 90° или малого перекре- ме того, в области Interactive Routing ная пара. стия под углом 45°. Options отсутствует пункт Pin Swapping. После нажатия кнопки Execute редак- 3. Щёлкнуть ЛКМ по любому из вы- И последнее отличие – отсутствие обла- тор ПП в соответствии с выполненны- бранных на первом этапе элементов стей Rules и Visualization. ми настройками сформирует группу топологии – в результате среда AD дифференциальных пар [10]. перейдёт в режим прокладки груп- В двух частях статьи были описаны В нижней части области …Nets рядом пы проводников. основные принципы, инструменты и с кнопкой Create From Nets располо- 4. Проложить группу проводников се- настройки интерактивной трассиров- жена кнопка Rule Wizard, с помощью рией щелчков ЛКМ в их узловых точ- ки. В третьей части будут рассмотрены которой запускается помощник для ках (см. рис. 14). правила, которые непосредственно свя- формирования соответствующих пра- 5. Закончить трассировку. заны с прокладкой проводников, а так- вил [8]. За исключением очевидных отличий, же инструменты редактирования про- все аспекты интерактивной трассиров- ложенных проводников. ЛИТЕРАТУРА 1. Altium. Documentation 2018. Differential Pair Routing: www.altium.com 2. Altium. Documentation 2018. Parameter Set: www.altium.com 3. Altium. Documentation 2018. Blanket: www.altium.com 4. Altium. Documentation 2018. Project Options – ECO Generation: www.altium.com 5. Altium. Documentation 2018. Project Options – Comparator: www.altium.com 6. Altium. Documentation 2018. Project Options – Class Generation: www.altium.com 7. Altium. Documentation 2018. Differential Pairs Routing: www.altium.com 8. Altium. Documentation 2018. PCB – Differential Pairs Editor: www.altium.com 9. Altium. Documentation 2018. Differential Pair: www.altium.com 10. Altium. Documentation 2018. Create Differential Pairs From Nets: www.altium.com 11. Якубенко А. Интерактивная трассиров- ка. Часть 1. Трассировка отдельной цепи. Современная электроника. 2018. № 3. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 87

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Возможности анализа цепей питания в Altium Designer Юрий Леган ([email protected]) ● снижение надёжности печатной платы и изменение её электриче- Применение средств САПР и математического моделирования ских характеристик: изменение на этапе проектирования печатной платы позволяет разработчику проводимости вследствие обугли- значительно лучше реализовать заложенные в изделии технические вания органических материалов решения. В статье представлен обзор возможностей дополнительного печатной платы, ухудшение частот- программного модуля PDN Analyzer 2.0 для Altium Designer 17.1 и Altium ных характеристик вследствие де- Designer 18.0, предназначенного для выполнения анализа целостности формации и расслоения, вызванных питания по постоянному току. перегревом проводников, термоци- клическое разрушение межслой- ВВЕДЕНИЕ высокоскоростного цифрового узла ных переходов, отслоение печат- является обеспечение минимально ных проводников, плавление про- Эффективность работы современ- возможного значения полного сопро- водников; ных цифровых высокоскоростных тивления ZPDS цепей питания и зазем- узлов электронной техники в значи- ления [1]. Расчёт токов в слоях пита- ● появление шумов в сигнальных це- тельной степени зависит от топологии ния многослойных печатных плат пях, наводимых цепями питания; электрических цепей. Программный (МПП) является нетривиальной зада- модуль PDN Analyzer 2.0, разработан- чей, а с учётом большого количества ● появление сверхнормативного элек- ный компанией Altium с применением межслойных переходов и разделе- тромагнитного излучения, создавае- математических алгоритмов компании ния цепей питания на домены слож- мого функциональными частями це- CST, предназначен для моделирования ной формы – практически невыпол- пей питания. цепей питания. PDN Analyzer 2.0 позво- нимой без привлечения специальных Решение первых двух проблем отно- ляет инженеру построить модель цепей технических средств. питания на основе списка связей, дей- сят к задачам обеспечения целостности ствительной топологии печатной пла- Результатами некорректно разрабо- питания по постоянному току. ты и её технологических параметров, а танной топологии цепей питания могут также знаний о характеристиках элек- являться: ВОЗМОЖНОСТИ тронных компонентов и их рабочих ● чрезмерное падение напряжения пи- PDN ANALYZER 2.0 режимах и выполнить исследование характеристик построенной модели. тания в моменты пиковых токов по- Программный модуль PDN Analyzer 2.0 требления, что приводит к появле- позволяет инженеру построить модель Одной из задач проектирования нию нестабильности формирова- цепей питания проектируемого устрой- печатной платы для современного ния сигналов микросхемами; ства и выполнить расчёт токовых нагру- зок на элементы топологии печатной Рис. 1. Рисунок топологии печатной платы платы. Результаты моделирования пред- ставляют собой цветную шкалу, нало- женную на рисунок топологии печатной платы (см. рис. 1) и описывающую двух- мерное распределение плотности тока (см. рис. 2) или разности электрических потенциалов в проводниках (см. рис. 3). PDN Analyzer 2.0 позволяет выпол- нять [2]: ● одновременное моделирование не- скольких вариантов эквивалент- ной схемы замещения цепей пи- тания; Рис. 2. Отображение плотности тока WWW.SOEL.RU Рис. 3. Отображение падения напряжений питания СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 88

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а б Рис. 4. Демонстрационная МПП: а) двухмерный вид; б) трёхмерный вид ● анализ многосегментной модели це- Рис. 5. Стек слоёв печатной платы пей питания; Рис. 6. Структурная схема цепи питания ● анализ плотности тока и падения на- пряжения в проводниках цепей пи- Характеристики участков цепей и результаты аналитического расчёта тания; Номер участка Ширина проводника, мм Наименование слоя Толщина меди, мм Плотность тока, А/мм2 ● анализ предельного допустимого то- 1 2 Top Layer 0,035 14,29 ка для контактных площадок выводов 2 1 0,05 20 элементов и переходных отверстий 3 Signal Layer 1 0,05 80 межслойных переходов; 4 0,25 Signal Layer 2 0,035 57,14 5 0,5 Bottom Layer 0,035 28,57 ● экспертизу нарушений граничных 1 условий, определённых пользова- Top Layer телем; ником постоянного напряжения 5 В , ● визуализацию результатов модели- служит соединитель X1, а потребителем рования в двух- и трёхмерном пред- тока – соединитель X2 с током нагрузки где I – ток, w – ширина проводника, d – ставлении; 1 А (см. рис. 6). Сравним аналитический толщина слоя меди. расчёт плотности тока с результатами ● сохранение и загрузку модели цепей симуляции. Плотность тока вычисля- Характеристики участков цепей и питания; ется по формуле: результаты аналитического расчёта приведены в таблице. ● формирование подробного отчёта в формате HTML. PDN Analyzer 2.0 использует для своей работы информацию о перечне компо- нентов моделируемого устройства, списке цепей, рисунке топологии, структуре сло- ёв, загружая эти сведения из файла печат- ной платы. При этом в расчётах учитыва- ется толщина меди. Дополнительно поль- зователь должен ввести информацию о технологических параметрах печатной платы, структуре цепей питания, токах потребления и электрических характе- ристиках электронных компонентов. Таким образом, наиболее трудоёмкие части задачи сбора сведений реализу- ются системой, а пользователю предо- ставляется творческая часть работы – описание модели цепей питания. ПРИМЕР АНАЛИЗА ЦЕЛОСТНОСТИ ПИТАНИЯ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ Проиллюстрируем возможности про- граммы двумя практическими приме- рами. В первом примере демонстри- руется точность расчётов, выполня- емых PDN Analyzer 2.0 при работе с многослойной печатной платой (см. рис. 4). Информация о МПП извле- кается из стека слоёв (см. рис. 5). Источ- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 89

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а Результаты расчёта плотности тока с помощью PDN Analyzer 2.0 на тех же б участках цепей приведены на рисунке 7, точки измерения отмечены круговым в маркером. При этом для каждого участ- ка точка измерения выбиралась в стаци- г онарной точке функции распределения плотности тока по проводнику. Легко д заметить, что результаты аналитическо- Рис. 7. Результаты вычисления плотности тока: а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3, г) участок 4; го расчёта и расчёта в PDN Analyzer 2.0 д) участок 5 хорошо согласуются между собой. 90 WWW.SOEL.RU Математическое ядро PDN Analyzer 2.0 корректно выполняет вычисление плот- ности тока для двух параллельных участ- ков. В качестве проверки данного утверж- дения выполним расчёт полного тока для топологического рисунка, содержащего два параллельных участка для протека- ния тока (см. рис. 8), исходя из сведений о плотности тока в каждом из двух парал- лельных участков, по формуле: , где J1 – плотность тока на первом участке, w1 – ширина проводника на пер- вом участке, d1 – толщина проводящего слоя на первом участке, J2 – плотность тока на втором участке, w2 – ширина про- водника на втором участке, d2 – толщи- на проводящего слоя на втором участке. Воспользуемся вычисленными значе- ниями плотности тока (см. рис. 9), све- дениями из стека слоёв (см. таблицу) и сведениями о ширине проводников w1=w2=0,25 мм. Вычисленное значение полного тока составляет: I=0,302925+0,697125=1,00005 А. Полученный результат согласует- ся с фактическим значением полно- го тока цепи 1 А. Во втором примере рассматривается моделирование многосегментной цепи питания с разделением сегментов линей- ными регуляторами постоянного напря- жения. В данной задаче применялись полигоны сложной формы с различными способами заполнения (см. рис. 10, 11). Распределение плотности тока в воз- вратной цепи при различных способах заливки полигонов питания должно раз- личаться, что подтверждается результа- тами моделирования. Таким образом, программный модуль PDN Analyzer 2.0 способен эффективно работать с участ- ками топологии сложных форм. Наилуч- шая производительность модуля дости- гается при его использовании совмест- но с Altium Designer 18.0. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Компания Altium непрерывно рабо- тает над совершенствованием Altium СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а б Рис. 9. Результат моделирования цепи питания с параллельными участками протекания тока Рис. 8. Топология с двумя параллельными участками для протекания тока: а) общий вид топологического рисунка; б) трёхмерное изображение печатной платы аб Рис. 10. Возвратная цепь, выполненная сетчатым полигоном с наклоном линий 45°: а) на слое Top Layer; б) на слое Bottom Layer аб Рис. 11. Возвратная цепь, выполненная сетчатым полигоном: а) вертикальными линиями на слое Top Layer; б) горизонтальными линиями на слое Bottom Layer Designer, предоставляя разработчикам целостности питания по постоянному ЛИТЕРАТУРА интуитивно понятные и одновремен- току в сквозном цикле проектирования но мощные инструменты инженер- без привлечения внешних программных 1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат ного анализа. Дополнительный про- средств. Это обеспечивает целостность для цифровой быстродействующей аппара- граммный модуль PDN Analyzer позво- проектных данных и высокую точность туры. – М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616 с. ляет разработчикам проводить анализ результатов анализа цепей питания. 2. PDN Analyzer Features: http://www.altium. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU com/pdna/features.php 91

Реклама

Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Моделирование ключевых элементов беспроводных систем Джоэл Киршман ([email protected]) сти проектируемых систем (как в слу- чае перехода к сетям 5G) недостатки Залогом успешной разработки современных систем мобильной, табличных расчётов становятся более спутниковой связи и радиолокации в настоящее время становится очевидными. В частности, в основе качественная оценка параметров элементов этих систем подобных расчётов лежат стандарт- на самых ранних этапах проектирования. Данная статья посвящена ные уравнения, которые не учитывают преимуществам использования специализированного программного такие параметры реальных систем, как обеспечения для точной оценки ключевых параметров элементов рассогласование между элементами или беспроводных систем. шум в зеркальном канале. Кроме того, большинство таблиц не поддержива- Разработчикам высокопроизводи- нений Фрииса, дают лишь ограниченное ет работу с файлами данных (будь то тельных устройств сетей 5 поколе- представление о характеристиках реаль- таблицы спуров или файлы s2p), а ста- ния (5G) необходимо иметь чёткое пред- ных приборов нового поколения. тистический анализ или оптимизация в ставление о значениях ключевых пара- них могут быть сложно реализуемы или метров (коэффициента шума, точки ком- ИСПОЛЬЗОВАНИЕ в принципе невозможны. При этом упо- прессии, интермодуляционных иска- СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ САПР мянутые выше функциональные воз- жений третьего порядка, отношения можности становятся востребованными сигнал/шум и др.) задолго до передачи Как правило, для расчётов каскад- и даже необходимыми, особенно если прототипов в производство. Стандарт- ных параметров тракта традиционно перед разработчиками стоит задача соз- ные методы оценки таких параметров, используются табличные процессоры. дания высокопроизводительного и кон- включающие применение эмпириче- У такого подхода есть два основных курентоспособного устройства. ских закономерностей или расчёты в преимущества: простой ввод данных табличных процессорах на основе урав- и доступность программного обеспе- Более современные и эффектив- чения. К сожалению, с ростом сложно- ные методы решения подобных задач Гетеродин Кабель Усилитель Кабель Спектральная плотность мощности в тракте гетеродина Коэффициент Потери = –0,06 усиления = 10 Коэффициент Коэффициент шума = 10 шума = 3 Гетеродин Кабель Усилитель Кабель Рис. 1. Расчёт трактов ВЧ и гетеродина в таблице и в VSS Рис. 2. Анализ спектральной плотности мощности по шуму Гетеродин Кабель Усилитель Кабель Фильтр для подавления шума на частоте Спектральная плотность мощности в тракте гетеродина зеркального канала Отклик фильтра Рис. 3. Добавление фильтра на выходе усилителя для снижения Фильтр Фильтр плотности и коэффициента шума Частота (ГГц) 94 WWW.SOEL.RU Рис. 4. Замена поведенческой модели фильтра на реальную схему СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Отклик фильтра Каскадный коэффициент шума Коэффициент шума Частота (ГГц) Рис. 5. Поведение отклика фильтра и коэффициента шума при изменении значения индуктивности L0 заключаются в использовании специа- Фильтр Фильтр Фильтр Фильтр лизированных инструментов для расчё- Смеситель Смеситель та параметров системы. Именно таким инструментом является модуль проек- Усилитель Аттенюатор Усилитель Усилитель Усилитель тирования на системном уровне Visual System Simulator™ (VSS), входящий в Рис. 6. Схема измерения интермодуляционных искажений 3-го порядка состав NI AWR Design Environment. Симулятор VSS создавался специально на такого значительного отклонения в измерение S-параметров и соответству- как дополнение к стандартным таблич- поведении тракта? Математически все ющий системный анализ. В контексте ным расчётам, обладающее значитель- расчёты в таблице верны, поэтому коэф- перехода на схемотехнический уровень но расширенным набором инструмен- фициент шума должен составлять 4,6 дБ. представляет интерес, как будут влиять тальных средств для решения таких Тем не менее моделирование в VSS пока- конкретные параметры компонентов на задач, как каскадный анализ тракта, зывает далёкий от ожидаемого резуль- характеристики системы – например, как расчёт спуров и других. Пользователь тат. Понять происходящее можно, вос- изменится коэффициент шума при под- VSS начинает работу с ввода в таблич- пользовавшись мощными возможностя- стройке значения одной из индуктивно- ный интерфейс данных о компонен- ми анализа LO-тракта в VSS. стей фильтра. Регулируя значение индук- тах, после чего переходит к измерению тивности L0 на схеме фильтра, можно необходимых каскадных параметров, а Проанализируем спектральную плот- обнаружить не только изменение коэф- также получает автоматически сгенери- ность мощности в тракте опорного генера- фициентов отражения S11 и пропуска- рованную системную диаграмму. Встро- тора (см. рис. 2). На входе смесителя плот- ния S21, но и одновременно с этим изме- енные в VSS поведенческие, схемотех- ность шума повышается до −138,6 дБм/Гц нение коэффициента шума в исследуе- нические и файловые модели компо- по сравнению с −174 дБм/Гц в начале мой системе (см. рис. 5). нентов позволяют не только учесть тракта. Очевидно, это вызвано наличием частотные зависимости и эффекты, в тракте усилителя. С учётом коэффициен- В приведённых выше примерах пока- связанные с коэффициентом стоячей та усиления и шума усилителя изменяется зано, как с помощью VSS можно преодо- волны по напряжению, но и провести и тепловой шум в тракте, что и наблюда- леть функциональную ограниченность статистический анализ и оптимизацию, ется на рисунке 2. В табличных расчётах расчётных таблиц. Так, анализ спек- что в совокупности обеспечивает зна- данные процессы не учитываются, поэ- тральной плотности мощности позво- чительно более детальное понимание тому разработчик, делая всё «по учебни- лил обнаружить увеличение коэффици- процессов в разрабатываемой системе. ку», оказывается лишённым возможности ента шума на усилителе тракта опорно- оценить влияние подобных эффектов на го генератора. Выполнение совместного УЧЁТ СПЕКТРАЛЬНОЙ параметры тракта. моделирования на системном и схемо- техническом уровнях даёт возможность ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ Решить обнаруженную проблему наблюдать изменения в коэффициенте НА ВХОДЕ СМЕСИТЕЛЯ можно, поместив фильтр на выхо- шума при вариации значения одной из де усилителя. На рисунке 3 показа- индуктивностей фильтра. В качестве первого примера мож- но, что включение фильтра позволяет но рассмотреть стандартный проект, уменьшить плотность шума на входе ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАЗИТНЫХ в котором производится расчёт спек- LO-смесителя до 174 дБм/Гц, а значение тральной плотности мощности на вхо- коэффициента шума теперь согласует- КОМПОНЕНТОВ де смесителя. Как видно из рисунка 1, ся с ожидаемым и составляет 4,63 дБ. В третьем, более сложном примере ВЧ-тракт начинается с источника неза- тухающих колебаний, за которым следу- УЧЁТ ОТРАЖЕНИЙ будут произведены измерения интер- ют усилитель, фильтр, аттенюатор и сме- модуляционных искажений третье- ситель. Тракт гетеродина (LO) состоит из Во втором примере рассмотрим замену го порядка IM3 относительно несу- источника, аттенюатора, модели кабеля поведенческой модели фильтра его схе- щей (см. рис. 6). Параметры системы и усилителя. После выполнения модели- мотехнической реализацией (см. рис. 4), вводятся в таблицу, после чего выпол- рования в VSS легко заметить существен- ную разницу в значении коэффициента шума: он составит 11,45 дБ вместо полу- ченных в таблице 4,64 дБ. В чём причи- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018 WWW.SOEL.RU 95

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Фильтр Фильтр Смеситель 40 20 29,9 дБм –0,945 дБм –20 –25,04 дБм 0 Несущая –40 –20 –60 –40 Несущая –91,93 дБм –80 –60 –100 –80 –120 Частота (МГц) Частота (МГц) Спектр VSS на выходе последнего усилителя Рис. 7. Сравнение табличного расчёта IM3 и результатов, полученных Рис. 8. IM3, измеренная на выходе второго смесителя, в сравнении в VSS с табличным расчётом 0 –17,04 дБм –17,04 дБм –20 –17,09 дБм –40 –60 –80 –100 –120 Частота (МГц) Рис. 10. Тоны C, A, B на выходе фильтра после 1-го смесителя в RFI Рис. 9. Анализ паразитного сигнала в модуле RFI в сравнении с табличными расчётами В VSS встроен инструмент анализа паразитных компонентов RF Inspector, Рис. 11. Добавление фильтра в RFI для подавления нежелательных тонов позволяющий оценить влияние элемен- тов тракта на параметры возникающе- няется построение системы в VSS при рассчитанной в таблице (см. рис. 8). го спура. Как видно из рисунка 9, в трак- помощи модуля каскадного анализа В VSS она оказывается равной −92 дБм. те наблюдается повышение величины RF Budget (см. рис. 7). Как и в предыду- В табличных расчётах измеряется толь- интермодуляционных искажений тре- щих примерах, результаты, полученные ко отношение данного тона к интер- тьего порядка. Стоит обратить внима- в VSS, отличаются от табличных. Рас- модуляционной составляющей третье- ние, что значения частот на рисунке не чёт в табличном процессоре показал го порядка, в результате чего получает- указаны, но представлена комбинация 39,577 дБм, в то время как в VSS полу- ся величина −97 дБм. Данное значение тонов А, В и С с индексом 1 на первом чено значение 30,845 дБм. высчитывается путём сложения по гетеродине. Анализ показывает, что ком- напряжению предыдущего значения бинация А−В−С+LO второго смесителя Рассмотрим результаты подробнее. −101 дБм и добавочного −105 дБм. превращает −105 дБм в −99 дБм, то есть Интермодуляционная составляющая Тем не менее результат расчётов в VSS в тракте что-то накладывается на иска- третьего порядка, измеренная на выхо- составляет −92 дБм. жения третьего порядка. Сложенные по де второго смесителя, сравнивается с напряжению −95,5 дБм и −101 дБм дают −92 дБм. Так что же попадает в смеси- тель и изменяет искажения 3-го поряд- ка? Моделирование в RF Inspector ука- зывает на то, что причиной является комбинация тонов С, А и В с тоном гете- родина (см. рис. 10). Как устранить эту комбинацию и её влияние? Математический подход с исполь- зованием табличных процессоров разработчику не поможет, однако инструмент анализа спуров VSS спо- собен предложить возможное реше- ние. Например, поместить фильтр (см. рис. 11) для удаления нежелатель- ных тонов. Сигнал гетеродина отфиль- тровать нельзя, но как только один из 96 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2018