12+ Components & Technologies www.kit-e.ru № 7 ’2021 (июль) ISSN 2079-6811 Микроконтроллеры Реклама Модернизация DC/DC-преобразователя для применения в космосе Обзор и перспективы применения ПЛИС Xilinx Versal AI Edge Моделирование передачи питания LTspice
Реклама
Реклама
7 (240) '2021 7 (240) '2021 Содержание Главный редактор Рынок Фрэнсис Иельш (Francis Ielsch) Правосудов Павел Викторович | [email protected] Перевод и дополнения: НИИМЭ: Владимир Рентюк Заместитель главного редактора постоянное движение вперед 6 Чувствительная ко времени Ольга Дорожкина (Зайцева) | [email protected] автомобильная сеть с Ethernet AVB Выпускающий редактор Микроконтроллеры 30 Ксения Притчина | [email protected] Редактор Александр Русу Мощный полевой Наталья Новикова | [email protected] Особенности р‑канальный транзистор микроконтроллеров STM32G0 категории качества «ВП» Редакционная коллегия 34 Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм, 10 Виктор Лиференко, д. т. н., профессор Владимир Махов, д. т. н. Колин Дагган (Colin Duggan), Лайонел Уоллес (Lionel Wallace), Денис Лабрек (Denis Labrecque) Джейсон Фишер (Jason Fischer), Дизайн и верстка Перевод: Михаил Русских Бенджамин Даутс (Benjamin Douts) Ольга Ворченко | [email protected] Интеллектуальная интеграция: Регулируемый прецизионный объединение аналоговых компонентов высоковольтный источник питания Отдел рекламы с микроконтроллерными для формирования Ирина Миленина | [email protected] ядрами ARM напряжения смещения датчиков с целью решения сложных задач Отдел подписки встраиваемых систем 36 [email protected] Москва 17 Стив Робертс (Steve Roberts) ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 Источники электропитания: Тел./факс: (495) 987-3720 из прошлого в будущее 42 СанктПетербург Компоненты Эндрю Попп (Andrew Popp), 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., Бьёрн Содерберг д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Борис Беленький, (Bjarne Søderberg) Тел. (812) 4381538 Мария Коршак Перевод: Виктор Жданкин Факс (812) 3460665 Низковольтные Простая модернизация email: [email protected], web: www.kit-e.ru многослойные керамические чип- DC/DC-преобразователя конденсаторы для применения Республика Беларусь НИИ «Гириконд» в космической аппаратуре «ПремьерЭлектрик» для массового применения заменой радиационно стойких Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж в малогабаритных блоках MOSFET-транзисторов Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 перспективной РЭА Отдел распространения Марина Самойлова 46 СанктПетербург: Разъемы ODU АМС [email protected] для военной техники 22 24 Подписные индексы 80743 Илья Тарасов 51 Каталог агентства «Роспечать» 60194 Обзор и перспективы Каталог «Почта России» 60195 применения ПЛИС Xilinx Versal AI Edge полугодие год Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу и Ленинградской области. Свидетельство о регистрации ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года. Учредитель ООО «Издательство Файнстрит» Адрес редакции 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель ООО «Медиа КиТ» 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Дата выхода в свет 30.07.21 Тираж 6000 экз. Свободная цена Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
Реклама
7 (240) '2021 7 (240) '2021 Содержание Татьяна Колесникова 76 Проектирование и исследование 91 Editorinchief Проектирование работы триггеров Pavel Pravosudov | [email protected] в программной среде Proteus 8.11 100 Владимир Рентюк, Deputy of editorinchief Геннадий Штрапенин Ричард Эншлоу Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected] Как организовать эффективную (Richard Anslow) комплексную защиту 56 Моделирование передачи питания Managing editor интерфейсов оборудования с помощью симулятора LTspice Ksenia Pritchina | [email protected] и что для этого имеется Технологии Editor Даниил Трофимов, 66 Natalia Novikova | [email protected] Дмитрий Катин Разработка архитектуры Владимир Громов Editorial staff универсального LDPC-кодера Конструктивно- Alexander Frunze технологические решения Victor Liferenko Анатолий Коршунов, на базе структур Joseph Karshenbojm Артем Ермоленко кремний-на-диэлектрике Vladimir Mahov Расчет цифровой следящей с тренч-изоляцией для применения системы АСУ ТП 72 в микроэлектронике Design and layout с запаздыванием в прямой цепи Olga Vorchenko | [email protected] и компенсацией скоростной ошибки Advertising department Irina Milenina | [email protected] Subscription department [email protected] Moscow 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197046, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: [email protected] web: www.kit-e.ru Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | [email protected] Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 Age limit 12+ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
Реклама
6 рынок Главный конструктор АО «НИИМЭ» НИИМЭ: Александр Сергеевич Кравцов постоянное движение вперед Основанный в 1964 году зеленоградский НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) сегодня уверенно возглавляет рейтинг организаций радиоэлек- тронной промышленности России по выручке от научной деятельности, разработки и конструирования приборов и является головным предпри- ятием приоритетного технологического направления «Электронные тех- нологии» РФ. Институт ведет активную работу в области освоения но- вых технологий микроэлектроники, разрабатывает элементную базу для «Интернета вещей», а также уникальные микросхемы для электронных документов, банковских карт и RFID-меток. О современных разработках института и перспективах развития отечественных технологий в области микроэлектроники изданию «Компоненты и технологии» рассказал глав- ный конструктор НИИМЭ, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники А. С. Кравцов. — Давайте сначала поговорим о микроэлектронике, а затем кос- ния заказчика. В процессе развития продуктов предъявляются все но- немся рыночных вопросов. Сейчас во всем мире, в том числе в вашем вые требования к производительности систем, и сегодня мы продви- институте, очень много внимания уделяется разработке памяти. гаем идею использования открытых архитектур. Из тех направлений, Обрисуйте, пожалуйста, основные тенденции развития и перспек- что мы развиваем сегодня, назову платформы на базе 32‑ и 64‑раз- тивы этого направления. рядной архитектуры RISC-V. К числу основных наших сегодняшних решений относятся: — С момента основания одной из специализаций НИИМЭ была • Микроконтроллеры семейства MIK51/NE51 на базе 8‑разрядно- разработка памяти. Это ОЗУ, ПЗУ, различные типы энергонезави- симой памяти. В настоящее время у нас развивается разработка как го ядра, с поддержкой зарубежных (DES, AES, RSA и т. д.) и оте- EEPROM-, flash-памяти, так и MRAM, FERAM, SONOS и других ти- чественных (ГОСТ Р34-10, Р34-12 и т. д.) алгоритмов шифрования пов. Соответственно, каждая память имеет как свои преимущества. с различными объемами памяти в защищенном и незащищенном так и недостатки, поэтому сложно выделить какое-то конкретное на- исполнении (табл. 1). правление и ориентироваться только на него. Мы предпочитаем раз- вивать, смотреть, искать применение для каждого вида и выбирать Таблица 1. Микроконтроллеры семейства MIK51 наиболее оптимальные решения для каждого конкретного случая в соответствии с требованиями заказчиков. MIK51SC72D MIK51AD144D MIK51BC16D — Сегодня в мире самая популярная память — DRAM, которую Объем памяти 256 производят Samsung, SKHynix и Micron. Кстати, эти три компании 6 держат 95% всего мирового рынка. Планируете развивать данное ПЗУ, кбайт 384 256 16 направление? ОЗУ, кбайт 86 + — DRAM-память, несомненно, интересный рынок, где продук- + ция имеет хороший спрос. Но, к сожалению, это совершенно другие ЭСППЗУ, кбайт 72 144 + технологии, чем те, которыми мы располагаем в настоящее время. – Стоимость входа на этот рынок (разработка и постановка технологии Аппаратная поддержка криптографических алгоритмов + в производство) сегодня очень высока, что не позволяет нам пока + рассматривать такие изделия для освоения. ГОСТ 28147 + + + ГОСТ Р34.12-15 + + + — Вы разрабатываете микроконтроллеры. Все модули микро- + + контроллера (ядро, периферия, система) — это решения инсти- DES, 3DES + – T = 0, T = 1 тута или вы используете и покупные IP? Не могли бы вы назвать AES-128, AES-256 + + Type A, B основные семейства микроконтроллеров и кратко их охаракте- + + ризовать? ГОСТ Р34.10-12 + + – RSA – + + — Микроконтроллеры, а точнее их ядра, изначально не были ос- – новной областью разработок НИИМЭ. Для наших продуктов в об- ECDSA + ласти RFID и смарт-карт используются решения на базе 8‑разрядной ГОСТ Р34.11-12 (хэш) static открытой архитектуры, но полностью переработанной под требова- Интерфейсы обмена Контактный ISO 7816-3 T = 0, T = 1 T = 0, T = 1 Радио ISO 14443 Type A, B; Mifare Type A, B Применение Электронные документы + + Платежные карты + – Социальные карты + – + + Криптографический токен + + Платформа JavaCard КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
рынок 7 • Платформа для создания микроконтроллеров на базе 32‑битного в направлении создания полностью законченных решений для скла- ядра, позволяющая быстро компоновать требуемые заказчику реа- дов, логистики, готовых к быстрому внедрению, масштабированию лизации по набору интерфейсов, памяти, систем защиты, шифрова- и экспорту. ния и т. п. Данный продукт также, прежде всего, направлен на рынки, где требуется применение защищенных решений, стойких к инва- — А что в области разработки новых технологий, планируете ли зивным и неинвазивным атакам и обеспечивающих создание за- выходить на новые топологические уровни? щищенных соединений, каналов связи и/или шифрование данных. — Да, сейчас совместно с институтами РАН мы ведем много раз- • Платформа NE64RV, которая представляет собой одноядерный личных разработок и исследований: по технологиям 28 нм и менее, микроконтроллер на базе ядра 64‑битного процессора River с под- по квантовым технологиям, молекулярным транзисторам, новым держкой различной периферии. материалам для микроэлектроники. • Практически во всех наших продуктах мы используем собствен- — Сегодня один из главных вопросов в сфере микроэлектроники — ные IP. То есть мы изначально пошли по пути непривязки к раз- защита данных и безопасность. Компании по-разному решают эти личным зарубежным компаниям, чтобы не быть зависимыми от их проблемы. Например, у ARM есть аппаратное решение TrustZone, лицензий. Все необходимые IP-блоки мы всегда разрабатывали Intel предпочитает программные методы. Какой из этих путей, самостоятельно за редким исключением — если сроки выпол- на ваш взгляд, более перспективен и что делает НИИМЭ в этом нения проекта были очень сжатые и такой блок был в наличии направлении? у наших партнеров. Все наши платформы имеют и программную составляющую, предназначенную для реализации того или иного — Защита сейчас приобретает чрезвычайно важное, первоочередное функционала, в основном в направлении смарт-карт, систем за- значение во всех системах. НИИМЭ сегодня единственный в России щиты, банковских и ИД-карт, СКУД, транспортных систем и т. п. сертифицировал в ФСБ России аппаратный модуль физического Большинство наших продуктов проходит сертификацию в ФСБ датчика случайных чисел в виде отдельного IP-блока. Это позволяет России как средство криптографической защиты данных. встраивать наше решение непосредственно в интегральные микросхе- — Где сейчас используются микроконтроллеры разработки мы. Кроме того, как я уже сказал, у нас есть решения для защищенных контроллеров, которые позволяют закрыть доступ к данным внутри НИИМЭ? микросхемы. Все эти разработки исторически начались для обеспече- — В ФОМС, социальных картах и электронных удостоверени- ния строгих требований к безопасности паспортов и банковских карт. Теперь это направление мы активно развиваем. Наш опыт показал, что ях личности, в том числе в загранпаспортах, в банковских картах наиболее продуктивны программно-аппаратные решения для органи- «МИР», транспортных картах, картах контроля доступа, токенах, при зации защиты, что позволяет иметь лучшие показатели для конечного защите каналов связи и в других областях. В целом, как я и говорил, продукта — например, чип для банковской карты «МИР». Это сейчас рынок этих решений — RFID, смарт-карты, системы защиты данных единственное отечественное решение для НСПК «МИР», которое про- и их передачи. шло всю необходимую сертификацию по требованиям к безопасности, включая проверку в зарубежных лабораториях, и сейчас массово про- — Как я понимаю, RFID — это ваше отдельное большое направ- изводится и используется в отечественных банковских картах. ление? Еще из этой области можно отметить наше комплексное реше- — В части разработки НИИМЭ был первым в России, кто занялся ние — программно-аппаратный комплекс «Звезда». Данная разработ- тематикой RFID для серийного производства, — это произошло еще ка предназначена для криптографической защиты информации в об- в 2008 году. Весь современный рынок электронных транспортных ласти «Интернета вещей». Она содержит аппаратную часть, которая приложений создавался именно за счет таких разработок. Это систе- состоит из микросхемы для шифрования, обеспечивающей защиту мы электронного доступа и контроля на транспорте — собственно, канала обмена данными с конечными устройствами, и программную большая часть билетных решений Московского метрополитена ра- часть, устанавливаемую на сервер. Комплекс обеспечивает аутенти- ботает на чипах НИИМЭ. Да и не только московского! С 2013 года фикацию и защищенную передачу данных в беспроводных сетях биометрические загранпаспорта российских граждан комплектуются на основе технологии NB-IoT. микрочипами НИИМЭ. Сейчас готовится к запуску проект нового электронного удостоверения личности гражданина РФ и других до- — Какие еще услуги, помимо разработки микросхем, оказывает кументов государственного образца, которые тоже будут основаны НИИМЭ, насколько они востребованы? на микроконтроллерах нашей разработки. — Помимо заказной разработки, НИИМЭ предоставляет различные — Какова сегодняшняя тенденция дальнейшего развития RFID- услуги по тестированию и измерению, прототипированию, разработке технологии: куда все движется, в какую сторону? ПО для смарт-карт. Новые услуги у нас появились в основном благо- даря полученному опыту по предыдущим наработкам. Собственно, — В первую очередь в сторону уменьшения размера чипа при уве- создание платформы на базе 32‑разрядного ядра RISC-V в том числе личении объема памяти и создании нового функционала на чипе. предназначалось не только для решения внутренних задач, но и для Также крайне важен и вопрос обеспечения безопасности — посто- предоставления возможности использования данной платформы сто- янно идет работа над улучшением алгоритмов шифрования. Другое ронними пользователями для реализации собственных решений с по- направление развития — превращение RFID в некий идентифика- тор, через который можно получить доступ к облачным данным. Таблица 2. Кристаллы для RFID-меток (ISO 14443 А) В части развития RFID-меток (табл. 2, 3) постепенно ширится их применение для автоматизации процессов. Сегодня мы наблюдаем Обозначение MIK640М3D MIK1312ED MIK1K5PTAC MIK1KMCM бурное развитие области UHF-маркировки и логистики: с помощью меток отслеживается товар на этапах производства, транспортировки Поддержка технологий ISO14443A ISO14443A ISO14443A ISO14443A и складирования. Причем сами метки тоже усложняются и начинают Объем памяти, бит 640 1312 1536 8192 мигрировать в область микроконтроллеров, с одной стороны, и в об- Защищенность 3DES ласть поддержки криптографии — с другой. Видя эти тенденции, мы Область ОТР ЭЦП, пароль Совместима с Crypto1 проводим активную работу в данных направлениях и имеем суще- ственный задел как готовых, так и новых решений. Таблица 3. Кристаллы для RFID-меток (NFC&CIPURSE) — Там есть свои особенности? Обозначение MIK213/215/216ND MIK2048CD NE501CD MIK30112C — Разумеется, разные рабочие частоты, расстояние до считывателя ISO14443A, на разных этапах. Нужно учитывать даже особенности упаковки то- Поддержка технологий ISO14443A, NFC CIPURSE, NFC ISO14443A, CIPURSE, ISO14443A, вара. Это целое отдельное направление, в котором мы тоже работаем Объем памяти, бит 1792/4736/8192 NFC NFC, I2С и вместе c партнерами из группы компаний «Элемент» движемся Защищенность 16384 16384 8192 ЭЦП, пароль ЭЦП, AES-128 AES-128, пароль совместима с Crypto1 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
8 рынок следующим гарантированным и быстрым производством в России. ресен. Для решения в том числе и этой задачи при поддержке депар- Это достигается за счет того, что наше предложение, наш продукт по- зволяет на базе ПЛИС, добавив необходимые IP-блоки по интерфейсу, тамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга группа по шифрованию и т. п. (которые мы можем предоставить или разра- ботчик подготовит сам), прототипировать готовое решение, встроить компаний-разработчиков в 2019 году объединилась в Консорциум его, посмотреть, как оно работает в системе, и потом заказать у нас разработку топологии и изготовление на российской или зарубеж- радиоэлектронной промышленности. Консорциум в первую очередь ной фабрике. Весь наш предыдущий опыт по разработке микросхем, библиотек для технологий, которые мы реализовывали в России, по- был образован для совместной с государством выработки решений, зволил нам создать достаточно большую библиотеку IP-блоков, также сегодня предлагаемую нами рынку. которые способствовали бы развитию отрасли, для объединения — Что пользуется большим спросом: заказные разработки, те- усилий различных участников рынка, чтобы найти точки взаимо- стирование или IP-блоки? действия, в частности и для выхода на внешний рынок. В рамках — Наибольший спрос сейчас по заказным разработкам изделий. На втором месте — IP-блоки, причем в области памяти в первую оче- Консорциума проводятся различные мероприятия по организации редь. Когда российские компании работают над проектами, где нужна память и криптография, они приходят именно к нам. господдержки при выходе за рубеж и расширении рынка сбыта, под- — Сейчас вовсю развиваются технологии корпусирования 2,5D, 3D, готовке и принятии нормативных документов, которые поддержива- xиплет, FOWLP. Работает ли институт с этими технологиями? ют развитие отрасли. — Мы сейчас в НИИМЭ проводим целый ряд работ по освоению технологии 3D-сборки. В частности, реализуем проект с Фондом пер- — В третьем номере журнале «Электронные компоненты» спективных исследований, результаты проекта уже используются в компании для решения различных задач по сборке собственных за этот год было опубликовано интервью с российским подраз- модулей, а в дальнейшем найдут применение при формировании следующих программ государственного уровня по развитию микро- делением Intel. В частности, в нем говорилось, что Intel из компа- электроники, по развитию технологий 3D-сборки. нии — производителя микроэлектроники, какой он был когда-то, — Производство микроэлектроники требует существенных за- трат: чтобы его окупить, необходимо изготовлять и продавать превратился в компанию — производителя решений. Планирует ли микросхемы массовыми сериями. Хватает ли вам емкости россий- ского рынка, удается ли сбыть всю вашу продукцию? НИИМЭ пойти по такому же пути? — Сейчас НИИМЭ в основном занимается разработками по зака- — НИИМЭ уже давно идет в этом направлении: совместно с пар- зам других компаний. Мы видим, что отечественного рынка не всегда хватает для того, чтобы окупить в том числе затраты на разработку, тнерами по ГК «Элемент» мы готовим решения по внедрению RFID. поэтому выход на экспортный рынок всегда будет нам очень инте- Тот же ПАК «Звезда» — это не отдельно микросхема и отдельно ПО, а именно решение, которое внедряется в существующую си- стему и позволяет обеспечивать безопасность. Мы продолжим раз- работку в области «Интернета вещей», смарт-карт, RFID. Эти тех- нологии сейчас на подъеме, а у нас в данной области максимальные компетенции. Также будем заниматься энергонезависимой памя- тью и решениями на ее основе. Параллельно планируем разраба- тывать новые технологии, выходить на новые топологические раз- меры с организацией библиотек, необходимых для разработки. Для зарубежных разработчиков они, конечно, не новы, но для отече- ственных компаний они точно будут интересны за счет новых оп- ций, которых раньше в России не было. n Интервью провел Павел Правосудов Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
Реклама
10 микроконтроллеры Особенности микроконтроллеров STM32G0 Александр Русу В свое время появление на рынке недорогих 32‑разрядных микрокон- троллеров STM32F0 на основе ядра Cortex-M0 стало знаковым событием в мире электроники. Удачное сочетание высокой производительности, развитой периферии и низкой стоимости в совокупности с использова- нием корпусов малых размеров привело к широкой популярности этих микросхем. Недавно компания STMicroelectronics выпустила на рынок новое семейство микроконтроллеров STM32G0 на основе обновленного ядра Cortex-M0+, об особенностях которых и пойдет речь в этой статье. Введение с батарейным питанием, или STM32Hх, благодаря которым можно быстро обработать большой объем информации. Микроконтроллеры STM32G0 на основе ядра Cortex-M0+ представ- ляют собой дальнейшее развитие микросхем предыдущего поколе- К ключевым преимуществам микроконтроллеров STM32G0 следу- ния, STM32F0, использующих ядро Cortex-M0 (рис. 1). Это семейство ет отнести высокую, по сравнению с конкурирующими решениями, относится к бюджетным микроконтроллерам общего назначения производительность, достигнутую за счет повышенной тактовой и предназначено для широкого спектра приложений, не требующих частоты и использования 32‑разрядной архитектуры, и малое удель- большой производительности или сверхмалого энергопотребления. ное энергопотребление, обусловленное применением современных Однако применение микроконтроллеров STM32G0 только в отно- технологий производства с меньшим размером техпроцесса. Помимо сительно простых устройствах не является признаком их низкого этого, разработчику доступен богатый выбор периферийных моду- качества. По сравнению с существующими 8‑ и 16‑разрядными ми- лей, позволяющих решить практически весь спектр типовых задач, кросхемами, традиционно работающих в подобных приложениях, связанных с обработкой и генерацией аналоговых и цифровых сиг- микроконтроллеры STM32G0 обеспечивают более низкое удельное налов. Не следует забывать и о мощной информационной поддержке энергопотребление, а высокая тактовая частота и повышенная раз- в виде примеров использования периферийных модулей, о наличии рядность позволяют реализовать узлы управления электронной тех- большого количества отладочных плат, высокой совместимости кода, никой намного быстрее и проще, чем с помощью микросхем других позволяющего быстро менять модель микроконтроллера, а также производителей. Подобное позиционирование связано с тем, что о существовании бесплатной среды проектирования STM32Cube у компании STMicroelectronics, кроме STM32G0, существуют и другие с графическим конфигуратором STM32CubeMX. Однако окончатель- решения, специально ориентированные на выполнение более слож- ным аргументом в пользу STM32 является низкая цена, ведь на се- ных задач, — например, семейства STM32Lх с ультрамалым энерго- годня полноценная 32‑разрядная система на основе STM32 может потреблением, предназначенные для использования в устройствах обойтись дешевле 8‑ или 16‑разрядных решений с меньшим уровнем производительности и функциональности. Рис. 1. Семейства микроконтроллеров STM32 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 11 Рис. 2. Результаты теста CoreMark для микроконтроллеров STM32G0 Рис. 4. Режимы энергопотребления микроконтроллеров STM32G0 Особенности ядра Cortex-M0+ числе и отдельная пара VDDA+VSSA для питания аналоговых узлов. В микросхемах STM32G0 для этой цели теперь используется только Ядро Cortex-M0+ является результатом глубокой переработки одна пара выводов VDD/VDDA+VSS/VSSA, через которую поступает и модернизации ядра Cortex-M0, использованного в микроконтрол- энергия и на аналоговые, и на цифровые узлы микросхемы (рис. 3). лерах STM32F0. Несмотря на то, что компания STMicroelectronics Это позволяет либо увеличить количество доступных портов вво- не планирует прекращение производства семейства STM32F0, уже да/вывода, либо использовать корпуса с меньшим количеством вы- успевшего завоевать заслуженную популярность среди производите- водов. Но самое главное — такой формат подачи питания упрощает лей электроники, в ближайшем будущем модельный ряд и характе- разводку печатной платы и сокращает общее количество блокирую- ристики микросхем STM32G0 сделают микроконтроллеры STM32F0 щих конденсаторов и помехоподавляющих дросселей. невыгодными для дальнейшего применения. Поэтому при разра- ботке новых приложений вместо STM32F0 уже сейчас следует ори- С точки зрения энергопотребления микроконтроллеры STM32G0 ентироваться на более совершенные микроконтроллеры STM32G0, могут работать в восьми основных режимах (рис. 4). В активном к тому же перенос кода с одной платформы STM на другую обычно режиме (Run Mode) напряжение питания и тактовая частота ядра не вызывает проблем. максимальны, при этом микроконтроллеры развивают наибольшую производительность и потребляют, соответственно, наибольшее ко- Появление в ядре Cortex-M0+ двухуровневого конвейера привело личество энергии (до 100 мкА/МГц). В случае если нужно обеспечить к сокращению количества обращений к флэш-памяти, что позволи- только полноценную работу периферии без участия ядра, можно ло одновременно и уменьшить уровень энергопотребления, и уве- перевести микроконтроллер в традиционный спящий режим (Sleep личить производительность. Например, результаты теста Dhrystone Mode), в котором выполнение инструкций останавливается до воз- показывают, что на максимальной тактовой частоте 64 МГц микро- никновения прерывания или перезагрузки. Если же ядро микрокон- контроллеры STM32G0 имеют производительность 59,5 DMIPS (при- троллера должно непрерывно реализовывать некоторые фоновые близительно 0,93 DMIPS/МГц), в то время как у представителей се- задачи, не требующие выполнения большого количества инструк- мейства STM32F0 на частоте 48 МГц этот параметр не превышает ций, тогда предпочтителен активный режим с пониженным энерго- 38 DMIPS (приблизительно 0,8 DMIPS/МГц) (рис. 2). потреблением (Low-Power Run Mode), в котором питание системы осуществляется от интегрированного малопотребляющего стаби- Изменение архитектуры коснулось и общей организации энерго- лизатора, а ее тактовая частота не превышает 2 МГц. Из этого режи- снабжения микросхем. В микроконтроллерах STM32F0 для подачи питания использовалось несколько пар выводов VDD+VSS, в том Рис. 3. Схема подачи питания на микроконтроллеры STM32G0 www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
12 микроконтроллеры Рис. 5. Энергопотребление микроконтроллеров STM32G0 в различных режимах ма можно также перейти в спящий режим с пониженным энерго- под управлением операционных систем реального времени (RTOS). потреблением (Low-Power Sleep Mode), в котором ядро не выполняет В этом случае каждому активному приложению выделяется отдель- никаких операций. ный блок памяти и закрывается доступ к другим, в первую очередь к сегменту памяти операционной системы. В случае попытки доступа Дополнительно снизить энергопотребление можно, только отклю- к запрещенной области возникает прерывание, в обработчике кото- чив неиспользуемые периферийные устройства. В самом экономич- рого принимается решение о дальнейшем поведении системы. ном режиме (Shutdown Mode), позволяющем уменьшить величину потребляемого тока до 40 нА (рис. 5), в активном состоянии могут Усовершенствования архитектуры затронули и стандартные эле- оставаться лишь пять портов ввода/вывода, часы реального времени менты ядра Cortex-M0+. Например, интерфейс ввода/вывода теперь (RTC) и два детектора вскрытия (TAMP). Однако выход из этого ре- имеет собственное адресное пространство в оперативной памяти, что жима наиболее длительный и может достигать 250 мкс. На этот ре- позволяет обеспечить к нему доступ с помощью обычных указателей жим очень похож дежурный режим (Standby Mode), в котором, кроме С/С++ без использования специализированных ассемблерных ин- узлов, активных в режиме Shutdown, продолжают работать монитор струкций. Это привело к ускорению обмена данными и упростило соз- напряжения питания и независимый сторожевой таймер (IWDT). дание приложений, формирующих сигналы программным способом. В остальных энергосберегающих режимах (Stop Mode) достаточ- Ассортимент микроконтроллеров STM32G0 но большое количество периферийных модулей может находиться в активном состоянии, а уменьшение энергосбережения достигается STM32G0 является динамически развивающимся семейством за счет понижения тактовой частоты и снижения напряжения пита- (рис. 6), поэтому количество микросхем в нем будет увеличиваться. ния. Например, в режиме Stop Mode 1 основной стабилизатор (MR) Основные направления его развития ориентированы как на создание отключается, а питание всех активных цифровых узлов осуществля- масштабных систем, содержащих до 512 кбайт флэш-памяти и вы- ется от интегрированного малопотребляющего стабилизатора (LPR). пускающихся в корпусах, содержащих до 100 выводов, так и на из- готовление крошечных 8‑выводных микроконтроллеров с объемом Модернизация ядра Cortex-M0 коснулась и процесса изготовле- флэш-памяти, начинающимся от 16 кбайт. На момент написания ния микросхем. Использование последних достижений в области производства полупроводниковых компонентов и более жестких Рис. 6. Направления развития семейства STM32G0 технологических норм позволило увеличить удельную плотность размещения элементов. Это привело к тому, что теперь на кремни- евых пластинах с одинаковыми размерами при использовании ядра Cortex-M0+ можно сформировать большее количество ячеек памяти, чем в случае Cortex-M0. Так, микроконтроллеры STM32G0 с объ- емом флэш-памяти 64 и 128 кбайт могут иметь до 144 кбайт ОЗУ, а объем оперативной памяти более дорогих моделей, способных хра- нить прошивку размером до 512 кбайт, может достигать 144 кбайт. С другой стороны, уменьшение размеров элементов помогает умень- шить и общие размеры кристалла, поэтому микросхемы семейства STM32G0, при одинаковых объемах флэш-памяти и ОЗУ, могут иметь меньшие размеры и выпускаться, например, в 8‑выводных корпусах SO8N с размерами всего 4,96 мм. Кроме возможности размещения на кристалле большего количе- ства оперативной памяти, изменились и методы ее использования. В микроконтроллерах Cortex-M0+ реализован модуль защиты памя- ти (Memory Protection Unit, MPU), обычно присутствующий в стар- ших семействах (Cortex-M3, Cortex-M4 и выше). При использовании MPU оперативную память можно разделить на восемь сегментов, с ограничением доступа приложений к каждому из них. Подобные механизмы чаще всего предусмотрены в устройствах, работающих КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 13 Рис. 7. Состав семейства STM32G0 статьи многие из микроконтроллеров этого Рис. 8. Линейки семейства STM32G0 семейства уже доступны для приобретения, а остальные модели появятся на рынке в са- мое ближайшее время (рис. 7). Компания STMicroelectronics разделя- ет семейство STM32G0 на две основные линейки (рис. 8). Линейка Value Line явля- ется базовой и содержит ядро Cortex-M0+ со стандартным набором периферий- ных модулей. Микросхемы, относящиеся к этой линейке, имеют до 512 кбайт флэш- памяти, до 144 кбайт и ОЗУ и выпускаются в корпусах, содержащих до 100 выводов. Микроконтроллеры Value Line могут рабо- тать в диапазоне рабочих температур окру- жающей среды –40…+85 °C при напряжении питания 2–3,6 В. Все микросхемы Value Line имеют в своем составе 12‑разрядный АЦП последователь- ного приближения, с производительностью, достигающей 2,5 Мвыб/с. С его помощью можно оцифровывать до 19 аналоговых сиг- налов, три из которых формируются вну- тренними узлами микроконтроллера (датчик температуры, напряжение батареи и опор- ное напряжение). Кроме высокой произво- дительности, в АЦП предусмотрена гибкая настройка, позволяющая конфигурировать КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
14 микроконтроллеры Таблица 1. Сравнительные характеристики линеек Access Line и Value Line ставляет дополнительную выгоду производителю, ведь при выборе микроконтроллеров Value Line ему придется меньше переплачивать Характеристики Value Line Access Line за неиспользуемые функции. Диапазон рабочих напряжений, В 2–3,6 1,7–3,6 Линейка Access Line имеет расширенный набор функций ядра Диапазон рабочих температур, °С –40…+85 –40…+125 и большее количество периферийных модулей (табл. 1). В частно- Источники сброса системы POR, PDR POR, PDR, PVD, BOR сти, микросхемы этого семейства имеют большее количество тайме- Внутренний высокоскоростной RC-генератор Некалиброванный, 1% Калиброванный, 1% ров (табл. 2), среди которых следует особо отметить два высокоско- Возможность питания от резервной батареи ростных модуля (TIM1 и TIM15), имеющие в своем составе модуль Возможность подключения внешнего Есть Есть умножения частоты с фазовой автоподстройкой, позволяющий им источника опорного напряжения (VREF) работать на частотах, достигающих 128 МГц. Кроме того, в число 12-разрядный ЦАП Есть Есть периферийных модулей микроконтроллеров Access Line входят два Аналоговые компараторы малопотребляющих таймера (LPTIM1 и LPTIM2), способных сохра- Модуль USB-PD Нет Есть нять активность даже в режимах глубокого сна. Нет Есть Модули для криптозащиты (AES+TRNG) Нет Есть Микроконтроллеры Access Line содержат два 12‑разрядных ЦАП, Только в линейке которые можно синхронизировать между собой и запускать не толь- Режимы энергопотребления Нет Access Line & Encryption ко программно, но и аппаратно с помощью других периферийных Run, Sleep, Stop, модулей. ЦАП поддерживают различные форматы входных данных Малопотребляющий Run, Sleep, Stop, Stand-by, Shutdown, Vbat и способны генерировать треугольные и шумоподобные сигналы приемопередатчик UART (LP UART) Stand-by без участия ядра. Также ЦАП могут работать в особом режиме пони- Малопотребляющий таймер (LP Timer) женного энергопотребления (Sample and Hold), в котором выходное 32-разрядный таймер Нет Есть напряжение на внешнем или внутреннем конденсаторе вначале ге- нерируется (фаза Sample), а затем лишь поддерживается на заданном Максимальная частота таймеров TIM и TIM15 Нет Есть уровне (фаза Hold) путем периодической регенерации. Нет Есть Наличие защищенной области флэш-памяти Частота тактового Удвоенная частота Кроме трех цифровых компараторов, входящих в состав АЦП, генератора тактового генератора микросхемы Access Line содержат два быстродействующих анало- Корпус Нет Есть говых компаратора, которые можно объединить в один блок, что- SO8, TSSOP20, QFN28, бы обеспечить «оконное» слежение за уровнем входного сигнала. SO8, TSSOP20, LQFP32, QFN32, LQFP48, Источником сигналов для компараторов служат как внешние, так LQFP32, LQFP48, QFN48, LQFP64, LQFP100, и внутренние узлы микроконтроллера. Компараторы имеют воз- LQFP64, LQFP100 BGA, WLCSP можность настройки величины гистерезиса и поддерживают режим работы со «слепой зоной» (Blink Mode), в котором их функциони- Таблица 2. Основные характеристики таймеров микроконтроллеров Access Line рование может быть временно заблокировано с помощью внешних или внутренних сигналов. Тип Название Разрядность, Максимальная Количество бит тактовая частота, МГц каналов Число интерфейсных модулей микроконтроллеров Access Line также расширено. Особо следует отметить наличие модуля CAN, со- С расширенными функциями TIM1 16 128 6 ответствующего ISO 11898-1:2015 (версия 2.0 А, В) и первой версии (Advanced-Control Timer) протокола FD CAN, а также модуля USB-PD, со встроенным кон- Общего назначения TIM2 32 64 4 троллером питания (UCPD), соответствующим спецификациям USB (General Purpose Timer) TIM3 16 64 4 Type-C Rev. 1.2 и USB Power Delivery Rev. 3. Кроме того, все микро- С базовыми функциями TIM3 16 64 4 схемы Access Line имеют отдельный модуль USB‑2.0, способный ра- (Basic Timers) TIM6 16 64 0 ботать как в режиме ведущего (до восьми устройств), так и ведомого TIM7 16 64 0 с поддержкой функций заряда аккумуляторов. Общего назначения TIM14 16 64 1 (General Purpose Timer) TIM15 16 128 2 Микросхемы Access Line действуют в диапазоне температур –40… TIM16 16 64 1 +125 °C и напряжений питания 1,65–3,6 В и выпускаются в корпусах Малопотребляющие TIM17 16 64 1 с 8–100 выводами. Доступ к части флэш-памяти микроконтроллеров (Low-Power Timer) линейки Access Line (Securable Memory Area) может блокироваться LPTIM1, LPTIM2 16 64 1 после выполнения кода, содержащегося в ней, до следующей пере- загрузки микросхемы. Это позволяет разместить в ней, например, разрядность результатов измерений и уровень энергопотребления. загрузчик операционной системы, прочитать или изменить который АЦП поддерживают множество режимов работы, в том числе режим с помощью кода приложений невозможно. цифрового компаратора, формирующего прерывания при достиже- нии измеряемой величины некоторого порогового значения, а также Часть микроконтроллеров линейки Access Line имеет дополнитель- интегратора, накапливающего результаты измерений в ОЗУ, исполь- ные узлы для шифрования данных: криптографический модуль стан- зуя для этого каналы DMA. дарта Advanced Encryption Standard (AES) и аппаратный генератор случайных чисел (True Random Number Generator, TRNG). Компания Для связи микроконтроллеров Value Line с другими узлами систе- STMicroelectronics обозначает эту группу как Access Line & Encryption, мы можно использовать коммуникационные модули, поддерживаю- не выделяя ее в отдельную линейку. Микроконтроллеры Access Line щие наиболее популярные интерфейсы передачи данных. Например, & Encryption предназначены в первую очередь для приложений, ис- модули USART, чье количество в некоторых моделях микроконтрол- пользующих для передачи данных открытые каналы связи, например леров может достигать четырех, поддерживают практически все фор- для устройств «Интернета вещей», связывающихся с центральным маты асинхронной и синхронной передачи данных, используемые сервером с помощью беспроводных интерфейсов Bluetooth или Wi-Fi. в интерфейсах RS‑232/422/485. Они также имеют отдельную линию для управления аппаратной частью драйверов витых пар, приме- Отладочные средства няемых в интерфейсах RS‑422/485. Кроме этого, некоторые модули USART можно настроить для работы с другими протоколами, среди Несмотря на то, что микроконтроллеры STM32G0 имеют высо- них Modbus, LIN, IrDA SIR ENDEC, Smartcard и SPI (только режим кий уровень интеграции и требуют для своей работы минималь- ведомого). В число коммуникационных модулей входят полноцен- ного количества внешних компонентов, реализация приложений ные приемопередатчики SPI (до 32 МГц) и I2C (до 1 МГц), каждый из которых может работать в режиме как ведомого, так и ведущего. Таким образом, микросхемы Value Line можно использовать и в больших, и в малых проектах, не требующих обработки каких- либо специфических сигналов или эксплуатации в жестких услови- ях. При этом благодаря наличию высокопроизводительного ядра они позволяют реализовать достаточно сложные алгоритмы управ- ления, в том числе и создавать приложения на основе операцион- ных систем, работающих в реальном времени. Не следует забывать и о более низкой цене микроконтроллеров этой линейки, что предо- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 15 Таблица 3. Основные характеристики отладочных плат NUCLEO Плата Микро- Количество Программатор- контроллер выводов отладчик NUCLEO-G031K8 STM32G031K8 32 ST-LINK/V2-1 NUCLEO-G070RB STM32G070RBT6 64 ST-LINK/V2-1 NUCLEO-G071RB STM32G071RBT6 64 ST-LINK/V2-1 NUCLEO-G0B1RE STM32G0B1RET6 64 ST-LINK/V2-1 Рис. 9. Отладочные платы NUCLEO того, платы NUCLEO поддерживают попу- работчика от решения стандартных вопро- лярную платформу Arduino, что дополни- сов, связанных с разводкой печатной платы с нуля на их основе может занять достаточно тельно расширяет сферу их практического и обеспечением необходимых электрических длительное время, особенно при использо- применения. режимов микроконтроллера. В то же время вании корпусов, «неудобных» для ручного существует ряд задач, направленных на из- макетирования, например BGA. Поэтому Компания STMicroelectronics предлага- учение какой-либо одной функции. В этом для оперативной оценки возможностей этих ет достаточно большое количество плат случае следует обратить внимание на специа- микроконтроллеров рекомендуются специ- NUCLEO на основе микроконтроллеров с ко- лизированные отладочные наборы (Discovery ализированные отладочные платы. личеством выводов 32–144, однако только Kits), содержащие все необходимые компо- четыре из них содержат микроконтроллеры ненты для изучения данного вопроса. Для быстрого создания прототипов опти- серии STM32G0 (табл. 3). Следует отметить, мальны платы NUCLEO (рис. 9), содержащие, что все платы NUCLEO поддерживаются Компания STMicroelectronics в рамках кроме микроконтроллера со всеми необхо- большинством интегрированных сред для поддержки микроконтроллеров STM32G0 димыми сопутствующими компонентами, разработки программного обеспечения, предлагает два отладочных набора: еще и программатор-отладчик ST-LINK. а на сайте STMicroelectronics можно найти STM32G0316‑DISCO и STM32G071B-DISCO. Имея минимальный набор радиоэлементов достаточно примеров готового исходного Оценочная плата STM32G0316‑DISCO и разъем, обеспечивающий доступ практи- кода для этих плат. на основе 8‑выводного микроконтроллера чески ко всем выводам микроконтроллера, STM32G031J6 (рис. 10) предназначена для платы NUCLEO можно оперативно интегри- Отладочные платы NUCLEO являются изучения его возможностей. Особенностью ровать в разрабатываемое оборудование, что универсальными и больше подходят для этого продукта является монтаж микро- позволяет быстро сконцентрировать внима- прикладных задач. Фактически примене- контроллера на отдельной плате, устанав- ние на реализации прикладных функций, ние плат NUCLEO только освобождает раз- ливаемой в стандартный разъем DIP8. Это не отвлекаясь на стандартные задачи. Кроме позволяет перенести запрограммированный контроллер в конечное устройство и про- верить работу созданного программного обеспечения в реальных условиях. Помимо элементов, необходимых для работы микро- контроллера, на плате установлен програм- матор-отладчик ST-LINK/V2-1, подключа- емый к компьютеру с помощью разъема Micro-USB. Плата STM32G071B-DISCO на основе микроконтроллера STM32G071RB (рис. 11) предназначена для создания приложений, ис- пользующих порт USB Type-C. С помощью данной платы можно разрабатывать устрой- ства, поддерживающие разные роли в раз- резе как передаваемых данных, так и пита- ния, а с помощью встроенных инструментов можно контролировать напряжение питаю- Рис. 10. Отладочный комплект STM32G0316‑DISCO www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
16 микроконтроллеры ванного программного обеспечения STM32CubeMonUCPD. На сайте компании STMicroelectronics имеются примеры готового кода, позво- ляющего реализовать основные функции этого порта. Быстрее всего определить возможности микроконтроллеров STM32G0 можно только с помощью полнофункциональных оце- ночных плат STM32G081B-EVAL и STM32G0C1E-EV (рис. 12) на основе микроконтроллеров, соответственно, STM32G081RBT6 и STM32G0C1VET6. Кроме центрального процессора, програматора- отладчика ST-LINK и компонентов, необходимых для общей работы системы, на платах установлены элементы, позволяющие практически сразу оценить все функции, доступные при использовании микрокон- троллеров этой модели, в том числе жидкокристаллические дисплеи, джойстики, разъемы для подключения коммуникационных интерфей- сов с соответствующими преобразователями уровней, батареи резерв- ного питания, стабилизаторы напряжений и многое другое. Заключение С момента своего появления бюджетные 32‑разрядные микро- контроллеры семейства STM32F0 оказались серьезными конкурен- тами для традиционных 8‑ и 16‑разрядных решений, а после по- явления их модернизированных версий эта борьба еще больше обострится. Немаловажное значение имеет тот факт, что микросхемы STM32G0 уже сейчас дешевле, компактней и быстрее многих своих Рис. 11. Отладочный комплект STM32G071B-DISCO аналогов. И если последующая замена STM32F0 на более произво- щей шины и ток, потребляемый от порта. Все необходимая инфор- дительные версии для компании STMicroelectronics — естествен- мация о состоянии системы отображается с помощью специализиро- ный эволюционный процесс, то для конкурирующих решений это может оказаться весомым аргументом для пересмотра ассорти- мента выпускаемой продукции. n а б Рис. 12. Оценочные платы: а) STM32G081B-EVAL; б) STM32G0C1E-EV КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 17 Интеллектуальная интеграция: объединение аналоговых компонентов с микроконтроллерными ядрами ARM с целью решения сложных задач встраиваемых систем Колин Дагган (Colin Duggan) Порой при разработке перспективных встраиваемых систем возникают Денис Лабрек (Denis Labrecque) сложные задачи, которые являются следствием реализации довольно сме- лых целей по существенному повышению рабочих характеристик, умень- Перевод: Михаил Русских шению стоимости, энергопотребления и размеров, а также по добавлению новых функций и повышению эффективности работы системы. Несмотря [email protected] на сложность этих задач, есть весьма действенное решение — аналого- вые компоненты, интегрированные с микроконтроллерными ядрами ARM в рамках интеллектуальной системы. Разница между этой и традиционной аналоговой интеграцией заключается в достижении первым вариантом вы- соких рабочих характеристик и в оптимизации, обеспечивающей решение конкретных задач системного уровня. Хотя в рамках каждой отрасли имеются определенные параме- нескольких дискретных компонентов и процессора в одном корпусе тры, которые необходимо улучшить в первую очередь, одно- не станет полноценным решением — оно гораздо сложнее, и для его временное повышение ряда характеристик является очень же- реализации требуется проведение интеллектуальной интеграции. лательным и может быть выполнено за счет интеграции множества отдельных компонентов. Логично, что объединение таких компонен- Интеллектуальная интеграция тов в одном корпусе позволило бы решить многие из задач, связанных аналоговых и цифровых компонентов с проектированием встраиваемых систем, но простое размещение Интеллектуальная интеграция высококачественных аналоговых Рис. 1. Интеллектуальная интеграция: компонентов (усилителей, АЦП, ЦАП, источников опорного напряже- аналоговые и цифровые IP-блоки объединены в рамках одного устройства ния, датчиков температуры, беспроводных приемопередатчиков и т. д.) и оптимизированы для работы в целевых областях применения с 32‑разрядными процессорными ядрами от ARM с необходимыми цифровыми периферийными блоками сможет решить задачи, кото- рые не под силу дискретным сборкам. Для создания оптимизирован- ного процессора обработки смешанных сигналов требуется глубокое знание всей системы, а также наличие соответствующих блоков интел- лектуальной собственности (IP) и опыт работы с подобными блоками. Излишне говорить, что разработчики микросхем и системные инжене- ры, определяющие характеристики и функциональные возможности этих интегрированных устройств, должны иметь ясное представление о требованиях конечного приложения. Знания в данной области име- ют решающее значение и предполагают четкое понимание требований на уровне платы, таких как форм-фактор, температурные диапазоны, нюансы производства, энергопотребление, стоимость, использование сопутствующих компонентов в сигнальной цепи. На рис. 1 показаны аналоговые и цифровые IP-блоки, которые зачастую используются в интеллектуально интегрированных устройствах. Доступность нужного IP-блока является хорошей отправной точ- кой для достижения целей проектирования на уровне системы. Эта отправная точка необходима для того, чтобы существенно сократить период проектирования процессора обработки смешанных сигналов. Приобретение/создание и внедрение самого IP-блока, подходящего КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
18 микроконтроллеры для конечной системы, как правило, должно выполняться производи- нентную базу. Хотя рентабельность и КПД самих панелей постепенно телем микросхем. Затем этот IP-блок необходимо изменить, в частно- увеличиваются, новые технологии также позволяют повысить эффек- сти для удовлетворения двух требований. Первое требование — мак- тивность инверторов солнечных фотоэлектрических систем, а именно симизация качества работы на уровне системы за счет оптимизации они смогут обеспечить более эффективное взаимодействие между вы- характеристик и параметров в соответствии с потребностями основной ходом солнечной панели и электросетью. К этим новым технологиям целевой системы. Второе требование оптимизации IP-блока заключа- относятся топологии с высоковольтными ключами с фиксированной ется в том, чтобы он оптимально работал с другими дополнительны- нулевой точкой (NPC) с тремя и пятью уровнями или многоуровне- ми IP-блоками в процессоре обработки смешанных сигналов. вые, в рамках которых используются быстродействующие силовые транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и нитрита галлия (GaN). И наконец, на уровне развития бизнеса должна быть возможность для сотрудничества, в рамках которого предполагается объединение На рис. 2 показана двухкаскадная инверторная система для сол- опыта и знаний производителя систем и производителя микросхем, нечных панелей. Электроэнергия от панелей, по сути, от источника что в конечном итоге способно привести к созданию оптимизирован- постоянного тока, преобразуется в напряжение переменного тока, ного уникального устройства. которое можно подавать в сеть. Первый каскад предусматривает по- вышающее преобразование одного напряжения постоянного тока Области применения процессоров обработки в другое напряжение постоянного тока, чтобы оно соответствовало смешанных сигналов пиковому напряжению сети. Второй каскад преобразует напряже- ния постоянного тока в напряжение переменного тока. В области, Сегодня имеется немало областей применения, где использование обведенной красным, показаны низковольтные компоненты, ис- устройства, в котором объединены высококачественные аналоговые пользуемые для управления процессом преобразования, которые при компоненты с микроконтроллерными ядрами ARM, будет весьма по- объединении в одном процессоре обработки смешанных сигналов лезным. К таким сферам относятся системы измерения температуры, дают существенные преимущества на уровне системы. За счет инте- измерения давления, обнаружения газа, преобразователи солнечных грации нескольких компонентов в одном устройстве и повышения систем, системы управления двигателями, медицинские системы мо- КПД, обеспечиваемого новыми топологиями высокоскоростной ком- ниторинга жизненно важных функций организма, автомобильные мутации, стоимость системы существенно сокращается. В результате системы мониторинга, а также счетчики газа, воды, электроэнергии. снижаются затраты на установку на 1 кВт. При использовании новой В статье будут рассмотрены две области применения, в рамках кото- топологии также имеется возможность сэкономить на стоимости рых использование устройств с интегрированными оптимизирован- компонентной базы, поскольку в данном случае можно применять ными высококачественными аналоговыми компонентами и микро- дроссели меньшего размера. Помимо экономии на стоимости компо- контроллерными ядрами ARM позволяет значительно уменьшить нентной базы, можно уменьшить и размер преобразователя. стоимость, энергопотребление и размеры системы, а также улучшить ее рабочие характеристики. К этим областям применения относятся: Высокоскоростные АЦП последовательного приближения хорошо • преобразователи солнечных фотоэлектрических систем, где ис- подходят для этих задач, поскольку они имеют требуемый уровень точности (эффективное число битов — 13), высокую скорость пре- пользование таких высоко интегрированных устройств позволит образования для работы с контурами управления с более высокой повысить КПД, снизить стоимость компонентной базы и интегри- частотой, возможность мультиплексирования нескольких входных ровать интеллектуальные функции, обеспечивающие взаимодей- каналов, а также малую задержку (<1 мкс). Данная система имеет ствие с интеллектуальной электросетью; два АЦП для одновременной выборки значений тока и напряжения • системы управления двигателями, где применение таких высоко электросети. Для измерения параметров в нескольких точках в систе- интегрированных устройств позволит повысить КПД, что в конеч- ме необходимо организовать большое количество входных каналов ном итоге приведет к уменьшению негативного влияния на окру- АЦП, причем в некоторых случаях до 24 аналоговых каналов. Для жающую среду и сокращению затрат на систему. удовлетворения данного требования к АЦП подключена специальная Обратите внимание, что, хотя эти высоко интегрированные система мультиплексирования с буферизацией. устройства обработки смешанных сигналов оптимизированы для конкретных конечных областей применения, они могут быть не ме- Для организации оптимальной работы нескольких каскадов пре- нее эффективны в смежных областях, имеющих аналогичные функ- образования и высокоскоростных контуров управления необходимо циональные требования. выбрать ядро процессора с соответствующими техническими харак- теристиками и возможностью высокоскоростной обработки данных. Преобразователи солнечных В этом случае ядро ARM Cortex-M4, рассчитанное на работу с часто- фотоэлектрических систем: той более 200 МГц в регламентированном температурном диапазоне, снижение стоимости с целью повсеместного удовлетворит указанные требования. внедрения и наличие интеллектуальных функций для интеграции с «умной» электросетью Sinc-фильтры, изображенные на рис. 2, устанавливаются совмест- но с изолированными АЦП. Они позволяют измерять напряжение Несмотря на то что за последние пять лет продажи солнечных фото- переменного тока сети и подавать напряжение постоянного тока, электрических систем выработки электроэнергии выросли более чем чтобы избежать насыщения трансформаторов. Здесь вполне подой- на 50% в годовом исчислении, они по-прежнему составляют очень дет традиционный метод, который заключается в применении пре- небольшой процент подобных систем во всем мире. Хотя в некоторых образователя тока на эффекте Холла, но это дорого по сравнению регионах стоимость электроэнергии, генерируемой солнечными фото- с использованием изолированных АЦП. Тем не менее для этого необ- электрическими панелями, сравнялась со стоимостью электричества, ходимо, чтобы sinc-фильтры были интегрированы в процессор об- поступающего от электростанций, работающих на ископаемом то- работки смешанных сигналов, что позволит избежать добавления пливе, в большинстве регионов такой баланс не был установлен, и, как в схему дополнительной микросхемы программируемой логики. правило, его достижение зависит от государственных субсидий. Кроме того, комбинация таких АЦП и sinc-фильтров позволяет по- высить линейность по сравнению с датчиками на эффекте Холла, что Для того чтобы эффективнее конкурировать с традиционными ис- приведет к уменьшению гармонических искажений. точниками энергии, такими как природный газ, уголь и нефть, следует сократить затраты на электроэнергию, вырабатываемую солнечны- Поскольку сегодня электросети становятся все «умнее», инверторы ми фотоэлектрическими панелями, что лучше всего достигается как солнечных фотоэлектрических систем должны обладать все боль- за счет повышения КПД, так и за счет сокращения затрат на компо- шим количеством интеллектуальных функций, которые позволят устранить дисбалансы в сети, то есть случаи, когда из нескольких источников доступно больше энергии, чем необходимо. По этой КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 19 Рис. 2. Блок-схема двухкаскадной солнечной фотоэлектрической инверторной системы. В области, обведенной красным, показаны блоки, которые интеллектуально объединены в рамках одного устройства причине основное внимание уделяется интеллектуальным функциям энергии. Учитывая, что на электродвигатели приходится 40% по- фотоэлектрических систем с реализацией возможностей интегра- требления электроэнергии в мире, возникает вопрос, как сделать эти ции в сети, где все участники должны работать совместно, чтобы системы более экологичными. И ответом здесь является повышение достичь стабилизации сети. Для интеграции с сетью необходимы КПД, позволяющее в конечном итоге снизить энергопотребление. более качественные средства измерения, управления и анализа каче- Экономия от широкого внедрения двигателей с более высоким КПД ства энергии, подаваемой в сеть. Механизм анализа гармоник, раз- может измеряться большими цифрами: экономия электроэнергии работанный специально для мониторинга качества электроэнергии, в сотнях миллиардов киловатт-часов и сокращение выбросов угле- подаваемой в сеть, помогает решить данную задачу. Благодаря воз- кислого газа в атмосферу в миллионах тонн в год. Очевидно, что можностям вычисления ряда переменных, таких как гармонические двигатели с более высоким КПД способны значительно улучшить искажения, мощность, среднеквадратическое значение напряжения, экологию нашей планеты. среднеквадратическое значение тока, реактивная мощность, полная мощность и коэффициенты мощности, можно контролировать каче- В частности, существует несколько ключевых факторов, которые ство электроэнергии. Специальный механизм для выполнения этих стимулируют использование таких двигателей. Один из стимулов — вычислений обеспечивает очень высокую точность, освобождая ядро государственное законодательство, направленное на защиту окружаю- ARM Cortex-M4 от подобной вычислительной нагрузки. щей среды. В Европейском союзе действует нормативная база (которую в дальнейшем планируется расширить еще больше), в соответствии Применение процессоров обработки смешанных сигналов, пред- с ней предприятия должны использовать более эффективные электро- назначенных для таких применений, значительно повысит каче- приводные системы. Еще один ключевой фактор — сокращение экс- ство работы инверторов солнечных панелей на системном уровне. плуатационных затрат системы. Приблизительная стоимость эксплуа- Понимание рыночных тенденций и глубокие знания в области про- тации системы управления двигателями составляет 15% на расходные ектирования систем позволяют создать интеллектуально интегриро- материалы и 85% на энергию, предназначенную для работы. Таким ванную микросхему, способную работать с топологиями следующего образом, существует значительный потенциал по сокращению эксплу- поколения с использованием небольшого количества микросхем, атационных расходов электроприводных систем с более высоким КПД. а также интегрировать функции, обеспечивающие взаимодействие с интеллектуальной сетью. Повышения КПД можно добиться за счет специальной конструк- ции двигателя, выбора типа двигателя, добавления привода с регули- Управление двигателями: руемой скоростью для систем, в которых нет такого типа управления, повышенный КПД, приводящий к уменьшению и алгоритмов управления, способных оптимизировать КПД. С точки негативного влияния на окружающую среду, зрения специальной конструкции двигателя и выбора его конкретно- и сокращение эксплуатационных затрат го типа электродвигатели с постоянными магнитами и прежде были в центре внимания, однако в последнее время их популярность зна- Помимо экологической проблемы, связанной с тем, как генериру- чительно возросла. КПД двигателей с постоянными магнитами мо- ется энергия, существует и проблема эффективного использования жет достигать 96%, что превышает показатель, регламентированный европейским стандартом IE3. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
20 микроконтроллеры Рис. 3. Блок-схема системы управления двигателем Процессоры обработки смешанных сигналов с интеллектуаль- двигателями высококачественные АЦП последовательного прибли- ной интеграцией компонентов позволяют повысить качество рабо- жения могут работать без необходимости усреднения или переди- ты приводов с регулируемой скоростью и алгоритмов управления. скретизации с целью удовлетворения поставленных требований. Экономически эффективная интеграция подсистемы процессора на основе ядра ARM с ШИМ, АЦП и механизмом мультиплексиро- Различные IP-блоки, представленные на рис. 3, были спроектиро- вания позволяет существенно сэкономить на компонентной базе для ваны очень тщательно для оптимальной совместной работы. В ре- приводов с регулируемой скоростью. зультате была получена универсальная контрольно-измерительная подсистема, способная осуществлять множество синхронизирован- Работу алгоритмов управления можно улучшить с помощью ных по времени выборок и эффективно отправлять их в основную высокоточных АЦП с малым временем преобразования. Это позво- память процессора с ядром ARM. В рамках задачи управления дви- ляет увеличить КПД всей электроприводной системы. АЦП с точно- гателем фазные токи и другие параметры могут быть синхронно стью более 12 бит повышает точность управления фазными токами. измерены в точно определенных точках цикла ШИМ. После этого Тем не менее ради достижения более высокой точности нельзя жерт- дискретизированные данные могут быть быстро перемещены без вовать задержкой преобразования. Из-за этого преимущества АЦП, дополнительных вычислительных операций в память микрокон- обеспечивающие усреднение выборок или передискретизацию с це- троллера для дальнейшей обработки. Для достижения данной цели лью повышения отношения сигнал/шум, сходят на нет. Переменные пять различных блоков в процессоре обработки смешанных сигналов необходимо измерять синхронно со скоростью движения конечно- должны работать согласованно. го механизма (например, манипулятора для захвата и перемещения продукции). Быстрое время преобразования в сочетании с быстро- Цикл начинается с импульса ШИМ, отправляемого в блок марш- действующим микроконтроллерным ядром ARM позволяет повы- рутизации триггерных сигналов (БМТС), который выполняет работу сить скорость работы контура управления, что в результате приводит по подключению ведущих к ведомым. В данном случае блок ШИМ к улучшению качества переходного процесса. В свою очередь это при- является ведущим, а таймер контроллера АЦП (АЦПК) — ведомым. ведет к повышению качества работы и эффективности системы произ- АЦПК должен иметь возможность обрабатывать большое количество водственных линий, что позволит снизить производственные затраты. событий и использовать таймеры (TMR0/TMR1), чтобы отслеживать, сколько времени проходит от активации ШИМ до инициирования Как и в случае с солнечными фотоэлектрическими системами, определенного события АЦП. При совпадении значения таймера АЦП последовательного приближения являются оптимальным ре- с конкретным событием выбираются блоки мультиплексирования шением и для систем управления двигателями. В системе управления входов (M0 и M1) и каналы АЦП (ADC0 и ADC1). Далее на АЦП Рис. 4. Временная диаграмма для выборки пяти различных переменных для управления двигателем с помощью АЦП КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
микроконтроллеры 21 отправляется сигнал начала преобразования. Дискретизированные чать с производителями систем с целью создания новых продуктов. данные перемещаются из АЦП в АЦПК, а затем из АЦПК в СОЗУ микроконтроллера через DMA. В рамках такого сотрудничества определяются наиболее подходящие На рис. 4 представлена временная диаграмма с импульсами ШИМ, компоненты, выполняется их оптимизация для целевой конечной си- сигналами синхронизации ШИМ и событиями АЦП, управляемыми посредством АЦПК. стемы, а IP-блоки модифицируются для организации их совместной Для разработки процессора обработки смешанных сигналов, пред- работы. Только после таких процедур можно интегрировать опти- назначенного для управления двигателями, были доступны оптими- зированные IP-блоки для реализации ШИМ, БМТС, блока мульти- мизированные компоненты. Примеры подобных интеллектуально плексирования, буферизации, АЦП последовательного приближения и DMA. Тем не менее с целью достижения уровня координации, интегрированных продуктов представлены в ассортименте изделий необходимого для точной синхронизации выборки АЦП в пределах периода ШИМ, требовалась определенная модификация этих блоков. компании Analog Devices, среди которых можно отметить полностью Потребность в блоке АЦПК основана на том, что в одну микросхе- му также интегрированы другие IP-блоки, для которых требуется интегрированную 24‑разрядную систему сбора данных ADuCM360, координация работы. Блок АЦПК спроектирован с учетом этого требования и полностью использует высокую скорость двух ядер имеющую скорость преобразования 3,9 kSPS, а также процессоры об- АЦП, которые характеризуются быстрым временем преобразования, равным 380 нс. работки смешанных сигналов ADSP-CM403F и ADSP-CM408F, кото- Заключение рые содержат в своем составе два высокоточных 16‑разрядных АЦП Инновационная базовая технология является лишь отправной и процессорные ядра ARM Cortex-M4 [6]. n точкой, разработчики микросхем должны быть широко осведомлены о системах заказчиков и обладать глубокими знаниями в области про- Литература ектирования, применения и оптимизации прецизионных аналоговых и цифровых компонентов. Кроме того, производители микросхем 1. Murnane M. Robust Completely Isolated Current Sense Circuit with Isolated должны иметь возможность и быть готовыми напрямую сотрудни- Power Supply for Solar Photovoltaic Converters. www.analog.com/CN0280 2. Murnane M. Isolation Technology Helps Integrate Solar Photovoltaic Systems onto the Smart Grind. Analog Dialogue, September 2012. 3. O’Sullivan D., Sorensen J., Murray A. Motor Control Feedback Sample Timing Using the ADSP-CM408 ADC Controller. www.analog.com/ADSP-CM408 4. Melfi M. J., Evon S., McElveen R. Induction vs Permanent Magnet Motors // IEEE Industry Application Magazine. 2009. Vol. 15. Iss. 6. 5. ADSP-CM402F/CM403F/CM407F/CM408F Mixed-Signal Control Processor with ARM Cortex-M4. www.analog.com/media/en/technical-documentation/ data-sheets/adsp-cm402f_cm403f_cm407f_cm408f_cm409f.pdf 6. www.analog.com новости события Участники Interlight Russia | Intelligent building Russia продемонстрируют свои новинки в нестандартном формате На международной выставке освещения, автоматизации зданий, электро- Design Box — стенды для демонстрации декоративного освещения (под- техники и систем безопасности Interlight Russia участники продемонстрируют весные, напольные, настенные и настольные светильники) в готовых дизай- свою продукцию в нестандартном формате. нерских интерьерах. Light box — демонстрация технического освещения. • Время проведения: 13–16 сентября 2021 года. В каждом из кубов воссоздана тематическая обстановка, для которой участ- • Место проведения: Москва, ЦВК «Экспоцентр». никами выставки будет предложено решение по освещению: музейное, архи- тектурно-фасадное, торговое, офисное и другое. В зону Smart box будут ин- Впервые экспозиция праздничного освещения — Festive light — будет тегрированы «коробочные» решения автоматизации и систем безопасности. расположена в затемненном зале. Участники продемонстрируют гирлянды, декоративные фигуры и новогодние инсталляции. Приглашенные художники Масштабное перерождение ждет тренд-зону Smart Cube — концептуаль- представят собственные авторские проекты, а светодизайнеры и витринные ное пространство, позволяющее понять, как функционирует «умный дом», декораторы — праздничные решения по оформлению витрин. и вживую увидеть, как работают различные световые сценарии и связанные с ними технологические процессы. В 2021 году акцент в экспозиции будет сделан на демонстрационных зонах нового формата: Design box, Light box и Smart box — это стенды в форме В рамках деловой программы пройдут: куба, в которых можно увидеть дизайнерские решения и технологии в усло- • Interlight Design Academy. виях, максимально приближенных к реальным. Дата: 13–16 сентября 2021 года. Открытая образовательная площадка для архитекторов, урбанистов и ди- зайнеров. В фокусе внимания — роль света в городских пространствах в частности и светодизайн в целом. • LED Forum. Дата: 13 сентября 2021 года. Мероприятие посвящено перспективам развития рынка светотехники. К участию приглашаются производители и дистрибьюторы светотехники, энергосервисные компании, научные организации, эксперты рынка, а также все, кто интересуется LED-технологиями и трендами светотехнического рынка. • Intersec Forum Russia. Дата: 14 сентября 2021 года. Ключевые темы для обсуждения: перспективы развития «умных» и безопасных городов в России и мире после COVID‑19, строительная отрасль и рынок систем автоматизации и безопасности зданий, освещение и безопасность объектов куль- туры и социальной инфраструктуры. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
22 компоненты пассивные элементы Низковольтные многослойные керамические чип-конденсаторы НИИ «Гириконд» для массового применения в малогабаритных блоках перспективной РЭА Борис Беленький, В статье рассмотрены малогабаритные низковольтные многослойные ке- к. т. н. рамические чип-конденсаторы разработанные в порядке модернизации серии К10-83 (рисунок). Эти изделия относятся к отечественной группе [email protected] температурной стабильности Н20 — наиболее близкой к самой распро- Мария Коршак страненной в мире группе X7R. Благодаря использованию новых керами- ческих материалов собственной разработки реализованы конденсаторы [email protected] на номинальное напряжение от 6,3 В с наивысшими в отечественной прак- тике значениями удельной емкости для подобных изделий, в том числе с габаритами типоразмера 0402 (1×0,5 мм). Приводится сравнение К10-83 с близкими по потребительским характеристикам конденсаторами К10-90 от компании «Кулон». Показаны преимущества конденсаторов К10-83 по комплексу потребительских характеристик для низковольтных блоков перспективной РЭА Втечение многих десятилетий АО «НИИ «Гириконд» является кратко остановимся на объективных факторах, определяющих на- одним из ведущих отечественных разработчиков, а в послед- правления развития электронных компонентов в соответствии с тен- ние годы и изготовителей широкой номенклатуры конденсато- денциями в производстве РЭА. ров для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) двойного назначения. Наиболее массовыми среди емкостных элементов в РЭА, как извест- В мировой и отечественной практике основным доминирующим но, считаются керамические конденсаторы, на долю которых в штуч- фактором, определяющим направления развития всей ЭКБ, было ном выражении приходится более 90% изделий. Прежде чем оценить и остается требование улучшения массогабаритных характеристик конкурентоспособность предлагаемой номенклатуры конденсаторов, электронных компонентов. Свойственное последним десятилетиям интенсивное, опережающее развитие твердотельной электроники Рисунок. Конденсаторы серии К10-83 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
пассивные элементы компоненты 23 Таблица. Номенклатура конденсаторов К10-83 группы температурной стабильности Н20 шая в отечественной практике единичная емкость (до 15 мкФ) для группы темпера- Uном, В Типоразмеры в плане, мм турной стабильности Н20; • конденсаторы К10-83 на напряжение 6,3 В 1×0,5 1,6×0,8 2×1,25 3,2×1,6 3,2×2,5 4,5×3,2 5,7×5 имеют меньшие габариты и, соответствен- но, объем, чем конденсаторы такой же 6,3 0,033; 0,039 мкФ 0,082; 0,1 мкФ 0,27 мкФ 0,82 мкФ 1,5 мкФ 2,7 мкФ 5,6–15 мкФ емкости на 10 В, а у последних габариты и объем меньше, чем у тех же емкостей 10 0,018–0,027 мкФ 0,047–0,068 мкФ 0,15–0,22 мкФ 0,56; 0,68 мкФ 1,2 мкФ 2,2 мкФ 4,7 мкФ на 16 В (что, впрочем, и следовало ожи- дать в соответствии с приведенными выше 16 8200 пФ – 0,015 мкФ 0,027–0,039 мкФ 0,1; 0,12 мкФ 0,039; 0,47 мкФ 0,82;1 мкФ 1,5; 1,8 мкФ 3,9 мкФ требованиями). В то же время у конденса- торов К10-90 одинаковые емкости на на- 25 3900–6800 пФ 0,012–0,022 мкФ 0,056–0,082 мкФ 0,22–0,33 мкФ 0,56; 0,68 мкФ 1; 1,2 мкФ 1,8–3,3 мкФ пряжения 6,3; 10 и 16 В реализованы в од- ном типоразмере. В чем же смысл такого 50 1000–3300 пФ 3900 пФ – 0,01 мкФ 0,012–0,047 мкФ 0,056–0,18 мкФ 0,22–0,47 мкФ 0,56–0,82 мкФ 1–1,5 мкФ решения? По нашему мнению, подобные решения лишены какого-либо техниче- привело к снижению рабочих напряжений ечественные многослойные керамические ского смысла и являются лишь имитацией наиболее массовых функциональных бло- конденсаторы на номинальное напряжение развития направления в части реализации ков РЭА до порядка единиц и десятых долей 6,3 В с наилучшими в отечественной прак- самых низковольтных, а значит, и самых вольта, что для определенных видов конден- тике массогабаритными характеристика- миниатюрных керамических конденсато- саторов открыло возможность дальнейшей ми. Введение в серию К10-83 конденсаторов ров. Действительно, в чем же заключается миниатюризации за счет уменьшения их но- группы температурной стабильности Н20, результат реализации указанного требо- минального напряжения. Миниатюризация миниатюрного типоразмера 0402 (10,5 мм), вания в рамках разработки К10-90? Ответ массовых функциональных блоков РЭА а также номинального напряжения 6,3 В с со- прост: в маркировке, по существу, тех же и широкое применение их автоматизиро- ответствующим повышением удельной ем- самых конденсаторов на Uном = 16 В с по- ванного монтажа привели к необходимости кости конденсаторов облегчит поиск полных ниженными напряжениями 10 и 6,3 В без создания и организации серийного произ- и функциональных отечественных аналогов достижения конечного эффекта миниатю- водства малогабаритных дискретных кон- при решении задач импортозамещения в раз- ризации самих изделий. Способствуют ли денсаторов в чип-исполнении с размерами рабатываемой и выпускаемой РЭА ВВСТ. подобные «решения» импортозамещению в плане до десятых долей миллиметра. ЭКБ? Очевидно, что нет! Шкала предлагаемых типономиналов кон- Как показывает опыт мирового конденса- денсаторов К10-83 и соответствующих им Заключение торостроения, в силу своих конструктивно- типоразмеров представлена в таблице. технологических особенностей именно много- По комплексу потребительских характери- слойные керамические конденсаторы могут При сравнении рассматриваемых конден- максимально полно соответствовать требова- саторов с последней отечественной разработ- стик конденсаторы К10-83 группы темпера- ниям улучшения массогабаритных характери- кой близких по области назначения конден- стик при снижении уровня номинальных на- саторов К10-90, освоенных в производстве турной стабильности Н20 являются самыми пряжений. Решение этой комплексной задачи компании «Кулон» [1], можно сделать следу- связано, прежде всего, с изысканием путей сни- ющие выводы: привлекательными отечественными анало- жения толщины диэлектрика конденсаторов, • конденсаторы К10-83 по определению что, в свою очередь, предполагает совершен- гами для решения задач импортозамещения ствование рецептуры и технологии используе- обладают большей температурной ста- мых керамических материалов для повышения бильностью (группа Н20) по сравнению массовых многослойных керамических кон- их дисперсности при одновременном сочета- с К10-90 (группа Н30) при меньших зна- нии приемлемой температурной и частотной чениях объема и, соответственно, массы, денсаторов в низковольтных функциональ- стабильности и максимально возможного зна- что облегчает реализацию импортозаме- чения диэлектрической проницаемости. щения самой распространенной в мировой ных блоках перспективной РЭА. n практике группы температурной стабиль- Самыми распространенными в массовых ности X7R; Литература функциональных блоках РЭА в мировой • конденсаторы К10-83 допускают работу практике являются многослойные керами- при номинальном напряжении вплоть 1. Махин Д., Морозова Г. Серия многослойных ке- ческие конденсаторы группы температурной до температуры окружающей среды рамических конденсаторов для поверхностного стабильности X7R, наиболее близко которой +125 °C, в то время как для конденсаторов монтажа на номинальные напряжения 6,3; 10; соответствует отечественная группа Н20. Это К10-90 в диапазоне температуры среды 16; 25; 50 В с габаритными размерами от 1005М обстоятельство, по нашему мнению, опре- +85…+125 °C допускаемое напряжение (0402) // Электроника: Наука, Технология, деляет приоритет реализации приведенных составляет всего 0,5Uном; Бизнес. 2021. № 4. выше требований применительно к конден- • в конденсаторах К10-83 на номинальном саторам группы стабильности Н20 для уско- напряжении 6,3 В реализована самая боль- рения решения задачи импортозамещения ЭКБ в РЭА ВВСТ. С учетом приведенных положений в НИИ «Гириконд» завершена, с освоением в серий- ном производстве, работа по модернизации ранее разработанной серии конденсаторов К10-83. Так, в результате проведения ряда матери- аловедческих работ созданы перспективные материалы группы температурной стабиль- ности Н20 с повышенной диэлектрической проницаемостью, чья высокая дисперсность позволила снизить минимальную толщи- ну диэлектрика до значений менее 10 мкм и, соответственно, разработать первые от- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
24 компоненты разъемы Разъемы ODU АМС для военной техники Марина Самойлова Разъемы семейства ODU AMC производства компании ODU из Баварского [email protected] города Мюльдорф широко используются в современной военной технике и связной аппаратуре. В статье будут представлены их основные характе- ристики и некоторые проекты. Еще 10 лет назад совместная рабо- областям применения ODU AMC можно от- разъемного соединения. При фиксации та специалистов компаний ODU нести (рис. 1): с помощью защелки Push-Pull разъем и Rheinmetall Defence Electronics над • SDR (программно определяемые радио- можно разомкнуть, потянув за опреде- проектом Gladius, который предусматри- ленную часть корпуса, но не за кабель, что вал создание индивидуальной экипировки системы); предотвращает случайное разъединение. военнослужащего, привела к появлению • персональные рации PRR (Personal Role Напротив, разрывное соединение Break- разъемов ODU AMC (Advanced Military Away с функцией аварийного отсоедине- Connector). Требовалось не только обеспе- Radio); ния позволяет разомкнуть разъем именно чить бесперебойную передачу данных, малые • системы связи PTT (Push to Talk); рывком за кабель. габариты и прочность всей системы, но и су- • гарнитуры с защитой органов слуха; • ODU AMC серия YR — ODU AMC Easy- щественно снизить ношу военного, — толь- • защищенные компьютеры и дисплеи; Clean (рис. 4). Это инновационные разъ- ко за счет разъемов ODU AMC вес оборудо- • ПНВ (приборы ночного видения); емы с простой очисткой контактов с одной вания был уменьшен на 900 г. • блоки питания; стороны и с подпружиненными контакта- • БПЛА. ми — с другой. В отличие от «обычного» Gladius стал частью масштабной програм- соединения подпружиненные штырьки мы IdZ (Infanterist der Zukunft — «пехотинец В июле 2021 года компания ODU объ- просто прижимаются к плоской контакт- будущего»), теперь же разработчики многих явила о запуске в производство новинки — ной поверхности ответной части. Плоскую стран активно используют эти разъемы в из- ODU AMC T, и сейчас семейство разъемов часть легко очистить от загрязнений, сне- делиях программ модернизации солдатского ODU AMC включает четыре серии: га, песка и т. п., просто вытерев, хотя бы вооружения «Солдат будущего». К основным • ODU AMC серия Y — ODU AMC Push-Pull (рис. 2) и ODU AMC Break-Away (рис. 3). Здесь представлены два вида быстро- • БЕСПИЛОТНЫЕ СИСТЕМЫ: В ВОЗДУХЕ И НА ЗЕМЛЕ • ЗАЩИЩЕННАЯ СВЯЗЬ • РАДИО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ • ПРОГРАММНО ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ • БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ • СОЛДАТСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ • ВОЕННЫЙ ТРАНСПОРТ Рис. 1. Основные применения разъемов ODU AMC КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
разъемы компоненты 25 Рис. 2. ODU AMC Push-Pull Рис. 3. ODU AMC Break-Away Рис. 4. ODU AMC Easy-Clean Рис. 5. ODU AMC High-Density о рукав. Механизм фиксации — Break-Away, а с помощью набора Рис. 6. ODU AMC T Locking Kit обеспечивается дополнительная резьбовая фиксация. • ODU AMC серия W — ODU AMC High-Density (рис. 5). Эти разъ- емы с высокой плотностью контактов (27 контактов в диаметре 18,5 мм) c полезной конструктивной особенностью: выравнива- нием по высоте для разных типоразмеров. Механизм фиксации — Break-Away, есть также версия с дополнительной резьбовой фик- сацией Screw-Lock. • ODU AMC серия T (Triple), то есть «3 в 1» (рис. 6). Здесь с каж- дой из розеток можно использовать вилки трех уже упомянутых механизмов фиксации: Push-Pull, Break-Away и Screw-Lock (Thread-Lock). Новинка – серия ODU AMC T В настоящий момент разъемы ODU AMC T доступны в двух Кстати, в ODU AMC T предусмотрены контактные вставки как типоразмерах — 09 (E) и 12 (H), c контактными вставками с прямой, так и обратной полярностью. на 10 и 8 контактов (для передачи данных по протоколу Ethernet) и на 5 и 18 контактов соответственно. Конструктивно все кабельные разъемы этой серии можно раз- делить на две группы: под кожухи стандарта MIL 38999 (непосред- Разъемы с контактами под пайку проводом и на плату поставля- ственно на заводе можно заказать четыре модели) и под заделку ются с уже запрессованными контактами. Сборка с контактами под термоусадкой или по технологии формовки литьем под давлением обжим значительно упрощает работу монтажника, так как предва- (overmolding). В варианте под стандартный кожух возможен прямой рительно обжатые контакты сначала защелкиваются в контактный и угловой (под 90°), а под кожух с термоусадкой — прямой кабель- блок вне разъема и только потом вставляются в его корпус. Таким ный вывод. образом, при сборке монтажник не ограничен тесными рамками про- странства корпуса соединителя. Модели кабельных разъемов ODU AMC T с традиционной для семейства ODU AMC заделкой подразумевают оптимальное экра- Независимо от способа заделки, для изоляции неиспользуемых нирование благодаря своей конструкции, прямой кабельный вывод контактов вилки на них со стороны монтажа надеваются специально можно оформить овермолдингом или термоусадкой. предназначенные для этого заглушки из полифенилсульфона PPSU (заказываются отдельно). Следует отметить, что при совместимости корпусов ODU AMC T со стандартными доступными на рынке кожухами MIL 38999, габари- Что касается самих контактов, в данной серии наряду со стандартны- ты корпусов ODU удалось несколько уменьшить. ми MIL-контактами по стандарту M39029 с нанесенной цветовой BIN- маркировкой (Basic Identification Number) размеров 22D, 20 и 16 также Напомним, что любая кабельная вилка сочетается с любой из ро- используются контакты ODU меньшего размера без такой маркировки зеток. Таким образом, для одной розетки, меняя вилки, можно по- (26, 22 MD и 20MD, диаметром 0,5; 0,7 и 0,9 мм). Позолоченные контак- лучить три разных механизма фиксации. Что касается резьбового ты обеспечивают 500 циклов соединений ODU AMC T. соединения, вилка снабжена дополнительным трещоточным меха- низмом с фиксацией в пол-оборота. 1 Разъемы ODU передают сигналы в полном соответствии с протоколами стандартов USB и HDMI, не являясь при этом разъемами данных стандартов. Указанный в каталогах ODU AMC, ODU AMC Easy-Clean и ODU AMC High-Density рабочий температурный диапазон (–51…+125 °C) приведен в соответствие с принятым в западных странах делени- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
26 компоненты разъемы Таблица 1. Состав и основные характеристики семейства разъемов ODU AMC Зарегистрированное наименование ODU AMC Push-Pull ODU AMC Break-Away ODU AMC Easy-Clean ODU AMC High-Density ODU AMC T Внешний вид Тип соединения Push-Pull Break-Away Break-Away Break-Away, Push-Pull, Break-Away, Break-Away & Screw Lock Thread-Lock Контактные вставки Сигнальные, Сигнальные, Сигнальные для передачи данных, для передачи данных, Сигнальные, Сигнальные, Диаметр кабельной вилки, мм 11,9–15,9 для передачи данных, для передачи данных Количество контактов коаксиальные коаксиальные 4–19 коаксиальные, питание Материал корпуса 18,4–24,9 Макс. уровень защиты 14–33 11,9–21,9 9,8–14,8 5–18 Доступные виды монтажа 2–55 2–37 2–27 Рабочая температура Алюминиевый сплав, Алюминиевый сплав с рутениевым покрытием Латунь с рутениевым покрытие олово-никель по никелю покрытием/с хромированием IP6K9K IP6K9K P6K8/IP6K9K IP68 IP6K8 Обжим, пайка проводом, Пайка проводом, печатный монтаж печатный монтаж –65...+175 °C –51…+125 °C Таблица 2. Вставки для скоростной передачи данных в сериях ODU AMC, ODU AMC High-Density и ODU AMC T Размер Количество Протоколы контактов передачи данных Рис. 7. ODU AMC T — сочетание разъемов с разными механизмами фиксации 0 ODU AMC 0 ем на климатические зоны. При этом серия разъемность. Механизмы фиксации — за- 1 4 USB 2.01 , Ethernet тип CAT 5 до 100 Мбит ODU AMC T имеет расширенный темпера- щелка Push-Pull и Break-Away с функцией 1 10 USB 3.2 Gen 1x11 турный диапазон (–65…+175 °C). аварийного отсоединения — позволяют ком- 1,5 4 Ethernet тип CAT 5 до 100 Мбит мутировать разъемы одной рукой и вслепую. 2 8 Ethernet тип CAT 5 до 1 Гбит Основные параметры разъемов При этом ресурс составляет не менее 5000 ци- 2 8 Ethernet тип CAT 5 до 1 Гбит семейства ODU AMC клов соединений. Функция аварийного отсо- 2 8 канал передEаthчeиrдnаeнt нкылахсдсоE8A0, м, 10 Гбит единения за кабель Break-Away используется, 12 USB 2.01 , Ethernet тип CAT 5 до 1 Гбит Снижение массогабаритных характери- как правило, для подключения гарнитур (что- 00 16 HDMI1 стик стало одной из основных задач данной бы предотвратить запутывание в проводах). 0 разработки. Поэтому применение алюми- 0 ODU AMC High-Density ниевого сплава с небликующим рутениевым При необходимости обеспечить вибро- 0 покрытием в качестве материала корпуса устойчивость разрывных разъемов доступна 1 4 USB 2.01 ODU AMC/ODU AMC Easy-Clean позволило дополнительная фиксация с помощью на- 8 канал передEаthчeиrдnаeнt нкылахсдсоE8A0, м, 10 Гбит в отдельных случаях снизить вес разъемов бора Locking Kit для ODU AMC Easy-Clean 09 (E) 9 USB 2.01, питание на 60% по сравнению со стандартными ре- и встроенная резьбовая фиксация ODU 12 USB 3.2 Gen 1x11 шениями из латуни. Разъемы ODU AMC T AMC High-Density Screw-Lock (рис. 8). 27 HDMI1 также выполнены из алюминиевого сплава, Несомненно высокая виброустойчивость но здесь в качестве финишного покрытия обеспечивается соединением Thread-Lock ODU AMC T взят сплав олово‑никель по подслою никеля. в серии ODU AMC T. 8 Ethernet Конструктивные особенности и высокая Для связной аппаратуры крайне важно плотность контактов соединителей ODU обеспечить качественную передачу данных скоростях. Доступные варианты соединений AMC High-Density приводят к необходимо- (помехозащищенность, стабильность сиг- приведены в таблице 2. сти вернуться к латуни, тем не менее сни- нала и защиту по IP) при заданной скорости жение веса для этих разъемов по сравнению и в соответствии с общепринятыми протоко- Конструкция разъемов обеспечивает экра- с другими в том же материале может дости- лами. Этим требованиям отвечают разъемы нирование на 360° для бесперебойной пере- гать 70%. серий ODU AMC, ODU AMC High-Density дачи данных и подразумевает использование и ODU AMC T, в то время как разъемы ODU Одно из главных преимуществ ODU AMC Easy-Clean, не имеющие специальных аб AMC — простота манипуляции и быстро- вставок, можно использовать на небольших вг Рис. 8. Модели ODU AMC High-Density Screw-Lock: а) вилка С1; б) розетка GC; в) розетка GS; г) розетка KC КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
разъемы компоненты 27 готовое решение флэш-накопителя USB 3.2 Gen1.11 в оригиналь- ном форм-факторе на базе 12‑контактного разъема ODU AMC High- Density. Накопитель (рис. 10) на 64 Гбит рассчитан на погружение в воду на глубину до 20 м (IP68/69). Малый вес и габариты соединителей ODU AMC выгодно отличают их от разъемов со стандартными вставками RJ‑45, выполненных по во- енным стандартам. К дополнительным преимуществам следует отне- сти возможность реализации соединений для передачи данных на базе разъемов и с защелкой, и с функцией аварийного отсоединения. Коаксиальные разъемы с волновым сопротивлением 50 Ом пред- ставлены в двух стандартных вариантах. В серии ODU AMC — в раз- мере 0, с частотой до 1,9 ГГц (контакт AWG20, ток 10 А, под кабель RG174), а в ODU AMC High-Density — в размере 00, с частотой до 3 ГГц (контакт AWG22, ток 7 А, под кабель RD316). Рис. 9. Система связи InVisio V60 c защитой органов слуха Сборки с разъемами ODU Рис. 10. Флэш-накопитель ODU AMC High-Density Специалисты компании готовы выполнить заказ любой слож- ности, обязательным условием является наличие хотя бы одного экранированного кабеля в экранирующей оплетке, поскольку в про- разъема ODU (можно использовать и соединители других доступных цессе сборки сгибание и разгибание фольгированной оплетки легко на европейском рынке производителей). Выбор кабеля из перечня приводит к ее повреждению. стандартных существенно упростит задачу и снизит затраты и время на изготовление (каталог STANDARD CABLES AND ACCESSORIES). Для семейства ODU AMC не случайно выбрана именно система ко- Кроме перечисленных в документе, заказчик может выбрать любой дировки «паз и выступ». Для большей надежности каждому из четырех доступный на европейском рынке кабель, например определенного ключей соответствует своя комбинация из пяти выступов и свой цвет. цвета (оливкового или песчаного), спиральный кабель типа теле- Совмещение механического и цветового кодирования (четыре клю- фонного шнура, с заданными параметрами по температурному диа- ча — четыре цвета: светло-коричневый, красный, синий и зеленый) об- пазону, гибкости и т. п. легчает принятие решения при коммутации в экстремальных условиях. Отличительной особенностью соединителей семейства ODU AMC На рис. 9 показан пример цветового кодирования в системе свя- является необходимость заделки места стыка кабеля с разъемом. зи InVisio V60 c защитой органов слуха [6]. Сделать это можно одним из следующих способов: • с помощью термоусаживаемой трубки; Кроме надежности и скорости передачи данных, в устройствах спе- • путем заливки полимером: циального назначения важно обеспечить защиту от несанкциониро- • химическим отверждением; ванного съема информации. Поэтому особый интерес представляет • литьем под давлением. На заводе ODU кабель заделывают по технологии литья под давле- нием (overmolding). Из всех способов это самый сложный и затрат- ный процесс, используемый, как правило, для средних серий и при массовом производстве. Данная технология предоставляет дополнительные возможности, например выполнить кабельный вывод: • в заданном цвете (а не только в черном); • под произвольным углом, что важно при плотной укладке кабелей внутри сложного многокомпонентного изделия (ранец пехотинца содержит радиостанцию, блок питания, систему навигации, пор- тативный компьютер и т. п.) (рис. 11); • в виде разветвителя («штанов»). Рис. 11. Заделка кабеля разъемов ODU AMC под разными углами Рис. 12. Пример монтажа розетки ODU AMC High-Density на гибкий шлейф КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
28 компоненты разъемы Рис. 13. Детектор раннего обнаружения дронов Wingman 100 Рис. 14. Прибор для подавления дронов Pitbull Подробнее особенности заделки кабель- В новом 7‑контактном разъеме диаметр В настоящее время Wingman (рис. 13) явля- ных разъемов ODU AMC рассматриваются контакта составляет 0,7 мм (для сравнения: ется самым компактным доступным на рынке в [6]. у 8‑контактной вставки под Ethernet диаметр детектором раннего обнаружения дронов. контактов всего 0,3 мм). Вставки на 12 кон- Также интересны и сборки с приборны- тактов теперь предлагаются в двух вариан- В условиях радиочастотной видимости, пу- ми частями, в особенности для разъемов тах, оба рассчитаны на одновременную пере- тем непрерывного сканирования, Wingman с высокой плотностью контактов ODU AMC дачу USB 3.2 Gen 1x11 и питание 5 А. За счет обнаруживает сигналы управления БПЛА High-Density. Например, 27‑контатная ро- более удобного расположения контактов и/или видеосигналы, что позволяет засечь зетка имеет посадочное отверстие 12,1 мм, питания новый вариант разъема позволяет БПЛА на расстоянии до 5 км лишь по фак- при этом 27 контактов диаметром 0,3 мм полностью их загрузить, к тому же он гораз- ту его включения, еще до начала полета. организованы в трехрядную контактную до технологичнее с точки зрения монтажа. Детектор предназначен для оснащения группу. спецподразделений и отвечает принципам Проекты с разъемами ODU AMC SwaP (size, weight and power consumption — Самое распространенное решение — это размер, вес и малое энергопотребление). розетки, предустановленные на гибко-жест- Сегодня в спецтехнике БПЛА находят все Всепогодный прибор имеет уровень защи- кие печатные платы со шлейфом, под комму- более широкое применение, в связи с чем ты IP67. При обнаружении дрона прибор тацию с ZIF-разъемом (рис. 12). становятся актуальны задачи по обнаруже- выдает звуковой сигнал и вибрирует, и/или нию и противостоянию этим летательным загораются светодиоды. Постоянное обнов- Конструкция сборок оговаривается и со- аппаратам. ление базы данных учитывает появление но- гласовывается с заказчиком, в полном со- вых моделей дронов. ответствии с техническим заданием. Заказ Так, разъемы ODU АМС High-Density розеток с монтажом на плату со шлейфом используются в проектах датской компа- Еще одна разработка датской компании подразумевает некоторые инвестиции со сто- нии MyDefence: носимый детектор дронов MyDefence — это Pitbull (рис. 14, 15), реше- роны компании ODU, поэтому данный ва- Wingman и Pitbull — глушитель низколетя- ние для защиты от низколетящих медлен- риант экономически целесообразен только щих медленных малых дронов (иначе LSS — ных малых дронов (LSS). Это беспроводное в условиях серийного производства. Но в та- low, slow, small drones). устройство глушит GPS беспилотников, в ре- ком случае возможны весьма интересные зультате БПЛА теряет контроль оператора решения — например, одним из заказчиков используется трехмерный шлейф. Все сборки проходят 100%-ный выходной контроль на правильность соединения и от- сутствие КЗ в соответствии с испытательным напряжением, указанным в чертеже. Также на заводе можно нанести на кабель нужную заказчику маркировку. Новинки ODU AMC High-Density Кроме недавно анонсированной серии Рис. 15. Комплекс компании My Defence — Pitbull и Wingman ODU AMC T, отметим расширение продук- товой линейки в серии разъемов с высокой плотностью контактов ODU AMC High- Density, в частности упомянутый флэш- накопитель USB 3.2 Gen1.11 на базе этой серии. Также в размере 0 появились новые вставки на 7 и 12 контактов. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
разъемы компоненты 29 спецслужб и охраной VIP-персон под пиджа- ком). При этом руки остаются свободными. Надо сказать, что разъемы семейства ODU AMC применяются и в гражданской про- дукции, например в высокотехнологичных медицинских устройствах (в особенности носимых), где чрезвычайно важны вес и на- дежность. И в заключение: следует отметить, что разъемы семейства ODU AMC достигли Марса — 18 февраля 2021 года на Красную планету совершил посадку ровер миссии «Марс‑2020» (рис. 16). Именно с помощью разъемов ODU AMC High-Density в космиче- ском аппарате М2020 передавались видеоизо- бражения надувающегося парашюта в мар- сианской атмосфере и отделения вездехода от спускаемого аппарата. n Рис. 16. Ровер миссии «Марс 2020» с разъемами ODU AMC High-Density Литература и покидает район. Pitbull выполнен в том же В обоих устройствах применяются разъ- 1. www.odu.ru форм-факторе, что и Wingman, может ра- емы с высокой плотностью контактов ODU 2. The CONNECTOR. Drone detection systems ODU ботать как отдельно, так и в паре с детекто- AMC High-Density. Почему был сделан та- ром Wingman, и предназначен для защиты кой выбор? Было крайне важно обеспечить PARTNER MyDefence. Iss. 88. личного состава от коммерчески доступных уровень защиты IP и соответствие критери- 3. Каталог ODU AMC, версия 0320. беспилотников, используемых вражескими ям малого SwaP. В итоге небольшие и легкие 4. Каталог ODU AMC EASY-CLEAN, версия 0320. силами для разведки или в качестве систем приборы в удобном форм-факторе просто 5. Самойлова М. Разъемы ODU для военной аппа- доставки оружия. Уровень защиты прибора закрепить на тактическом жилете или же также IP67. носить скрытно (например, сотрудниками ратуры // Компоненты и технологии. 2016. № 9. 6. Самойлова М. Разъемы ODU для программ мо- дернизации солдатского снаряжения: рекомен- дации по выбору // Компоненты и технологии. 2017. № 10. Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
30 компоненты интерфейсы Чувствительная ко времени автомобильная сеть с Ethernet AVB Фрэнсис Иельш (Francis Ielsch) В статье рассматриваются основные принципы Ethernet AVB/TSN в кон- Перевод и дополнения: тексте автомобильных приложений, а также обсуждаются стандарты AVB, Владимир Рентюк которые можно считать эквивалентными стандартам TSN. Пакетно ориентированная связь через лять данных, ни по какому маршруту переда- хронизацию, низкую задержку и надежность мостовые сети уже давно стала ми- ются пакеты. Так что поскольку время пере- для коммутируемых сетей Ethernet. AVB был ровым стандартом. Сегодня она ис- дачи между двумя устройствами постоянно запущен в 2008 году рабочей группой IEEE пользуется в системах различного размера меняется и если сеть перегружена, то, есте- [2], чтобы улучшить передачу критических и сложности, например в серверах и самоле- ственно, пакеты могут быть потеряны. Такое по времени аудио- и видеоданных через тах, а также в небольших устройствах с дис- поведение несовместимо с критически важ- Ethernet. AVB воплощает в себе не только танционным управлением, удаленных дат- ными приложениями, для которых необхо- стандарт IEEE 802.1BA, но и следующие тех- чиках и во многих приложениях «Интернета димо обеспечить низкую задержку и безоши- нологии и стандарты: вещей» (Internet of Things, IoT). бочную доставку пакетов данных. • IEEE 802.1AS Precision Time Protocol В мостовых сетях кадры Ethernet, или IP- Фирменные шинные и сетевые техно- (PTP) — протокол установки точного вре- пакеты, прозрачно передаются через раз- логии с низкой задержкой и детерминиз- мени. Разработан на основе стандарта син- личные физические носители, поскольку мом — это лишь ограниченное решение. хронизации IEEE 1588:2002.2. Устройства Ethernet отделен от физического уровня. К тому же на всех рынках наблюдается тен- PTP обмениваются стандартными сообще- Таким образом, устройства, подключенные денция к использованию стандартизирован- ниями Ethernet, чтобы синхронизировать по разным типам сетей, например в авто- ных и открытых технологий, не зависящих работу всех узлов сети и привязать их к об- мобиле (через блок телематики или шлюз от конкретного производителя. Более того, щей шкале времени. В протоколе опреде- автомобиля), могут беспрепятственно вза- стандартные технологии не требуют ни спе- лены алгоритмы выбора главных (master) имодействовать между собой, в частности, циальных ноу-хау, ни сложных и дорогих часов, порядок обмена сообщениями, меха- сотовый телефон с сотовой связью и блок шлюзов. низмы измерения и компенсации задержки управления с сетью INICnet (ISO21806), при на линии, методы коррекции скорости. этом IP-пакеты направляются от отправите- Поэтому в течение многих лет сообще- • IEEE 802.1Qav Queuing and Forwarding ля к получателю. ство изучало слабые стороны Ethernet и ис- Protocol (Qav) — протокол установки кало способ обойти. Постепенно начали по- очередности. Он следит за тем, чтобы Пока все выглядит хорошо, но как на- являться различные решения для улучшения наследственный асинхронный трафик счет времени передачи, задержки, джиттера работы Ethernet в реальном времени, вклю- не попадал в потоковые данные AVB. и потерянных пакетов? К сожалению, ори- чая AVB/TSN [1]. Большая часть протокола реализуется гинальный Ethernet не является детермини- внутри коммутаторов Ethernet, но неко- рованным, то есть не контролирует ни когда Audio Video Bridging (AVB) — общее назва- торые требования предъявляются и к ис- и сколько устройствам разрешено отправ- ние для комплекта технических стандартов, точникам медиаданных. которые обеспечивают улучшенную син- • IEEE 802.1 Qat Stream Reservation Protocol (SRP) — протокол резервирования потока или протокол резервирования ресурсов. Стандарты Ethernet не предусматривают детерминированную и приоритетную пере- дачу критичных ко времени потоков. Для обеспечения гарантированного качества об- служивания протокол SRP предоставляет сквозную доступность полосы пропускания для передачи аудио- или видеоданных. Для других данных канал остается заблокиро- ванным до тех пор, пока не будет явно или неявно освобожден от потоковых данных. В стандарте SRP для передачи запросов описания потока, запросов резервирования канала и ответных сообщений использует- ся протокол обмена IEEE 802.1ak Multiple Registration Protocol. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
интерфейсы компоненты 31 Рис. 1. Подмножества элементов, из которых реализуются системы на базе AVB • Транспортный протокол IEEE 1722 эквивалентными стандартам TSN [3]. Как время, гарантируя, что все устройства в сети (AVBTP — AVB Transport Protocol), пред- правило, системы на основе AVB реализуют применяют точно такую же временную базу. назначенный для сетей Ethernet AVB, осно- различные подмножества элементов, при- ван на стандарте IEEE 1394 и поддерживает веденных на рис. 1, которые отвечают за раз- Однако очень точная временная база мо- полный набор медиаформатов и механиз- личные аспекты системы. жет быть обеспечена лишь в том случае, мов шифрования и синхронизации, опре- если, кроме всего прочего, учтено необходи- деленных в IEEE 1394. Синхронизация времени мое время передачи по сети. Это достигает- с использованием gPTP ся при постоянном выполнении так назы- • IEEE 1722.1 — протокол для обнаружения, ваемых измерений одноранговой задержки контроля, нумерации устройств, работаю- Основой для всех систем с поддержкой попарно между соседними узлами. Сумма щих по протоколу IEEE 1722 4. AVB служит протокол установки точного измеренных времен передачи на узел затем Стандарт был доработан и опублико- времени gPTP — IEEE 802.1AS. До его появ- дает значение задержки однорангового узла, ления действовал хорошо известный в ком- на которое впоследствии корректируется ван в 2011 году. Сначала он использовался пьютерном мире протокол сетевого времени время gPTP. Взаимодействие между часами- в широком спектре мультимедийных при- NTP (Network Time Protocol), обеспечиваю- эталоном Clock Reference и часами клиента ложений, а затем и в промышленных при- щий синхронизацию часов компьютера в ло- Clock Slave gPTP представлено на рис. 2 [6]. ложениях, особенно для передачи критичных кальной сети с эталонным временем в луч- по времени команд или данных от датчиков. ших условиях с точностью до нескольких Рис. 2. Взаимодействие между эталонными часами По мере роста интереса к AVB для мульти- миллисекунд. Этой точности было вполне Clock Reference и Clock Slave — часами клиента gPTP медийных приложений в IEEE, в ноябре достаточно для компьютеров и серверов, 2012 года действовавшая на тот момент це- но сейчас для синхронных или критичных левая группа Audio Video Bridging Task Group ко времени приложений такая погрешность (AVB) была реорганизована в рабочую груп- уже слишком велика. пу Time Sensitive Networking (TSN), которая продолжила заниматься развитием стандар- Протокол gPTP поддерживает гораздо более тов TSN. Название группы стандартизации точную временную развертку в устройствах изменилось в связи с расширением стоящих Ethernet, обычно на уровне микросекунд или перед ней задач. Стандарты определяют ме- (при хорошем раскладе) даже в наносекунд- ханизмы чувствительной ко времени пере- ном диапазоне. По сути, gPTP состоит из двух дачи данных по детерминированным сетям механизмов: распределения эталонного вре- Ethernet. Группа TSN приняла стандарты мени и расчета времени передачи. группы AVB, но обращается к гораздо более широкому спектру приложений в областях Время распределяется от одного или профессионального аудио/видео, промыш- нескольких узлов привязки времени («мастер ленности, автомобилестроения и авиакосми- gPTP», согласно стандарту IEEE) к одному ческой промышленности. или нескольким клиентам («ведомые устрой- ства gPTP», по стандарту IEEE). Аналогично В автомобильной сфере оригиналь- двухэтапной процедуре IEEE 1588, gPTP всег- ные стандарты AVB действуют до сих пор, да последовательно отправляет два кадра: но в некоторых случаях уже используются их Sync и SyncFollow-Up. Клиенты используют исправленные версии, выпущенные группой включенные метки времени для сброса сво- TSN. В этой статье в основном обсуждают- их локальных часов и перехода на эталонное ся стандарты AVB, которые можно считать КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
32 компоненты интерфейсы Транспортные протоколы • IEEE 802.1Qch Cyclic Queuingand Forward- от системных требований могут быть реали- ing — циклическая организация очередей зованы различные подмножества AVB. Хотя IEEE 1722 — AVTP и пересылка, также известен как Peristaltic это помогает минимизировать количество Транспортный протокол Audio Video Shaper (PS), вводит двойную буфериза- аппаратных компонентов, реализуя только цию, которая позволяет синхронизировать то, что действительно необходимо, но может Transport Protocol — это стандартный транс- передачу (операции постановки/удаления вызвать проблемы совместимости, посколь- портный протокол для передачи аудио/ви- кадров) в циклическом режиме с огра- ку устройства от разных поставщиков могут деоданных, а также критичных по времени ниченной задержкой, зависящей только не поддерживать одни и те же функции AVB. данных через Ethernet AVB. Это легкий про- от количества переходов и времени цикла, Ситуация усугубляется тем, что инженеры токол ISO/OSI Layer 2, предназначенный для полностью не зависит от топологии сети. иногда могут интерпретировать стандар- доступа к устройствам через MAC-адреса. ты IEEE по-разному. Следовательно, нет необходимости интегри- • IEEE 802.1Qcr Asynchronous Traffic Shap- ровать полный стек IP, что минимизирует ing — асинхронное планирование трафика. Для того чтобы гарантировать взаимодей- размер, стоимость и сложность проектов. Однако автомобильный сектор в основ- ствие между поставщиками, альянсом AVNU разработана «Спецификация функциональ- IEEE 1733 — RTP/RTCP ном использует формирователь трафика ной совместимости и функциональной со- RTP и RTCP (IETF RFC 3550) — сетевые на основе кредита CBS и формирователь тра- вместимости Ethernet AVB» (“Ethernet AVB фика с учетом времени TAS. Functional and Interoperability Specification”). протоколы на основе IP для передачи аудио- Альянс AVNU — это консорциум, в кото- и видеоданных через Ethernet. Уже много лет CBS — формирователь ром профессиональные компании, компа- они используются во всех видах промыш- на основе кредитов нии, выпускающие автомобильную технику, ленных и бытовых приборов, включая ка- (IEEE 802.1Qav) бытовую электронику, а также промышлен- меры видеонаблюдения и устройства вну- ные производители работают вместе, чтобы тренней связи. IEEE 1733 — это адаптация При использовании формирователя на ос- установить и сертифицировать совмести- сетевых протоколов RTP/RTCP для синхрон- нове кредита каждое устройство Ethernet мость открытых стандартов Audio Video ной передачи через AVB и, следовательно, получает кредит, предназначенный для от- Bridging (AVB) и Time-Sensitive Networking альтернатива IEEE 1722 на основе IP. правки кадров. Пока сумма кредита остается (ТСН). Альянс сотрудничает со своими положительной, устройство может продол- компаниями-членами для сертификации Формирование трафика жать отправку кадров. Как только кредит бу- продуктов AVB и TSN на совместимость. дет израсходован, устройство больше не смо- «Спецификация функциональной совме- Сеть Ethernet обычно состоит из большого жет отправлять кадры и должно дождаться стимости и функциональной совместимо- количества конечных точек (компьютеров, возобновления кредита. сти Ethernet AVB» в автомобильной сфере электронных устройств) и мостов (комму- определяет основу для подмножеств AVB таторов, шлюзов и т. д.). Независимо от вы- Эта стратегия обеспечивает эффек- и связанных параметров, которые должны бранного транспортного протокола данные тивное использование полосы пропуска- быть реализованы в каждом устройстве. инкапсулируются в кадры Ethernet, которые ния. Предопределенных слотов здесь нет. Устройства с поддержкой AVB могут быть направляются от отправителя через несколь- Конечные точки, которым необходимо от- протестированы на совместимость с AVNU ко мостов (переходов) к получателю. Как правлять данные с перерывами, могут нака- в специализированных испытательных цен- и когда передаются кадры, не детерминирова- пливать свой кредит и расходовать его сразу. трах или силами самой компании с исполь- но. Мосты вдоль маршрута будут пересылать Настроить сеть AVB с помощью CBS относи- зованием специального тестового оборудо- кадры быстрее или медленнее (промежуточ- тельно просто. вания. ная передача, сквозная передача). В случае перегрузки сети кадры иногда буферизуются TAS — формирование трафика Практическая реализация на определенное время, а в худшем случае с учетом времени (IEEE 802.1Qbv) могут быть потеряны. В реальных приложениях сети с поддерж- В отличие от стандарта IEEE 802.1Qav, кой AVB состоят из нескольких компонентов: Промышленные и автомобильные системы стратегия IEEE 802.1Qbv опирается на мо- коммутаторов, устройств физического уров- требуют малой детерминированной задержки дель временных интервалов. Вместо того ня (PHY) и конечных точек. Все коммутато- и, прежде всего, надежной передачи без ри- чтобы основываться на количестве отправ- ры и конечные точки, естественно, должны ска потери кадров. Формирование трафика ляемых данных, он фокусируется на частоте поддерживать AVB для достижения желае- (за это отвечает часть IEEE 802.1Q — Quality передач. Узлы больше не могут отправлять мой производительности. of Service) удовлетворяет эту потребность произвольные промежутки времени, но га- и определяет стратегии обработки кадров мо- рантированно получают разрешение на регу- Благодаря стандартам IEEE, специфика- стами в зависимости от их приоритета. лярную передачу. Другими словами, удается циям AVNU и Open Alliance, компоненты достичь гораздо меньшей и более детерми- от разных поставщиков, такие как устрой- Существует несколько стандартов форми- нированной задержки. ства физического уровня и коммутаторы, рования трафика: уже сегодня обладают высокой степенью со- • IEEE 802.1Qav Queuingand Forwarding Впрочем, у Qbv есть и обратная сторона: вместимости. пропускная способность сети не всегда оста- Protocol (Qav) — протокол установки ется эффективной. Если конечные точки Тем не менее реализация AVB в конечных очередности, отвечает за пересылки и ор- не используют свои слоты, то они, а значит, точках остается сложной и утомительной за- ганизацию очередей для чувствительных и пропускная способность теряются. Но этот дачей. Эти системы часто разрабатываются ко времени потоков (Time-Sensitive Streams, эффект можно компенсировать с помощью на основе системы на кристалле (System-on- FQTSS). EEE 802.1Qav иногда называют вытеснения кадров (IEEE 802.1Qbu). Chip, SoC) или высокопроизводительных «формирователь трафика на основе креди- микроконтроллеров, в которые необходимо та» (Credit Base Shaper, CBS). Совместимость с AVNU интегрировать большое количество про- • IEEE 802.1Qbv Enhancements for Scheduled граммного обеспечения — операционную Traffic, обычно называемый формировате- Системные архитекторы могут исполь- систему реального времени, Autosar и стек лем трафика с учетом времени (Time Aware зовать широкий спектр доступных компо- AVB, который часто необходимо лицензи- Shaper, TAS), необходим для улучшения за- нентов для реализации AVB. В зависимости планированного трафика. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
интерфейсы компоненты 33 • внешнюю удаленную микрофонную си- стему. Заключение Сети AVB/TSN с момента создания груп- пы AVB в IEEE достигли высокой степени зрелости. «Автомобили AVB» уже находят- ся в пути, и к их созданию привлекается все больше производителей оригинального обо- рудования. Благодаря открытой стандарти- зированной технологии многие функцио- нально совместимые аппаратные средства и программное обеспечение уже доступны в виде оптимизированных коммерческих решений. Идея All-Ethernet Car, то есть ав- томобиля, полностью построенного на сети Ethernet, которую еще недавно ставили под сомнение, теперь уже не является утопией. n Литература Рис. 3. Типовая система оценки Ethernet AVB Evaluation Board V2.3.0 (EVB-LAN9360) [5], 1. Хэнк П., Шурманн Т., Мюллер Ш. Авто- представлена на рис. 3. мобильный Ethernet: комплексный подход к сле- ровать у третьей стороны. Так называемые дующему поколению сетевого стандарта для ав- конечные точки AVB, такие как LAN9360 [4] EVB-LAN9360 используется для имитации тотранспорта // Control Engineering Россия. 2013. от компании Microchip, являются интересной конечной точки AVB Ethernet, которая может № 1. альтернативой и представляют собой что-то работать либо как приемник (Listener), либо типа интеллектуального контроллера Ethernet как источник сообщений (Talker). Для этого 2. Роберт Б. Новые стандарты IEEE 802.1: единая со встроенными протоколами AVB. Таким об- на плате предусмотрены различные функ- сеть для всех типов данных // Электронные ком- разом, AVB можно сразу развернуть как ап- ции, позволяющие создавать прототипы поненты. 2010. № 4. паратное решение, устраняя необходимость различных типов устройств с подключением в разработке программного обеспечения. через Ethernet: 3. Weder A. Time Sensitive Networking: An Intro- • внешний удаленный усилитель; duction to TSN. www.design-reuse.com/articles/ Типовая система оценки системы Ethernet • внешний удаленный микрофон; 46536/an-introduction-to-time-sensitive- AVB, разработанная специалистами компа- networking.html нии MicrochipTechnology на основе LAN9360 4. AVB Audio Endpoint LAN9360. www.microchip. com/en-us/product/LAN9360 5. LAN9360 Evaluation Board V2.3.0 (EVB-LAN9360). ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ EVB-LAN9360‑V2.3.0‑Users-Guide‑60001706.pdf 6. Majid Alshaikhli A. O., Myung Rhee J. TFR: A Novel Approach for Clock Synchronization Fault Recovery in Precision Time Protocol (PTP) Networks. December 2017, Project: IEEE 1588 — Precision Time Protocol (PTP). www.researchgate. net/publication/322365476 новости датчики Новые серии PiR-сенсоров от Panasonic Компания Panasonic представляет новые серии 40 чувствительных зон, возможность измере- прямоугольных PiR (пассивных инфракрасных) ния разницы температур до 4 °C и движущихся сенсоров EKM для автоматизации зданий, про- объектов со скоростью от 1 м/с, размер более мышленной электроники и автоматики. 700×250 мм. Семейство прямоугольных сенсоров содержит Наличие встроенной линзы, схемы обработки, две серии датчиков: EKMB и EKMC. низкое энергопотребление, низкий уровень лож- • EKMC — серия стандартных датчиков, имеющих ных срабатываний и передовой дизайн датчиков позволяет создавать уникальные устройства вы- аналоговый или цифровой интерфейс, ток потре- сокого качества. бления до 170 мкA, рабочее напряжение 3–6 В. • EKMB — серия датчиков, предназначенных для Благодаря своим качествам PiR-сенсоры применения в устройствах с батарейным пита- Panasonic могут применяться в системах «умный нием, ток потребления до 6 мкA, рабочее на- дом», например климат-контроль, системах авто- пряжение 2,3–4 В, цифровой интерфейс. матического управления освещением, системах Все сенсоры имеют дальностью обнаруже- охраны и пожаротушения, медицинской технике. ния до 5 м (типовое), угол обзора 115×115°, www.mt-system.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
34 на правах рекламы Мощный полевой ОАО «ИНТЕГРАЛ» — р‑канальный транзистор управляющая компания холдинга категории качества «ВП» «ИНТЕГРАЛ» г. Минск, Республика Беларусь E‑mail: [email protected] Тел.: (+375 17) 298–97–43 Факс: (+375 17) 398–72–03 Сайт: integral.by Таблица 1. Значения электрических параметров транзистора при приемке и поставке ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющая компания холдинга Наименование параметра, Буквенное Норма параметра Температура «ИНТЕГРАЛ» — в рамках ОКР «Тодес 7167» проводит единица измерения обозначение корпуса, °С работы по созданию мощного полевого р‑канального (режим измерения) не менее не более транзистора, предназначенного для использования в ис- параметра +25 ±10 точниках вторичного электропитания и другой преоб- Начальный ток стока, мкА |–25| разовательной аппаратуре специального назначения. (UСИ = –160 В, UЗИ = 0 В) IС. нач |–1000| +125 ±5 (UСИ = –200 В, UЗИ = 0 В) – –60 ±3 (UСИ = –160 В, UЗИ = 0 В) IЗ. ут |–250| +25 ±10 RСИ. отк |–250| –60 ±3 Ток утечки затвора, нА +125 ±5 (UЗИ = ±20 В, UСИ = 0 В) S |±100| +25 ±10 Ток утечки затвора, мкА UЗИ. пор – |±3| –60 ±3 (UЗИ = ±20 В, UСИ = 0 В) +125 ±5 Сопротивление сток-исток Uпр |±3| +25 ±10 в открытом состоянии, Ом 0,16 +25 ±10 (UЗИ = –12 В, IС = –17 А, tи ≤ 2 мс, Q > 50) – 0,16 –60 ±3 Крутизна характеристики, А/В 0,34 +125 ±5 (UСИ ≥ –15 В, IС = –17 А, tи ≤ 2 мс, Q > 50) +25 ±10 13 – –60 ±3 Пороговое напряжение, В +125 ±5 (UСИ = UЗИ, IС = –1 мА) –2 –4 –2 –5 Постоянное прямое напряжение диода, В –1,5 –4 (UЗИ = 0 В, IС = 27 А, tи ≤ 2 мс, Q > 50) 3,3 –4 3,3 Таблица 2. Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации транзистора Транзистор изготавливается в металлокерамическом корпусе типа Наименование параметра, единица измерения, Буквенное Норма режим и условия измерений обозначение параметра КТ‑97В и функционирует при температуре –60…+125 °C. Максимально допустимый постоянный ток стока параметра –27 Функциональный аналог — транзистор IXTA26P20P компании при температуре корпуса +25 °С, А IС. макс. –12 IXYS Corporation. Максимально допустимый постоянный ток стока –81 при температуре корпуса +125 °С, А IС. макс. –27 Планируемые параметры стойкости транзистора к воздействию IC.(и) макс. –81 Максимально допустимый импульсный ток стока1, А Iпр. макс. –200 специальных факторов 7.И и 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 следую- Максимально допустимый постоянный прямой ток диода1, А Iпр (и) макс. ±20 Максимально допустимый импульсный прямой ток диода1, А UСИ. макс. 250 щие: 7.И1 — 4Ус; 7.И6 — 4Ус; 7.И7 — 24Ус; 7.К1 — 2К; 7.К4 — 1 К, UЗИ. макс. 150 7.К11(7.К12) — до уровня 6 МэВ·см2/мг по катастрофическим отказам. Максимально допустимое напряжение сток-исток 0,5 при температуре корпуса +25…+125 °С2, В Рмакс. Заинтересованным в применении транзистора предприятиям мо- Тпер. макс. 500 Максимально допустимое напряжение затвор-исток, В RQ пер-кор гут быть предоставлены образцы транзистора для проведения его Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность, ЕАS апробирования. n при температуре корпуса –60…+25 °С3, Вт Максимально допустимая температура перехода, °С Тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт Максимально допустимая энергия одиночного импульса, рассеиваемая транзистором в режиме лавинного пробоя, мДж (Тпер. нач = +25 °С, UСИ = –40 В, IC = –27 А, Rг = 25 Ом, L = 1,1 мГн) Примечания: 1. Значения IC (и) макс., Iпр. макс., Iпр (и) макс. определяются при условии непревышения температуры перехода значения Тпер. макс.. 2. В диапазоне температур корпуса –60…+25 °C максимально допустимое напряжение сток-исток, UСИ. макс., В, определяется по формуле: UСИ. макс. = –200+0,28×(25–Ткор), (1) где Ткор — численное значение температуры корпуса по шкале Цельсия. 3. В диапазоне температур корпуса +25…+125 °С максимально допустимая рассеиваемая мощность, Рмакс., Вт, определяется по формуле: Рмакс. = (Тпер. макс.–Ткор)/RQ пер-кор. (2) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
Реклама
36 компоненты источники питания Регулируемый прецизионный высоковольтный источник питания для формирования напряжения смещения датчиков Лайонел Уоллес (Lionel Wallace) Есть ли простой способ создать высоковольтный источник питания для Джейсон Фишер (Jason Fischer) реализации напряжения смещения? Конечно, если использовать микро- схемы со встроенными прецизионными резисторами для организации Бенджамин Даутс (Benjamin Douts) цепей обратной связи. Введение На рис. 1 показан пример схемы, традици- Реализация цепи обратной связи онно используемой для регулируемого сме- с помощью микросхемы Создание источника питания, обеспечива- щения напряжения в высоковольтных ис- ющего высокую точность регулировки вы- точниках питания. ЦАП на схеме отвечает На рис. 2 приведен пример схемы, в кото- ходного напряжения, может оказаться весьма за генерацию управляющего напряжения, рой цепь обратной связи строится на основе непростой задачей. Сложность заключается а операционный усилитель — за усиление отдельной микросхемы. Схема была спроек- в потенциальном отклонении выходного зна- сигнала. Уровень напряжения на выходе схе- тирована с учетом следующих требований: чения напряжения от требуемой величины из- мы составляет ~0–110 В при значении управ- • величина управляющего напряжения: за временного или температурного дрейфа, ляющего напряжения 0–5 В. а также разброса параметров компонентов, 0–5 В; связанных с особенностями их производства. Поскольку в большинстве случаев высоко- • выходное напряжение регулируется Наиболее распространенным источником вольтные датчики имеют емкостную струк- ошибок, как правило, становятся резисто- туру, для изоляции выхода операционного и находится в пределах ~0–110 В; ры в цепи обратной связи. В статье приведен усилителя от нагрузки и предотвращения • выходной ток: >10 мА; пример схемы источника питания, в котором проблем со стабильностью на выходе схемы • точность регулировки: ±0,1%; цепь обратной связи организована на базе от- был добавлен резистор R2. • схема не требует подключения внешних дельной микросхемы со встроенными пре- цизионными резисторами, что позволяет обе- В большинстве случаев схема, изображен- прецизионных резисторов. спечить более высокую точность регулировки ная на рис. 1, работает достаточно хорошо, Построенная на основе приведенных тре- выходного напряжения, уменьшить дрейф, однако когда необходима более высокая точ- бований, схема состоит из трех основных ча- а также снизить стоимость схемы относитель- ность или требуется возможность долгой стей: блока генерации управляющего напря- но решений с цепями обратной связи, постро- и стабильной работы, предпочтительно ис- жения, интегратора и цепи обратной связи. енными на дискретных компонентах. пользовать в цепи обратной связи отдельную В отличие от предыдущей схемы цепь обрат- микросхему с интегрированными прецизи- ной связи в данном случае строится не при онными резисторами. помощи резисторов, а на основе специаль- ной микросхемы. Рис. 1. Пример традиционной схемы для высоковольтной регулируемой цепи смещения КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
источники питания компоненты 37 Рис. 2. Схема, построенная в среде моделирования LTspice, уровень смещения выходного напряжения составляет ~0–110 В Так как диапазон управляющего напряжения составляет 0–5 В, для Рис. 3. Пример расчета параметров LT1997-2 удовлетворения требований по диапазону выходных напряжений ко- для достижения коэффициента усиления 0,4545 эффициент усиления схемы должен равняться 22 (022 = 0,522 = 110). В качестве компонента, ответственного за генерацию управляюще- го напряжения, был выбран ЦАП AD5683R [1] — миниатюрный 16‑битный цифро-аналоговый преобразователь, входящий в семей- ство nanoDAC компании Analog Devices, значение температурного дрейфа которого составляет всего 2 ppm/°C. Выбранный диапазон управляющих напряжений с учетом остальных компонентов схемы позволяет обеспечить смещение уровня напряжения вплоть до 110 В с шагом ~1,68 мВ. В качестве интегратора выбрана микросхема LTC6090 [2] — высоковольтный rail-to-rail операционный усилитель с входным током смещения 50 пА. Благодаря низкой величине входного тока смещения обеспечивается высокая точность регулировки схемы. Еще одной особенностью LTC6090 является значение коэффициента усиления без обратной связи (open-loop gain) на уровне >140 дБ, что позволяет минимизировать погрешность конечного усиления. Задача LTC6090 — сравнивать значение напряжения, полученное с цепи обратной связи, с управляющим напряжением и интегриро- вать разность (то есть ошибку), тем самым регулируя выход (VBIAS) до желаемого значения. Время интегрирования формируется при помощи R1 и C1 и не влияет на точность усилителя, поэтому для его определения не требуется прецизионных компонентов. Для те- стирования схемы в качестве нагрузки использовались параллельно подключенные резистор и конденсатор номиналом 11 кОм и 2,2 мкФ соответственно. Для организации обратной связи в качестве микросхемы был взят дифференциальный Funnel-усилитель LT1997-2 [3], который обе- спечивает ослабление сигнала с коэффициентом 22 (коэффициент усиления = 0,4545) в контуре обратной связи. Расчет компонен- тов, необходимых для установки нужного коэффициента усиле- ния LT1997-2, можно легко провести с помощью специального он- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
38 компоненты источники питания Рис. 4. Оценочная плата LT1997-2 (коэффициент усиления устанавливается при помощи перемычек) лайн-калькулятора на сайте Analog Devices Рис. 5. Блок-схема испытательного стенда [4]. На рис. 3 показан пример расчета пара- метров LT1997-2 для схемы, изображенной на рис. 2. LT1997-2 довольно гибок в настройке и позволяет использовать широкий диапа- зон коэффициентов усиления/ослабления. Соответствующие примеры настройки при- ведены в документации на компонент [5]. Отдельно следует упомянуть и оценочную плату LT1997-2 [6], которая позволяет уста- навливать требуемый коэффициент усиле- ния при помощи перемычек (рис. 4). Стенд для испытаний На основе смоделированной в среде Рис. 6. Настройка оценочной платы AD5683R в программе Analog Devices ACE LTspice и изображенной на рис. 2 схемы был собран испытательный стенд (рис. 5). Генерация соотношении от желаемого значения. Для Процесс сборки во многом был упрощен управляющего напряжения измерений использовался цифровой муль- за счет использования оценочных и демон- тиметр Keysight 34460A, температура окру- страционных плат: Управляющее напряжение для схемы жающей среды при этом составила +24 °C. • EVAL-AD5683R — оценочная плата на базе было задано с помощью оценочной пла- Значение управляющего напряжения, выда- ты AD5683R. Плата была подключена че- ваемого оценочной платой AD5683R, было ЦАП AD5683R; рез порт USB к портативному компьютеру, откалибровано с точностью до четырех деся- • DC1979A — демонстрационная плата опе- на котором запущено программное обеспе- тичных знаков и контролировалось при по- чение Analog Devices ACE (Analysis, Control, мощи программы Analog Devices ACE. Надо рационного rail-to-rail-усилителя LTC6090 Evaluation — анализ, управление, оценка). отметить, что результаты были получены с выходным напряжением 140 В (плата ACE имеет простой графический интерфейс при использовании только одного комплекта была модифицирована для проведения и позволяет легко настроить AD5683R, уста- плат и не отражают минимального или мак- тестов); новив необходимый уровень выходного на- симального значения возможного отклоне- • DC2551A-B — демонстрационная плата пряжения микросхемы (рис. 6). ния, выдаваемого схемой. на базе настраиваемого прецизионного усилителя LT1997 (плата также была мо- Точность схемы при работе Обратите внимание, что при выходном на- дифицирована); в режиме постоянного тока пряжении ниже ~40 В ошибка смещения на- • DC2275A — демонстрационная плата пряжения значительно больше и снижается повышающего преобразователя с инвер- В таблице 1 и на рис. 7 приведены резуль- по мере роста напряжения на выходе. Более тирующим выходом LT8331, входное на- таты измерений напряжения на выходе схе- подробная информация об ошибках, а также пряжение в пределах 10–48 В, значение мы, а также их отклонение в процентном их анализ приведены в следующих разделах выходного напряжения составляет 120 В статьи. при величине тока до 80 мА; • DC2354A — демонстрационная плата по- нижающего преобразователя с инверти- рующим выходом LTC7149, настроенного на отрицательный выход. Входное напря- жение в пределах 3,5–55 В, значение вы- ходного напряжения составляет от –3,3/–5 до –56 В при токе до 4 А. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
источники питания компоненты 39 а б Рис. 7. Зависимость ошибки от уровня выходного напряжения Таблица 1. Результаты измерений напряжения на выходе схемы и его отклонение от желаемого значения Управляющее Желаемое смещение Измеренное смещение Ошибка, % в напряжение, В напряжения, В напряжения, В – 0 0 0,0121 0,036 0,5 11 11,004 0,023 1 22 22,005 0,015 1,5 33 33,005 0,011 2 44 44,005 0,013 2,5 55 55,007 0,011 3 66 66,007 0,01 3,5 77 77,008 0,009 4 88 88,008 0,01 4,5 99 99,01 0,008 5 110 110,009 Точность схемы при работе в режиме переменного тока В данном случае на управляющий вход схемы была подана сту- пенчатая функция с различными уровнями напряжения. Результаты измерений напряжения на выходе схемы и напряжения в цепи об- ратной связи приведены на рис. 8. Следует обратить внимание, что, несмотря на ступенчатую форму напряжения на входе, напряжение на выходе плавно увеличивается до желаемого значения. Форма сигналов при запуске схемы В процессе проведения описанного теста были запечатлены фор- Рис. 8. Результаты измерений напряжения при подаче ступенчатого сигнала мы сигналов на различных участках схемы в момент подачи пита- на вход схемы: ния (рис. 9). Данный тип тестов необходим для того, чтобы убедить- а) уровень напряжения на управляющем входе 0–1 В; ся, что в момент запуска схемы на ее выходе отсутствуют скачки б) уровень напряжения на управляющем входе 0–2,5 В; напряжения, превышающие номинальное значение. Управляющее в) уровень напряжения на управляющем входе 0–5 В напряжение, обеспечиваемое AD5683R, в момент запуска схемы составило 0 В. По мере роста напряжения в цепи питания на вы- а затем запускался высоковольтный источник питания. Такая по- ходе схемы наблюдался небольшой выброс ~3 В, однако с учетом следовательность позволит избежать скачков напряжения на выходе величины выходного напряжения, которое генерирует источник в момент запуска схемы. Для реализации такого типа подключения в нормальном режиме (0–110 В), данным импульсом вполне можно достаточно использовать простой аналоговый секвенсор, такой как пренебречь, по крайней мере во время проведения тестовых испы- ADM1186 [7]. таний. При использовании описываемой схемы в реальном приложении целесообразно было бы упорядочить источники питания таким образом, чтобы сначала подавались управляющие напряжения, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
40 компоненты источники питания а Рис. 10. Оценочная плата LT1997-2 с платой LTC6090, устанавливаемой снизу б Анализ ошибок По результатам тестов выполнен анализ ошибок, суть которых за- ключалась в отклонении выходного напряжения схемы от желаемого значения. Рассчитанный уровень максимального и номинального значения погрешности приведен в таблицах 2 и 3. Максимальный уровень отклонения напряжения на выходе при же- лаемом уровне 110 В согласно расчетам составляет 0,0382%, или 42 мВ. При расчете учитывались погрешности всех элементов схемы, а так- же их изменение в температурном диапазоне работы (–40…+125 °C). Рассчитанное номинальное значение отклонения составило 0,00839%, что вполне соотносится с ранее измеренными показателями: 0,008%, или 9 мВ. Рис. 9. Форма сигналов в момент запуска: Примечание об источниках питания а) источников питания; б) на различных участках схемы Подача питания на компоненты схемы осуществлялась при помо- Внешний вид испытательного стенда щи источников ±5, 24 и 120 В. Ниже приведено несколько примеча- ний, объясняющих выбор источников именно с этими параметрами: Оценочная плата LTC6090 была установлена снизу платы LT1997-2. • Для питания ЦАП AD5683R требуется 5 В: Это были единственные платы, которые требовали внесения моди- фикаций перед проведением тестов (рис. 10). Остальные платы ис- – чтобы получить управляющее напряжение 5 В от ЦАП, напря- пользовались в исходной конфигурации. жение источника питания должно быть установлено немного выше 5 В, так как даже небольшие нагрузки в цепи питания могут ограничить максимальное выходное значение. Дополнительная информация по данному вопросу доступна в документации [8]. Таблица 2. Анализ ошибок напряжения на выходе схемы, рассчитанные максимальные значения (при учете погрешностей элементов и их изменения в температурном диапазоне работы) LT1997-2, усиление Ошибка, % Ошибка, мкВ Ошибка, нА Ошибка в узле Ошибка в узле Ошибка при управляющем Ошибка при управляющем LT1997-2, смещение напряжения 0,008 10 обратной связи, мкВ смещения, мВ напряжении = 1 В; напряжении = 5 В; LT1997, IB смещение 200 выход = 22 В, % выход = 110 В, % LTC6090, смещение 1000 282 6,204 Итоговая ошибка, % 227 4,994 0,008 0,008 1000 0,0282 0,0056 22 0,0227 0,0045 0,02 0,1 0,0382 0,1589 Таблица 3. Анализ ошибок выходного напряжения, рассчитанные типовые значения (при +25 °C) LT1997-2, усиление Ошибка, % Ошибка, мкВ Ошибка, нА Ошибка в узле Ошибка в узле Ошибка при управляющем Ошибка при управляющем LT1997-2, смещение напряжения 0,001 0,5 обратной связи, мкВ смещения, мВ напряжении = 1 В; напряжении = 5 В; LT1997, IB смещение 20 выход = 22 В, % выход = 110 В, % LTC6090, смещение 330 28,2 0,6204 Итоговая ошибка, % 11,35 0,2497 0,001 0,001 330 7,26 0,00282 0,00056 0,00114 0,00023 0,033 0,0066 0,03796 0,00839 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
источники питания компоненты 41 Таблица 4. Сравнение характеристик дискретных прецизионных резисторов 1206 (1206 был выбран для рабочего напряжения 200 В) и микросхемы LT1997-2 Размеры Дискретные LT1997-2 Примечание Цена при покупке от 1000 штук резисторы по состоянию на декабрь 2020 г. ++ 2×(3,1×1,6) против 4×4 мм Точность резисторов + ++ 2×($0,11) против $3,39 Температурный дрейф +++ + 0 против 0,008% Максимальное напряжение 25 против 1 ppm/°C 200 против 270 В Таблица 5. Сравнение характеристик металлопленочных резисторов и микросхемы LT1997-2 Металлопленочные LT1997-2 Примечание резисторы Рис. 11. Блок-схема микросхемы LT1997-2 Размеры ++ 8,9×3,5×10,5 против 4×4×0,75 мм Цена при покупке от 500 штук Паритет • Напряжение –5 В использовалось, чтобы LTC6090 и LT1997-2 могли по состоянию на декабрь 2020 г. Паритет +++ $22,33 против $3,76 работать с управляющим напряжением, приближающимся к 0 В: Точность резисторов Паритет – диапазон синфазного входного сигнала для LTC6090 ограничен Температурный дрейф + Паритет 0,005 против 0,008% 3 В; Максимальное напряжение 1,5 против 1 ppm/°C – демонстрационная плата LTC7149 использовалась для удобства генерации –5 В; 350 против 270 В • плата LTC7149 может выдавать до 4 А, • LTC7149 требует <25 мА при –5 В. Достаточно простого инвер- Таблица 6. Сравнение характеристик полупроводниковых резисторов тора Charge Pump, например ADP5600. и микросхемы LT1997-2 • 120 В подавались на LTC6090: Размеры Полупроводниковые LT1997-2 Примечание – так как LTC6090 имеет rail-to-rail-конфигурацию, большие на- Цена при покупке от 1000 штук резисторы грузки требуют подачи дополнительного питания. по состоянию на декабрь 2020 г. + + 3,04×2,64 против 4×4 мм Точность резисторов + Паритет $1,9 против $3,39 • 24 В использовались в качестве питания для LT1997-2: Температурный дрейф – данное значение напряжения было выбрано, чтобы избежать Максимальное напряжение Паритет ++ 0,035 против 0,008% работы микросхемы в режиме Over-The-Top, поскольку при 1 против 1 ppm/°C работе в данном режиме некоторые характеристики LT1997-2 ухудшаются. Дополнительная информация по вопросу доступна 80 против 270 В в документации [5]. в данном случае будут изолированы от внешней среды корпусом Сравнение характеристик компонентов цепи микросхемы, что позволяет избежать влияния на них паразитных обратной связи сигналов. Кроме того, во многих конфигурациях резисторы извне подтягиваются к «земле» или питанию и использование LT1997-2 по- зволяет сократить пути утечки, которые являются распространенной причиной ошибок в цепях высокого напряжения. Дополнительная информация по этому вопросу доступна в документации [9]. Заключение В заключение сравним несколько основных характеристик ком- В схемах регулируемых высоковольтных источников питания тра- понентов схемы источника питания, используемых в традиционной диционно использовались дискретные операционные усилители топологии цепи обратной связи, с характеристиками микросхе- и резисторы для реализации цепей обратной связи. Хотя этот подход мы LT1997-2 с интегрированными прецизионными резисторами прост для понимания, в некоторых случаях он не позволяет добиться (рис. 11, табл. 4–6). требуемой точности регулировки и выходных параметров. Выходом из ситуации является использование готовых микросхем с интегриро- Несмотря на то что микросхема LT1997-2 оказывается дороже, чем ванными в них прецизионными резисторами, таких как LT1997-2. n два дискретных резистора 1206, она также предлагает разработчику гораздо лучшие показатели точности и более высокое рабочее напря- Литература жение. При сравнении с металлопленочными компонентами LT1997-2, наоборот, получает выигрыш в стоимости, а также имеет преимуще- 1. www.analog.com/ru/products/ad5683r.html ство в размерах. При сравнении с полупроводниковыми резисторами 2. www.analog.com/ru/products/ltc6090.html LT1997-2 обеспечивает преимущества в точности и диапазоне рабочих 3. www.analog.com/ru/products/LT1997-2.html напряжений. Помимо описанных выше характеристик, к ключевым 4. beta-tools.analog.com/toolbox/LT1997-2 преимуществам использования LT1997-2 относится и то, что в ми- 5. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ кросхему интегрировано сразу несколько прецизионных резисторов с разным номиналом, что позволяет настраивать величину сопротив- LT1997-2.pdf ления цепи обратной связи посредством объединения входов/выходов 6. www.analog.com/ru/design-center/evaluation-hardware-and-software/ микросхемы при помощи перемычек. evaluation-boards-kits/DC2551A-B.html Использование микросхемы с интегрированными прецизион- 7. www.analog.com/ru/products/adm1186.html ными резисторами в цепи обратной связи имеет еще одно важное 8. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ преимущество, которое может быть незаметно на первый взгляд. Дело в том, что чувствительные контакты операционного усилителя AD5683R_5682R_5681R_5683.pdf 9. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/6090fe.pdf КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
42 компоненты источники питания Источники электропитания: из прошлого в будущее Стив Робертс (Steve Roberts) Все цивилизации развивались благодаря использованию энергии: снача- ла это была мускульная сила, и развитие шло очень медленно — десятки тысяч лет, потом людей и животных, и дело пошло быстрее — тысячи лет, потом подключилась природная энергия — солнца, ветра и ископаемого топлива, развитие заняло всего сотни лет. Все изменило электричество. За 200 лет с момента основополагающих открытий в этой области наша цивилизация изменилась до неузнаваемости. Однако электричество нужно было не только открыть, но и приручить, чтобы преобразовать его в силу, свет, движение, связь, интеллект. Здесь нам часто помогают небольшие и порой малозаметные устройства — источники питания. Введение и не в очень отдаленном. Впрочем, оно уже не может быть и речи, а потому единствен- существует, например в автомобилях для ный способ — отвести тепло через теплопро- Сегодня наш высокотехнологичный мир инвалидов, а автопилот в самолете давно водящий материал, такой как опорная пла- уже не может функционировать без элек- стал обыденным, как и авторулевой, пред- стина из алюминия, которая передает тепло тричества. Первооткрыватели Алессандро назначенный для автоматического управле- непосредственно от корпуса преобразова- Джузеппе Антонио Анастасио Вольта ния приводом судна и удерживающий ко- теля. И тут есть второе решение: вместо од- (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) рабль на заданном курсе. ного большого и мощного DC/DC-преобра- и Андре-Мари Ампер (André-Marie Ampére) зователя используется несколько малых даже не могли себе представить, к чему Главное — надежность преобразователей, распределенных по боль- приведут человечество их наивные экспе- шой площади. Такая технология раздачи рименты. Исчезни источники электропита- Электродвигатель питается от мощной питающих напряжений называется «рас- ния, и все бы рухнуло в одночасье. Причем тяговой аккумуляторной батареи. А все пределенная архитектура электропитания», в мертвое железо превратилось бы буквально остальные потребители, такие как бортовые за ней следует технология PoL, буквально все — от простых потребительских устройств компьютеры с их программами, ИИ и про- означающая «питание в нагрузку», когда пре- до светодиодного освещения, компьютерных чие не менее важные части оборудования образователь максимально близко находится сетей, медицинских устройств, которые по- электромобиля, хотя и получают питание к требующему питания устройству или даже могают нам оставаться здоровыми, спутни- от того же высоковольтного тягового акку- отдельному компоненту. ков связи и наблюдения за погодой или теле- мулятора, но им нужны более низкие на- скопа Хаббл, который мы используем для пряжения, в том числе привычные шины Преимущество данных архитектур в том, исследования далеких миров. А еще ведь есть классических автомобилей с напряжением что напряжения генерируются там, где они навигационные системы и электромобили. 12, 18, 24 В. Далее следуют микроконтрол- необходимы. Из 12‑В внутренней шины пи- В настоящее время без спутниковой нави- леры и их периферийные устройства, кото- тания 3,3 В генерируются на микроконтрол- гации судам будет крайне сложно добраться рые работают от еще более низких напря- лере, а аналоговая схема для обработки сиг- до порта назначения, а самолетам потребует- жений — 5; 3,3 или 1,8 В, которые должны налов датчиков получает свой собственный ся дополнительная навигация. быть получены от промежуточной шины, преобразователь 12 В/5 В также в непосред- как правило, напряжением 12 В. Так и созда- ственной близости. Помимо распределенно- А что насчет «электронной мобильно- ется первое строгое требование для DC/DC- го тепла, такое расположение обладает пре- сти»? Электромобили должны быть безопас- преобразователей. имуществами по части решения проблемы, ными, а теперь они даже должны двигаться называемой электромагнитной совместимо- автономно, сами по себе, без водителя! Сама Они должны функционировать так же без- стью (ЭМС). Это сложная проблема, и ей по- концепция автомобиля переосмысливает- опасно и надежно, как и вся компьютерная священо много публикаций. ся. Руля больше нет, а мы садимся на заднее техника. Но, к сожалению, по физическим сиденье, доверив себя бортовым компьюте- причинам они нагреваются. А когда что-то Габариты и проблемы ЭМС рам, бесчисленному количеству датчиков, становится теплым (возможно, горячим), связаны! различному программному обеспечению старение идет ускоренными темпами. При и плюс ко всему — искусственному интел- небольшом повышении температуры этим Основываясь на вышесказанном, можно лекту (ИИ)! Когда все это станет работать можно пренебречь, но чем сильнее нагрева- увидеть, что важность небольших высоко- вместе и будет достаточно развито, мы, по- ются компоненты, тем больше ускоряется эффективных DC/DC-преобразователей воз- лагаясь на технологии, развалимся в кресле, процесс старения. В случае электролитиче- растает, а их использование определяет архи- затеним окна автомобиля и приедем к месту ских конденсаторов — непропорционально. тектуру всего устройства. своего назначения отдохнувшими, смотря фильм или слушая расслабляющую музы- При существующей технологии компо- В дополнение к упомянутым требованиям ку. Хорошо, пусть это все в будущем, хотя нентам может помочь только хорошее рассе- преобразователи должны иметь минимально ивание тепла. О вентиляторах, как правило, возможные размеры, обеспечивать постоян- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
источники питания компоненты 43 ное и точное выходное напряжение, которое Рис. 1. Динамика изменения габаритов однотипных DC/DC-преобразователей остается в определенных пределах даже при скачках нагрузки (так называемый сброс/на- одновременно достичь и высокой эффек- треблением. Данный вход легко использо- брос нагрузки). Они должны иметь широ- тивности, и высокой удельной мощности. вать и для реализации функции аварийной кий диапазон входного напряжения и быть Знакомьтесь: RPX‑4.0 (рис. 2), миниатюр- остановки, что необычно для столь малень- бюджетными. В большинстве случаев тре- ный понижающий DC/DC-преобразователь кого устройства, но преобразователь RPX-4.0 бования могут быть реализованы на прак- с чрезвычайно высокой удельной мощно- обеспечивает ток до 4 А — этого достаточ- тике только с помощью импульсного пре- стью, выполненный в оптимизированном но для драйверов шаговых двигателей, при- образования энергии, поскольку, например, в части отвода тепла корпусе QFN [1]. ложений с высоким пусковым током или линейный стабилизатор, при его несомнен- источников питания лазеров. Кроме того, ной схемной простоте, будет генерировать Понижающий DC/DC-преобразователь в преобразователе RPX‑4.0 предусмотрен вы- слишком много тепла, которое необходимо RPX‑4.0 весит всего 2 г, что делает его осо- ход, указывающий на готовность к работе, — эффективно отводить. Однако для импульс- бенно подходящим и привлекательным для PowerGood (PG). ных регуляторов понадобится фильтрация, приложений с ограничениями по весу — на- соответствующая нормативам ЭМС, причем пример, для летающих дронов и портатив- Преобразователь RPX‑4.0 рассчитан не только на выходе, но иногда и на входе ных устройств. При выходном напряжении на входное напряжение 3,8–36 В и обеспе- [1, 2]. Поэтому при выборе преобразовате- 5 В удельная мощность преобразователя со- чивает стабилизированное выходное напря- ля важно учитывать, каким стандартам он ставляет 180 Вт/см3! Поскольку его широкий жение в диапазоне 1–7 В, устанавливаемое уже соответствует и какие дополнительные диапазон входного напряжения охватывает двумя резисторами. Благодаря компактным фильтры потребуются. все стандартные напряжения аккумулятор- размерам 55,5 мм и высоте всего 4,1 мм ных батарей, его можно использовать прак- этот модуль понижающего преобразователя DC/DC-преобразователи, обычно широ- тически во всех продуктах с батарейным пи- устанавливает новые стандарты по удельной ко доступные на рынке, имеют мощность танием. мощности. Кроме того, RPX‑4.0 имеет раз- от нескольких сотен милливатт до несколь- витую защиту — он полностью защищен ких сотен ватт. Но какими бы ни были значе- Для перевода преобразователя RPX‑4.0 от пониженного напряжения, короткого за- ния номинальной мощности, даже в рамках в спящий режим или для отключения выход- мыкания, перегрузки по току и перегрева. одного и того же диапазона они имеют кон- ного тока можно использовать уже заранее Для установки выходного напряжения и по- структивные различия в части корпусиро- предусмотренный вход управления CTRL. строения завершенного решения полноцен- вания. Динамика этих изменений приведена Отключение осуществляется с помощью ного источника питания преобразователю на рис. 1. управляющего сигнала с низким энергопо- Наиболее распространенные конструкции имеют варианты исполнения SMD, SIL или DIL для диапазона мощности приблизи- тельно до 10 Вт, корпуса дюймовых разме- ров для мощности приблизительно 10–40 Вт и в формате, именуемом Brick (буквально: «кирпич») для высокой мощности. Так на- зываемый Full Brick («цельный кирпич») имеет размеры 116,86112,7 мм. При этом доступны варианты 57,955,912,7 мм (Half Brick — «полкирпича») и 57,936,812,7 мм (Quarter Brick — «четверть кирпича»). RPX‑4.0 — пример современного DC/DC-преобразователя В качестве практического примера совре- менного импульсного стабилизатора напря- жения на основе DC/DC-преобразователя был выбран преобразователь малой мощ- ности, потому что с небольшими по габа- ритам преобразователями особенно трудно Рис. 2. RPX‑4.0 — миниатюрный понижающий DC/DC-преобразователь с чрезвычайно высокой удельной мощностью КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
44 компоненты источники питания RPX‑4.0 требуется лишь два установочных резистора и входные и выходные конденса- торы с подключением, как показано на рис. 3. При необходимости установки выходного напряжения под требования того или иного проекта номинал резистора RFB2 (в кОм) рас- считывается по формуле: RFB2 = 10/(VOUT –1). Вся дополнительная информация по при- менению доступна в спецификации, которую можно открыть со страницы по ссылке [1]. Эффективность — Рис. 3. Пример схемы источника питания в соответствии с указаниями по применению это в первую очередь КПД для условий: +VIN = 24 В (DC), VOUT = 5 В, IOUT = 4 A Серия понижающих DC/DC-преобразо- ходных мощностях, преобразователь RPX‑4.0 дополнительно обеспечивает низкий уровень вателей RPX‑4.0 компании RECOM, выпол- может успешно использоваться для средних электромагнитных помех (ЭМП). ненных в корпусе QFN, имеет КПД более и низких выходных мощностей. Это достига- 90%. Их высокая эффективность позволяет ется, среди прочего, за счет интеллектуального Высокая удельная мощность преобразова- устройствам работать на полной мощности управления частотой коммутации и встроен- теля RPX‑4.0 достигается благодаря приме- при нагреве до +65 °C, а в зависимости от ва- ного экранированного силового дросселя, что нению технологии перевернутого кристалла рианта и способа монтажа — с понижением на металлической выводной рамке (flip-chip мощности до температуры +90 °C (рис. 4). Поскольку КПД возрастает при низких вы- аб Рис. 4. КПД преобразователя RPX‑4.0 в зависимости от нагрузки в условиях: выходное напряжение VOUT = 5 В (DC), температура окружающей среды Tamb = +25 °C: а) Efficiency vs. Output current; б) Thermal Derating Рис. 5. Внешний вид и внутренняя компоновка DC/DC-преобразователя RPX‑4.0 компании RECOM КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
источники питания компоненты 45 Рис. 6. Оценочная плата RPX‑4.0‑EVM‑1 для проверки решений Рис. 8. Нагрузочная характеристика схемы стабилизатора тока на основе DC/DC-преобразователя RPX‑4.0 от компании RECOM on lead frame) и конструкции с интегриро- ванной индуктивностью с последующим корпусированием (рис. 5). Также за счет компактных размеров сокращается уровень ЭМИ, а корпус QFN обеспечивает превосход- ный отвод тепла. В итоге подобные характе- ристики невозможно получить, используя дискретное решение. Высокая надежность DC/DC-преобра- зователя RPX‑4.0 позволила установить на него гарантию в три года. Также доступна оценочная плата RPX‑4.0‑EVM‑1 [2] (рис. 6), помогающая инженерам протестировать весь функционал преобразователя и оптими- зировать фильтрацию в соответствии с тре- бованиями всей системы. Практический пример Рис. 7. Пример источника стабильного тока, выполненного на базе понижающего DC/DC-преобразователя RPX‑4.0 применения — компании RECOM драйвер светодиодов с минимальными потерями зователь RPX‑4.0 имеет значительно более для самого широкого спектра примене- высокую удельную мощность, чем обычные Как известно, если светодиоды питаются преобразователи большинства компаний. ний — от промышленной автоматизации от источника напряжения, то им для огра- Несмотря на чрезвычайно малые размеры, ничения тока и установки рабочей точки отличное решение для отвода внутреннего до систем тестирования и измерения или требуется последовательно подключенный тепла позволяет DC/DC-преобразователю резистор. Однако при этом на резисторе ге- RPX‑4.0 работать при полной нагрузке без портативных приложений. Для получе- нерируются значительные потери мощно- принудительного охлаждения. сти. Этого можно избежать, если для питания ния дополнительной информации по но- светодиода вместо источника напряжения Заключение использовать источник тока. С помощью вым продуктам можно посетить веб-сайт операционного усилителя стабилизатор на- Модули питания на основе импульсных пряжения в виде DC/DC-преобразователя DC/DC-преобразователей со встроенными компании RECOM, или обратиться к тех- RPX‑4.0 легко превратить в схему, имеющую индуктивными компонентами обеспечива- характеристику источника стабильного тока ют высокую удельную мощность в крошеч- ническим специалистам по продажам, или и подходящую на роль драйвера светодиода ных корпусах типа LGA и QFN. Так, модуль (рис. 7). Нагрузочная характеристика такой понижающего DC/DC-преобразователя связаться с официальными дистрибьюто- схемы приведена на рис. 8. Данное решение RPX‑4.0 компании RECOM представ- с успехом использовалось в установке для ляет собой практически полностью за- рами. На сайте компании можно бесплатно ультрафиолетового обеззараживания меди- вершенный источник питания в корпусе цинских инструментов. 554,1 мм, позволяет быстро и просто загрузить третье издание популярной книги разработать полностью защищенный ис- Сравнение размеров точник питания на ток до 4 А, подходящий по DC/DC-преобразователям и новую книгу в пользу новой технологии! по AC/DC-преобразователям [3]. n Благодаря технологии 3DPP компании RECOM понижающий DC/DC-преобра- Литература 1. RPX‑4.0. www.recom-power.com/ru/search/ search-results?23&term=rpx‑4.0 2. RPX‑4.0‑EVM‑1. www.recom-power.com/ru/rec- p‑RPX‑4.0‑EVM‑1.html?0 3. www.recom-power.com/en/support/resource- library/book-of-knowledge/book-of-knowledge. html?0 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021 www.kite.ru
46 компоненты радиационно стойкие Простая модернизация DC/DC-преобразователя для применения в космической аппаратуре заменой радиационно стойких MOSFET-транзисторов Эндрю Попп (Andrew Popp) Проектирование силовой электроники для космических применений часто Бьёрн Содерберг (Bjarne Søderberg) представляет собой баланс между высокой надежностью и риском. Инже- неры-разработчики стремятся спроектировать структуры, которые отвечают Перевод: Виктор Жданкин требованиям целевого назначения по стоимости и рабочим характеристи- кам и сбалансированы в отношении уровней риска целевого назначения. В статье исследуется, насколько успешно радиационно стойкие MOSFET- транзисторы нового поколения улучшают значения КПД и удельной мощ- ности в ранее разработанном DC/DC-преобразователе уровня качества Space. В частности, насколько эффективно использование радиационно стойких транзисторов MOSFET поколения R9 компании IR HiRel повышает КПД и выходную мощность ранее разработанного и сертифицированного DC/DC-преобразователя для космической аппаратуры при простой замене ранее применяемых радиационно стойких транзисторов поколения R5 с минимальными изменениями других частей схемы. Статья является переводом работы специалистов подразделения силовой электроники компании International Rectifier (HiRel), Infineon Technologies Company [1]. Радиационно стойкий преобразователь напряжения, создан- Прямое сопоставление рабочих характеристик сделано заменой тран- ный с применением радиационно стойких MOSFET-тран- зисторов MOSFET поколения R5 устройствами поколения R9. зисторов раннего поколения R5, обеспечивал в нагрузке мощ- ность 190 Вт. Транзисторы MOSFET поколения R9 с более низким При обсуждении объяснено обоснование основных технических сопротивлением в открытом состоянии и меньшим временем пере- характеристик устройства, а также выбор компонентов, топологии ключения, примененные в преобразователе с той же самой струк- и схемы управления. В этой схеме сохранены кремниевые транзи- турой, способны генерировать такую же мощность с повышением сторы MOSFET, поскольку они предпочтительней, чем современные КПД более чем на 1%, что эквивалентно снижению потерь мощ- нитрид-галлиевые (GaN) силовые ключи. По такому важному по- ности на 20%. Но более важно то, что транзисторы MOSFET по- казателю, как область безопасной работы (Safe Operating Area, SOA), коления R9 могут быть использованы для повышения выходной кремний конкурентоспособен GaN, предлагая высокую эффектив- мощности до 260 Вт. Созданный радиационно стойкий 260‑Вт DC/ ность и более высокую надежность в космических применениях. DC-преобразователь, описанный в этой статье, наглядно показыва- ет такую возможность и повторное применение конструкции, ко- Стимулирующий фактор проектирования: торое можно успешно осуществить c помощью новых кремниевых простая модернизация сертифицированных для MOSFET-транзисторов. применения в космической аппаратуре конструкций Рассматриваемый DC/DC-преобразователь создан на основе мо- Космос предъявляет уникальные требования по эксплуатации стовой структуры с синхронным мостовым выпрямителем на вто- электронного оборудования, так как оно должно функционировать ричной стороне, известным как удвоитель тока. Преобразователь в радиационной обстановке: радиация поступает от Солнца (солнеч- имеет один выходной канал с номинальным значением напряже- ные космические лучи), от галактического космического излучения ния 24 В и использует режим контроля пикового тока в замкнутом или обусловлена заряженными частицами, которые постоянно при- контуре управления. В силовом каскаде предусмотрены MOSFET- сутствуют в радиационном поясе Ван Алена. транзисторы поколения R9 в корпусе SMD‑05e. Достигнуто лучшее в своем классе значение КПД 95%, при расчете которого учтены по- При разработке электронного оборудования для высоконадеж- тери в обоих силовых каскадах и маломощном служебном каскаде. ного применения в космосе инженерам-разработчикам приходит- ся соблюдать баланс между ресурсами в конструкциях своих схем. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
радиационно стойкие компоненты 47 Рассмотрим DC/DC-преобразователь: разработчик должен оценивать Таблица 1. Основные технические характеристики модернизированного время и средства, затраченные на структуру преобразователя, схему DC/DC-преобразователя драйвера затвора и оптимизацию компоновки платы. При работе в условиях ограничения бюджета и сроков разработки бывает сложно Параметр Условия Минимальное Максимальное выпустить изделие или электрическую силовую систему с более вы- значение значение сокими техническими показателями, которая к тому же обеспечивает Входное напряжение, В Установившийся режим постоянный уровень надежности. Выходное напряжение, В Установившийся режим 48 52 Частота преобразования, кГц Установившийся режим 24 ±0,01 В данном случае разработка началась на основе существующего 120 DC/DC-преобразователя с гальванической развязкой, выполненного КПД, % Нагрузка: 37–100% на плате с печатным монтажом. Созданная в центре промышленного Температура: –45…+85 °C 93 95,5 дизайна компании International Rectifier (IR), специализирующемся на разработке источников питания, эта проверенная структура в на- лены основные параметры преобразователя. Как видно, выходное стоящее время применяется в многочисленных спутниках, и в ней ис- напряжение в установившемся режиме равно 24 В и преобразователь пользуются радиационно стойкие кремниевые MOSFET-транзисторы способен обеспечить в нагрузке ток до 11 A. Максимальное значение поколения R5 компании IR HiRel. КПД 95,5% зафиксировано при отрицательной температуре. Главный вопрос, стоявший перед разработчиками, заключался в том, Конструкция преобразователя: возможно ли повторное использование конструкции с увеличенными максимально возможное повторное использование до предела параметрами при замене кремниевых транзисторов раннего конструкции и улучшенные технические параметры выпуска более новыми радиационно стойкими кремниевыми MOSFET поколения R9 для улучшения эффективности и эксплуатационных На рис. 1 показана структурная схема модернизированного DC/DC- характеристик преобразователя. Целью было сохранить прежний си- преобразователя с гальванической развязкой. Стимулирующие фак- ловой каскад и схему управления, что не требовало бы оптимизации торы для выбора структуры включали гальваническую развязку топологии печатной платы и замены других важных компонентов схе- (обеспечивается трансформатором), высокий КПД преобразования на- мы. Были заменены только транзисторы поколения R5 транзисторами пряжения и улучшенные температурные параметры. Для обеспечения поколения R9 и изменены номинальные значения нескольких резисто- высокого КПД в качестве входного каскада была выбрана двухтактная ров в схеме управления затворами транзисторов. мостовая структура, а на вторичной стороне — мостовой (Hy-bridge) синхронный выпрямитель, также известный как удвоитель тока. Транзисторы R5 и R9 имеют полосковую структуру ячеек, R5 яв- Во всех схемах используются транзисторы MOSFET поколения R9. ляются планарными транзисторами, а R9 выполнены на основе собственной технологической платформы. Новые устройства опти- Предусмотрен также дополнительный источник питания, обеспе- мизированы таким образом, чтобы иметь более высокую эффектив- чивающий внутренние управляющие функции и позволяющий уста- ность работы (то есть низкое сопротивление в открытом состоянии новить микросхему контроллера широтно-импульсной модуляции RDS(ON) и улучшенный показатель качества FOM — figure of merit). (ШИМ-контроллер) основного преобразователя на вторичной сто- Тем не менее с каждым новым поколением стойкость к воздействию роне для более простого считывания сигналов и управления выходной одиночных заряженных частиц также улучшается. Соответственно, мощностью. Тем не менее при измерении КПД не был учтен относи- применение транзисторов R9 в конструкции специализированного тельно небольшой вклад в потери служебного источника питания. DC/DC-преобразователя обеспечивает преимущества в повышенной эффективности с улучшенной стойкостью к одиночным эффектам. Исследуем более подробно силовой каскад, так как он работает от 50‑В шины: здесь используется двухтактная мостовая структу- На основе этой конструкции наглядно показаны конкурентные ра, в которой напряжение на транзисторных ключах равно вход- максимальные технические параметры и простое повторное приме- ному напряжению питания. Для того чтобы обеспечить допусти- нение конструкции DC/DC-преобразователя. В таблице 1 представ- мые отклонения от номинальных параметров, в качестве MOSFET Рис. 1. Структурная схема радиационно стойкого 260‑Вт DC/DC-преобразователя с гальванической развязкой www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
48 компоненты радиационно стойкие Рис. 2. Упрощенная схема силового каскада выбран N‑канальный радиационно стойкий транзистор поколения Рис. 3. Кондуктивные электромагнитные помехи на входе DC/DC-преобразователя R9 (IRHNKC9A7130) с пробивным напряжением 100 В, током через канал 35 А, который при комнатной температуре имеет низкое со- Измерение параметров усовершенствованного противление канала в открытом состоянии RDS(ON) 34 мОм и заряд DC/DC-преобразователя затвора 48 нКл. Показатели радиационной стойкости транзистора: суммарная накопленная доза 100 крад (Si), стойкость к воздействию Изучая полученные измерения параметров DC/DC-преобра- одиночных заряженных частиц с линейными потерями энергии зователя с транзисторами R9 осциллографом, можно определить на- (ЛПЭ) 90 МэВ·см2/мг. Предлагается также версия транзистора со зна- пряжения на затворах и напряжения на стоках транзисторов MOSFET чением поглощенной дозы 300 крад. в мостовой схеме преобразователя и на синхронных выпрямителях. Как видно на рис. 4, формы сигналов стабильны и, как ожидалось, При рассмотрении схемы выходной части удвоителя тока, пока- имеют низкий и хорошо управляемый выброс на заднем фронте им- занной на рис. 2, можно сказать, что он представляет собой почти пульса на истоке. классический мостовой выпрямитель. Если считать, что Q5 и Q6 яв- ляются двумя выпрямителями, а два дросселя (L1 и L2) служат двумя На рис. 5 показаны пульсации выходного напряжения. Из этого другими выпрямителями, то использование дросселей вместо полу- измерения можно определить, что пульсации выходного напряже- проводниковых устройств здесь предполагает падение напряжения ния — это удвоенная частота коммутации, и видно, что переклю- только на дросселях по сравнению с мостовой схемой. Также полу- чение управляемое. Во временной области напряжение пульсации чены хорошие значения в показателях удвоения частоты пульсаций, от пика до пика составляет примерно 26 мВ при выходном напря- что делает эту топологию очень эффективной. жении 24 В, соответствуя приблизительно 0,1% от выходного на- пряжения. При исследовании этого измерения в частотной области Для оптимизации общего габаритного размера конструкции в пре- наблюдаются пульсации около 1,5 мВ (среднеквадратическое зна- образователе объединен основной трансформатор и выходные дрос- чение), что делает выходное напряжение оптимальным для многих сели на одном сердечнике — это так называемый интегрированный чувствительных применений, таких как питание каскадов мощного магнитный элемент. Общая концепция была использована в много- микроволнового усилителя. численных космических программах, и на орбите находятся тысячи блоков, которые основаны на этой топологии. С точки зрения стаби- Улучшенная эффективность, лизации схема управления использует поцикловое (то есть в каждом повышенная выходная мощность рабочем цикле) ограничение тока (режим с управлением по току дрос- селя). Это обеспечивает преимущества в управлении токами в дроссе- При оценке эффективности сначала сравним выходные мощности лях, гарантируя отсутствие проблем с насыщением трансформатора и относительные потери мощности транзисторов R5 и R9 в DC/DC- во время запуска или при других условиях с отклонениями от нормы. преобразователе. Видно, что коммутация c транзисторами R9 обе- спечивает улучшение КПД примерно на 1%. Когда рассматривают- Переходим к принципу управления и фильтру электромагнитных ся значения КПД в диапазоне 94–95%, это, по существу, является помех: конструкция использует управление по пиковому току для 20%-ным снижением потерь мощности. минимизации импульсных помех. Это стабилизирует выходное на- пряжение и симметрирует токи через оба дросселя, что важно для топологии удвоителя тока. В замкнутом контуре управления приме- няется радиационно стойкая версия микросхемы ШИМ-контроллера UC1825. Она обеспечивает управление в режиме пикового тока с ком- пенсацией крутизны и ограничением коэффициента заполнения для каждого выхода ШИМ. Для измерения тока в силовых ключах предусмотрены токовые трансформаторы и управление разными транзисторами через транс- форматор управления затвором. Эта конструкция является законченным преобразователем с филь- трацией на входе и выходе. Используется стандартный LC-фильтр с LR-демпфированием для уменьшения добротности фильтра, и пода- вление соответствует требованиям к уровню типичных помех излуче- ния для космических платформ (рис. 3). Первая гармоника может быть определена на частоте 240 кГц, соответствуя удвоенной частоте пере- ключения каждого плеча мостовой схемы, которая составляет 120 кГц. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2021
Search
Read the Text Version
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
- 73
- 74
- 75
- 76
- 77
- 78
- 79
- 80
- 81
- 82
- 83
- 84
- 85
- 86
- 87
- 88
- 89
- 90
- 91
- 92
- 93
- 94
- 95
- 96
- 97
- 98
- 99
- 100
- 101
- 102
- 103
- 104
- 105
- 106
- 107
- 108
