12+ Components & Technologies www.kit-e.ru № 4 ’2021 (апрель) ISSN 2079-6811 Высокочастотные катушки компании Würth Elektronik Использование тиристоров SIDACtor компании Littelfuse Новые микроконтроллеры Renesas RA с ядром Cortex-M23 и M33 Реклама Новинки компании P‑DUKE Power для организации систем электропитания
Реклама
Реклама
4 (237) '2021 4 (237) '2021 Содержание Главный редактор Компоненты Правосудов Павел Викторович | [email protected] Перевод и дополнения: Мин Зоу (Min Zou), Заместитель главного редактора Владимир Рентюк Владимир Дворкин Ольга Дорожкина (Зайцева) | [email protected] Высокочастотные катушки индуктивности (Vladimir Dvorkin) компании Würth Elektronik — Перевод: Михаил Русских Выпускающий редактор есть что предложить и из чего выбрать 6 Универсальный квадратурный Ксения Притчина | [email protected] ПЧ-демодулятор LT5502 Редактор Микросхема категории качества «ВП» Виктор Хасиев (Victor Khasiev) 42 Наталья Новикова | [email protected] аналогового температурного сенсора 14 Перевод: Евгений Потемкин 46 Контроллер повышающего Редакционная коллегия Максим Бойчук, преобразователя 50 Александр Фрунзе, Вадим Егоров, с режимом PassThru 56 Иосиф Каршенбойм, Алексей Рыбаков, для устройств, требующих 62 Виктор Лиференко, д. т. н., профессор Любовь ВасильевА высокой частоты переключения Владимир Махов, д. т. н. Миниатюрный кварцевый генератор для «умных» взрывателей снарядов Патрик Эррги Пасакиан Дизайн и верстка (Patrick Errgy Pasaquian) Ольга Ворченко | [email protected] Пабло Перес (Pablo Perez) Оптимизация систем питания Отдел рекламы 16 сигнальной цепи. Ирина Миленина | [email protected] Часть 1. Какой уровень шума Отдел подписки Владимир Рентюк, источника питания [email protected] Геннадий Штрапенин является допустимым? Как обеспечить Москва более высокие уровни мощности ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 для однопарного Ethernet? Тел./факс: (495) 987-3720 Использовать комбинированный подход с новым разъемом СанктПетербург от TE Connectivity 19 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Тел. (812) 4381538 Факс (812) 3460665 email: [email protected], web: www.kit-e.ru Республика Беларусь Диармуид Кэри (Diarmúid Carey) Александр Русу «ПремьерЭлектрик» Как выбрать надежную защиту Новые микроконтроллеры Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж для цепей питания Renesas RA Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 и других элементов схемы? 26 с ядром Cortex-M23 и M33 Отдел распространения Тодд Филлипс (Todd Phillips) Блоки питания СанктПетербург: Виктор Золотарев | [email protected] Перевод: Иван Полянский Константин Верхулевский Новинки компании P‑DUKE Power Подписные индексы 80743 Использование тиристоров SIDACtor для организации Каталог агентства «Роспечать» 60194 систем электропитания Каталог «Почта России» 60195 компании Littelfuse полугодие для защиты оборудования год на линиях электропитания напряжения Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован переменного тока 34 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 10.04.21 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 • № 4 '2021
Реклама
4 (237) '2021 4 (237) '2021 Содержание Editorinchief Силовая электроника Pavel Pravosudov | [email protected] Кевин Спир (Kevin Speer), Хубертус Гроббель Deputy of editorinchief Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected] Нитеш Сатиш (Nitesh Satheesh), (Hubertus Grobbel) Managing editor Марк Роммершвинкель Перевод: Дмитрий Рудаков Ksenia Pritchina | [email protected] (Marc Rommerswinkel) Простой способ защитить данные. Editor Natalia Novikova | [email protected] Перевод: Андрей Колпаков Память со встроенным Editorial staff Уменьшение размеров, криптографическим модулем Alexander Frunze Victor Liferenko шумов и эксплуатационных отказов от Swissbit 96 Joseph Karshenbojm Vladimir Mahov источников питания Design and layout для транспортных применений 68 Технологии Olga Vorchenko | [email protected] Проектирование Том Невилл (Tom Neville) 100 Advertising department Гальваническая развязка Irina Milenina | [email protected] Джон С. Глейзер (John S. Glaser) позволяет устранить Перевод и дополнения: типичные источники ошибок Subscription department Владимир Рентюк при дифференциальных [email protected] Использование eGaN-транзисторов измерениях в лазерных драйверах Moscow гарантирует максимальную Новое решение 104 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., производительность лидаров 74 для тестирования передатчиков Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 Сергей Лехин, и генераторов опорной частоты Виктор Николаев для стандарта PCI EXPRESS 5.0 St. Petersburg Вопросы построения of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, многоканальных генераторов Дмитрий Серков Petrogradskaya Emb., случайных сигналов St. Petersburg, с регулируемыми коэффициентами Сделано в Италии: 197046, Russia взаимной корреляции Tel. (812) 4381538 генераторы сигналов Fax (812) 3460665 Пётр Поздняков email: [email protected] Разработка приложений произвольной формы АКИП 105 web: www.kit-e.ru для СнК SmartFusion2 с использованием 86 Belarus Republic Libero SoC и SoftConsole. Minsk, Premier Electric Часть 16. Развертывание нейросетей Николай Лемешко, Tel./fax: (10*37517) 2973350, в ПЛИС Microchip Михаил Горелкин, 2973362 Павел Струнин Circulation department St. Petersburg: Использование осциллографов Victor Zolotarev | [email protected] R&S RTA/RTM Subscription index for Components & Technologies для исследования Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 переходных процессов в генераторах, Age limit 12+ 90 управляемых напряжением 108 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
6 компоненты пассивные элементы Высокочастотные катушки индуктивности компании Würth Elektronik — есть что предложить и из чего выбрать Перевод и дополнения: Известная компания Würth Elektronik eiSos имеет в своем портфолио Владимир Рентюк несколько серий высокочастотных катушек индуктивности, которые мо- гут быть успешно использованы в самых разных приложениях. Однако что такое высокочастотная катушка индуктивности? В чем различия между вариантами исполнения и сериями? Настоящая статья даст ответ на эти вопросы. Во‑первых, объясняя наиболее важные характеристики ВЧ-катушек, а во‑вторых, описывая особенности каждой из предлагаемых компанией серий столь важных компонентов РЭА. Характеристики катушек индуктивности рядков, в селективных или генерирующих схемах, требующих высо- кой стабильности своих характеристик, или приложений, которым Для того чтобы оценить и сравнить серию высокочастотных ка- необходимо согласование импеданса, крайне важно, чтобы график тушек индуктивности (далее — ВЧ-катушки), необходимо детально зависимости индуктивности от частоты в полосе рабочих частот был разобраться в их основных характеристиках именно для высокочастот- как можно более плоским (рис. 1). ных приложений. Как можно видеть в любом техническом описании, этими характеристиками являются значение индуктивности с соответ- И это еще не все. Поскольку на практике мы имеем дело с реаль- ствующим допуском, добротность, собственная резонансная частота, ной, а не с идеальной катушкой индуктивности, то, кроме зависи- сопротивление по постоянному току и номинальный ток катушки. мости от частоты, индуктивность катушки в рабочем диапазоне частот не должна зависеть (или минимально зависеть) от тока и тем- Значение индуктивности и его допустимое отклонение пературы. Вот та причина, по которой большинство ВЧ-катушек Очевидно, что поскольку мы говорим о катушке индуктивности, имеют керамический сердечник или не имеют его вообще (по факту то именно индуктивность играет здесь главную роль. В большинстве радио- и высокочастотных приложений, в фильтрах высоких по- Рис. 1. График зависимости индуктивности от частоты для катушки серии WE-TCI Рис. 2. Графики зависимости индуктивности Ls (синий график) типоразмера 0402 (номер по каталогу компании Würth Elektronik: 744901115) и модуля импеданса |Z| (красный график) от частоты для катушки серии WE-RFH типоразмера 1008 (номер по каталогу компании Würth Elektronik: 744758256A) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
пассивные элементы компоненты 7 в этом случае «сердечником» является воз- товые сердечники, относительная магнитная как функцию от частоты, которые учитыва- дух). Применение таких конструктивных ре- проницаемость которых намного больше ют все паразитные явления в катушке кон- шений связано с тем, что используемая для единицы. Такое решение ВЧ-катушек имеет кретного типа, типоразмера и номинальной ВЧ-катушек керамика имеет очень низкий место в сериях WE-RFI и WE-RFH компа- индуктивности. Кроме того, для большин- тепловой коэффициент расширения, кото- нии Würth Elektronik eiSos (далее — Würth ства серий своих ВЧ-катушек компания рый обеспечивает высокую стабильность ин- Elektronik). Würth Elektronik предлагает модели компо- дуктивности и хорошо фиксирует токопро- нентов компании Modelithics, предназна- водящий элемент. Тем не менее и керамика, Во многих ВЧ-приложениях, таких как ченные для расчета в средах ADS и AWR. и воздух не обладают магнитными свойства- схемы фильтрации, схемы согласования Компания Modelithics измеряет S‑параметры ми, то есть их относительная магнитная про- импеданса или генерации, а также для обе- катушек индуктивности на подложках разно- ницаемость µr составляет примерно единицу. спечения стабильности катушка индуктив- го типа и толщины, создавая глобальные мо- Согласно уравнению (1), индуктивность од- ности должна иметь очень жесткие допуски дели, которые масштабируют чувствитель- нослойной катушки (ВЧ-катушки, как пра- на свою индуктивность. Другими словами, ные к подложке паразитные эффекты, это вило, однослойные) определяется как: требуется ВЧ-катушка, реальное значение приводит к очень точному моделированию индуктивности которой будет как можно конкретных компонентов. L = (µrµ0Aeff N2)/leff, (1) ближе к указанному в ее спецификации но- минальному значению. Такова причина, Возвращаясь к теме SRF, представим рас- где L — индуктивность; µr — относитель- по которой многие инженеры ценят более четное соотношение между индуктивностью ная проницаемость материала сердечника; узкие допуски, идя при этом даже на допол- катушки L, ее распределенной емкостью Cp µ0 — проницаемость свободного простран- нительные затраты, конечно, в разумных и собственной резонансной частотой SRF. ства 4π10–7 Гн/м; Aeff — эффективная пло- пределах. Но, тем не менее, подобный подход Эта зависимость показана в уравнении (2): щадь поперечного сечения катушки с сердеч- часто имеет место. ником; leff — эффективная длина катушки SRF = 1/(2p√LCp). (2) на сердечнике; N — число витков катушки. Однако необходимо учитывать, что в спецификациях на катушки как значение Таким образом, поскольку паразитная ем- Если µr ≈ 1, то значение индуктивности их индуктивности, так и их допуск указаны кость и индуктивность образуют параллель- может увеличиваться только пропорцио- только для определенной частоты и в реаль- ный колебательный контур, то SRF — это нально квадрату увеличения числа витков, ной схеме могут отличаться от заявленных. частота его резонанса. Или другими словами, что конструктивно ограничено размерами это частота, на которой емкость компенси- компонента и габаритами каскада, в котором Частота собственного резонанса рует индуктивность, то есть оба реактивных катушки применяются. Это причина того, катушки сопротивления XL и XC равны. что ВЧ-катушки на керамическом или воз- душном сердечнике достигают значений ин- Частота собственного резонанса f RES, Из предыдущего уравнения (2) также вид- дуктивности только в диапазоне наногенри. обычно обозначаемая как SRF (Self-Resonant но, что увеличение индуктивности и/или па- В случае если необходимы более высокие Frequency), показывает, до какой частоты разитной емкости снижает SRF, и наоборот. значения индуктивности, например в диа- данная катушка ведет себя как индуктив- Поэтому чем больше значение индуктивно- пазоне микрогенри, то понадобятся ферри- ность. На частоте SRF катушка ведет себя сти, тем ниже SRF. как резистор (то есть не имеет реактивной Рис. 3. Представление реальной ВЧ-катушки составляющей импеданса) и характеризуется Как отмечалось ранее, в большинстве случа- индуктивности (параллельные витки катушки лишь чисто резистивными потерями, а вот ев значение индуктивности должно быть ста- действуют как электроды конденсатора, за пределами частоты SRF катушка ведет себя бильным и настолько близким к желаемому образовывая распределенную емкость) уже как конденсатор. Изменение индуктив- значению, насколько это возможно. На рис. 2 ности Ls и поведение импеданса |Z | реаль- видно, что для этого сценария рабочая частота Рис. 4. Эквивалентная схема ВЧ-катушки ной катушки индуктивности, в зависимости должна быть как можно дальше от частоты индуктивности: L — индуктивность; от частоты, вы можете видеть на диаграмме, SRF. Консервативное эмпирическое прави- R — потери в проводе; C — распределенная емкость представленной на рис. 2. ло гласит: работай на частоте по крайне мере в 10 раз ниже, чем значение SRF. Как видно на графике зависимости, мак- симальное значение полного сопротивле- Однако бывают и исключения. Например, ния катушки наблюдается на частоте SFR. в случае если ВЧ-катушка используется в ка- Значение |Z | на частоте резонанса называ- честве дросселя для определенного диапазо- ется эквивалентным параллельным сопро- на частот, то весьма удобно выбирать ее так, тивлением RP и для ВЧ-катушки с высокой чтобы рабочий диапазон частот был близок добротностью, как правило, находится выше к значению ее SRF. Это связано с тем, что при 50 кОм. Откуда берется резонанс? таком раскладе импеданс катушки будет мак- симальным. Как показано на рис. 3, между проводами и/или внутренними контактами любой ка- Повторим еще раз: если в специфика- тушки индуктивности имеется распределен- ции типа datasheet собственная резонанс- ная емкость. С учетом этой паразитной емко- ная частота указана с минимальным значе- сти эквивалентная схема реальной катушки нием в мегагерцах или гигагерцах, то такая индуктивности выглядит так, как это пред- ВЧ-катушка ведет себя как индуктивность, ставлено на рис. 4. по крайней мере до тех пор, пока ее рабочая частота не достигнет хотя бы значения SRF. В качестве дополнительного важного при- мечания необходимо упомянуть, что факти- Добротность чески есть еще несколько дополнительных Добротность как фактор качества в равной паразитных эффектов, которые усиливают- ся с частотой. Поэтому для каждой катушки степени относится и к ВЧ-катушкам, и к пер- индуктивности компания Würth Elektronik сональным компьютерам и автомобилям. предлагает своим клиентам их S‑параметры, Это очень важная характеристика и одна точно описывающие свойства компонента из первых вещей, которую каждый радиотех- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
8 компоненты пассивные элементы ник принимает во внимание при оценке качества высокочастотной катушки индуктивности. Применительно к катушкам добротность (она традиционно обозначается буквой Q, от Q‑Factor — Quality Factor) — это соотношение (следовательно, это безразмерная вели- чина) между накопленной энергией XL (реактивное сопротивление катушки) и потерями RS, то есть служит показателем того, насколько идеальна катушка индуктивности. Уравнение, описывающее этот по- казатель, имеет вид: Q = XL/RS = wL/RS, (3) где ω — циклическая частота 2πf. Более высокая добротность означает меньшие потери и, следо- вательно, меньшее затухание сигнала (минимизируя потребление энергии от источника возбуждения). При известной добротности, ис- пользуя уравнение (4), можно вычислить эквивалентное параллель- ное сопротивление RP катушки на частоте ее собственного резонанса, а зная RP, можно прогнозировать ее поведение в схеме (рис. 4): RP = Q√L/C. (4) На более низких частотах, поскольку на них индуктивность при- Рис. 5. Зависимость добротности Q (черный график), реактивного сопротивления XL мерно постоянна и реактивное сопротивление катушки небольшое, (синий график) и сопротивления потерь RS (красный график) добротность Q получается низкой, но из уравнения (3) можно видеть, для катушки индуктивности серии WE-RFH типоразмера 1008 что вследствие роста реактивного сопротивления добротность также (номер по каталогу компании Würth Elektronik: 744758256A) увеличивается с частотой (рис. 5). ности по постоянному току и на низких частотах. Для более высоких На рис. 5 видно, что от области низких частот потери растут почти частот потери будут больше. Для ВЧ-катушек они связаны с такими линейно, а значит, увеличивается и добротность. Однако для об- эффектами, как скин-эффект или эффект близости. В любом слу- ласти высоких частот проявляются такие паразитные эффекты, как, чае знание RDC является хорошей и простой отправной точкой для например, скин-эффект, и потери внезапно увеличиваются, а сле- оценки потерь мощности ВЧ-индуктора. Очевидно, что RDC зависит довательно, добротность, достигая своего максимума на некоторой от толщины провода, которым выполнена катушка. Более толстая частоте, начинает уменьшаться. В зависимости от производителя проволока означает не только меньшее значение RDC, но и больший добротность Q задается либо как минимальное, либо как типичное размер компонента. Поскольку добротность Q и RDC как часть об- значение для определенной частоты (обычно для той, для которой щих потерь RS обратно пропорциональны (уравнение (3)), меньшее значение Q максимально). В случае с компанией Würth Elektronik, значение RDC приводит к большему показателю добротности. В спец- для того чтобы гарантировать клиентам значение добротности «как ификациях RDC определяется как максимально возможное значение не менее», указывается ее минимальное значение. «не более» в омах или миллиомах. Сопротивление постоянному току (RDC) Номинальный рабочий ток Такой параметр, как RDC (иногда RDC или DCR), — это сопро- Номинальный рабочий ток IR — это ток, при котором катушка тивление катушки индуктивности постоянному току. Данный па- индуктивности увеличивает свою температуру до определенного раметр не нужно путать с эквивалентным сопротивлением катушки уровня относительно температуры окружающей среды ∆T (рис. 6). на частоте резонанса, о котором говорилось ранее. Этот параметр описывает исключительно потери мощности в катушке индуктив- Величина ∆T зависит от конструктивного исполнения и типораз- мера катушек в серии. Для катушек компании Würth Elektronik до- пустимое значение ∆T может быть равно +15, +20 и +40 °C (иногда в спецификациях ∆T приводят в градусах Кельвина, K). В стандарт- ных высокочастотных устройствах, если это не усилители мощности, ток обычно невелик, поэтому данный параметр играет второстепен- ную роль. Тем не менее в случаях, когда требуются более высокие токи, компания Würth Elektronik предлагает ряд сильноточных кату- шек, которые доступны в сериях WE-KI HC, WE-AC HC и WE-RFH. Номинальный рабочий ток определяется как максимальный посто- янный ток в амперах или миллиамперах, который может проходить через катушку индуктивности без достижения максимальной для нее номинальной температуры с учетом температуры окружающей среды. Рис. 6. График зависимости номинального рабочего тока IR катушки индуктивности Размеры серии WE-AC HC (номер по каталогу компании Würth Elektronik: 7449152090) Уж где-где, а в ВЧ-схемах размер имеет значение! На рынке, где требу- ются конечные решения все меньших габаритов, инженеры всегда при- дают большое значение данному параметру, особенно это касается кату- шек, которые часто являются самыми крупными компонентами в узлах и даже блоках. Компания Würth Elektronik предлагает своим клиентам ВЧ-катушки типоразмеров 0201–1208 (дюймовые). Коммерчески до- ступные размеры и диапазоны номинальных значений индуктивности ВЧ-катушек компании Würth Elektronik приведены таблице 1. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
пассивные элементы компоненты 9 В случае катушек без сердечника размер Таблица 1. Размеры и диапазоны номинальных значений индуктивности ВЧ-катушек компании Würth Elektronik указывается в миллиметрах и зависит от зна- чения индуктивности, то есть, проще говоря, Дюймовый (метрический) WE-KI WE-KI HC WE-RFI WE-RFH WE-MK WE-TCI от числа витков и шага. 0201 (0603) 1–120 нГн 1–51 нГн 1–33 нГн 1–10 нГн На этом этапе уже очевидно, что все про- 0402 (1005) 1,6 нГн–1 мкГн 1,8–390 нГн 1–270 нГн 1–27 нГн комментированные выше характеристики 0603 (1608) 2,2 нГн–1,8 мкГн 1–470 нГн катушки индуктивности взаимосвязаны. 0805 (2012) 3,3 нГн–1 мкГн Например, катушка индуктивности типораз- 1008 (2520) 22 нГн–1 мкГн 0,47–10 мкГн 0,47–10 мкГн мера 0402 не может иметь столько же витков, 1210 (3225) 1,2–47 мкГн сколько катушка типоразмера 0805. То есть максимальное значение ее индуктивности Таблица 2. Конструкции ВЧ-катушек, предлагаемые компанией Würth Elektronik будет ниже. Кроме того, меньший размер оз- начает более тонкий провод, что приводит С сердечником Проволочные катушки Многослойные Тонкопленочные к большему RDC и, соответственно, к более Без сердечника катушки катушки низкой добротности. Поэтому инженеры, вы- бирая оптимальную для своих приложений WE-KI/WE-KI HC/ WE-CAIR WE-AC HC WE-MK WE-TCI ВЧ-катушку, должны принимать во внима- WE-RFI/WE-RFH ние, что между размером, производительно- стью и конструктивным исполнением катуш- катушки без сердечника требуют жесткой ваются выше, чем при проволочной намот- ки существуют некоторые компромиссы. фиксации (клеем или керамическим основа- ке, что приводит к большому значению RDC, нием), иначе их индуктивность будет «пла- довольно низкой добротности Q и низкому Выводы по первой части обсуждения вать» от температуры (среды и собственной, номинальному рабочему току IR. После того как мы уяснили основные па- о последнем не забываем) и механических воздействий — ударов и вибрации. Для по- Тонкопленочные катушки раметры ВЧ-катушек, сможем понять и раз- вышения жесткости бескаркасных катушек Тонкопленочная технология заключает- личия между ВЧ-катушками и силовыми иногда используют провод большего сече- катушками (дросселями). В то время как ния, чем этого требует конечное приложе- ся в печати проволоки на керамическом слое для силовой катушки важно иметь высокий ние. По сравнению с другими решениями с помощью фотолитографии. Этот очень импеданс, для ВЧ-катушки, как правило, все проволока толще, и поэтому потери в такой точный и многократно повторяемый про- наоборот: то есть ВЧ-катушка должна быть катушке будут ниже. Как мы уже видели, цесс обеспечивает очень жесткий допуск ин- как можно более близкой к идеальной и, со- низкие потери означают низкое значение дуктивности. Кроме того, тонкопленочные ответственно, иметь низкие потери. По этой RDC, высокую добротность Q и высокий но- катушки очень тонкие и могут быть выпол- причине основной характеристикой для ВЧ- минальный ток IR. Кроме того, количество нены в очень малых типоразмерах. катушек является добротность, а вот для си- возможных витков здесь достаточно велико, ловых катушек высокая добротность часто поэтому с помощью данной конструкции Поскольку поверхность такого чипа неве- вредна и даже искусственно уменьшается. можно достичь широкого диапазона номи- лика, количество витков в обмотках весь- нальных индуктивностей. ма ограничено, то по сравнению с другими После того как параметры, указанные структурами диапазон индуктивности кату- в техническом описании ВЧ-катушки, стали Однако у этой конструкции есть недостат- шек, выполненных по этой технологии, по- понятны, следующим шагом будет подроб- ки. Из-за толщины проводов и близости вит- лучается значительно ниже. ный анализ каждой серии ВЧ-катушек, пред- ков намотки катушки друг к другу емкост- лагаемых компанией Würth Elektronik. Это ный эффект между ними будет значительно Обзор серий ВЧ-катушек позволит оценить и понять преимущества выше, особенно при большом количестве компании Würth Elektronik и особенности каждого варианта конструкции витков и меньшем шаге намотки (макси- и конкретной серии столь популярных и неза- мальном при намотке вплотную). По срав- Керамические проволочные менимых высокочастотных компонентов. нению с другими конструктивными реше- SMD-катушки индуктивности ниями эта относительно высокая паразитная серии WE-KI Варианты конструктивного емкость приводит к более низкому значению исполнения ВЧ-катушек частоты собственного резонанса SRF. ВЧ-катушки серии WE-KI очень популяр- ны и широко востребованы у потребителей Компания Würth Elektronik предлагает Многослойные катушки и представляют собой проволочные катушки три варианта конструктивного исполнения Такая катушка индуктивности образуется с керамическим сердечником (KI — это со- ВЧ-катушек: проволочные (с сердечником кращение от Keramische Induktivität, букваль- и без сердечника), многослойные и пленоч- путем создания множеством керамических но: керамическая катушка индуктивности). ные. Обзор коммерчески доступных серий слоев с нанесенными друг на друга печатны- Благодаря своей конструкции эта серия ВЧ- ВЧ-катушек компании Würth Elektronik при- ми электродами. Затем, соединяя токопро- катушек предлагает наилучшее соотношение веден в таблице 2. водящие элементы через переходные от- цены и качества. верстия, можно создать уже саму катушку. Проволочные катушки Этот процесс изготовления позволяет полу- В настоящее время компания Würth Как следует из названия, эти катушки чить очень маленькие по размерам и лучшие Elektronik в серии WE-KI предлагает три раз- по цене катушки. личных варианта ВЧ-катушек — A, B и C. индуктивности выполнены наматывани- Разница между ними заключается в разли- ем медной проволоки на сердечник (для С другой стороны, из-за малого размера чиях по внешнему виду и в том, что они из- ВЧ-приложений чаще керамический с от- проводников потери в такой катушке оказы- готавливаются на разных производственных носительной магнитной проницаемостью, линиях компании. Их параметры, внешний близкой к единице, или из карбонильного железа, редко из феррита) или на удаля- емую в процессе их изготовления оправку («сердечником» тогда является воздух). ВЧ- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
10 компоненты пассивные элементы вид и цена немного различаются. Внешний вид вариантов исполне- ния ВЧ-катушек серии WE-KI представлен на рис. 7. Преимущества ВЧ-катушек серии WE-KI: • разработаны специально для высокочастотных приложений; • наилучшее соотношение цены и качества; • собственные резонансные частоты: до 12,5 ГГц; • высокая температурная стабильность; • высокая добротность; • доступны катушки с различными допусками и типоразмерами; • допуск по индуктивности: ±2% или ±5%; • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C. Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-KI: • трансиверы; • приемники спутникового телевидения; • телевизионные приставки; • системы широкополосной передачи сигналов; • Bluetooth; • оборудование беспроводной локальной сети (LAN). Керамические сильноточные проволочные SMD-катушки Рис. 7. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-KI компании Würth Elektronik индуктивности серии WE-KI HC SMD-катушки индуктивности серии WE-RFI ВЧ-катушки серии WE-KI HC — одна из новейших серий компа- с ферритовым сердечником нии Würth Elektronik. Как и серия WE-KI, они также представляют собой ВЧ-катушки с проволочной обмоткой на керамическом осно- ВЧ-катушки серии WE-RFI также имеют проволочную на- вании. Однако разница в том, что WE-KI HC имеет более толстый мотку, но с ферритовым сердечником. Что это меняет? Все! провод, следовательно, может выдерживать больший рабочий ток Преимущество использования ферритового сердечника заключа- (поэтому в названии содержится HC — High Current, что означает ется в том, что можно достичь более высоких значений индуктив- «большой ток»). Кроме того, более толстый провод обеспечивает ности (до 40 мкГн). Однако у них есть и недостаток: потери феррита не только больший ток, но и более низкое значение RDC, а значит, очень быстро растут с увеличением частоты, то есть SRF не достига- и более высокую добротность Q. Таким образом, можно сделать вы- ет более сотен мегагерц. Таким образом, ВЧ-катушки серии WE-RFI вод, что серия WE-KI HC является версией серии WE-KI с более высо- используются только для приложений в диапазоне частот несколь- кими характеристиками. ких мегагерц. В этом диапазоне частот катушки показывают хо- рошую добротность Q. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-RFI Преимущества ВЧ-катушек серии WE-KI HC: представлен на рис. 8. • разработаны специально для мощных высокочастотных каскадов; • значения индуктивности: 1–390 нГн; Преимущества ВЧ-катушек серии WE-RFI: • оптимальны для сильноточных приложений с номинальным ра- • доступны с индуктивностью до 47 мкГн; • высокая температурная стабильность; бочим током до 2,3 А; • хорошая добротность; • высокая собственная резонансная частота; • допуск по индуктивности: ±5%; • очень высокая добротность; • диапазон рабочих температур: –40…+85 °C. • допуск по индуктивности: ±2%; • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C. Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-RFI: • RFID; Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-KI HC: • фильтры; • широкополосные фильтры; • низкочастотные радиочастотные приложения. • схемы развязки по высокой частоте. Рис. 8. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-RFI компании Würth Elektronik Сильноточные SMD-катушки индуктивности серии WE-RFH с ферритовым сердечником Как для серии WE-KI существует сильноточная версия (WE-KI HC), так и для серии WE-RFI есть ее сильноточная версия — серия WE-RFH. Принцип ее конструктивного исполнения тот же, но с более толстым проводом, что позволяет катушке выдерживать большие токи. Поскольку конструкция и материалы аналогичны WE-RFI, достигнутые значения индуктивности также очень высоки. Основные области применения серии WE-RFH — телекоммуникаци- онное оборудование. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
пассивные элементы компоненты 11 Преимущества ВЧ-катушек серии WE-RFH: • более высокий рабочий ток, чем у серии WE-RFI; • высокая температурная стабильность; • доступны с большой индуктивностью; • хорошая добротность; • допуск по индуктивности: ±5%; • диапазон рабочих температур: –40…+85 °C. Керамические многослойные SMT-катушки серии WE-MK Рис. 9. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-MK компании Würth Elektronik ВЧ-катушки серии WE-MK — это многослойные катушки, вы- как у серии WE-KI, по этому параметру они значительно лучше, чем полненные на керамике (MK — Multilayer Keramik, что по-немецки серия WE-MK. В настоящее время серия WE-TCI предлагается с допу- означает «многослойная керамика»). Как отмечалось ранее, благодаря ском по индуктивности 2%, но возможна поставка с допуском до 1%. тому, что катушка интегрирована в многослойную керамическую Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-TCI представлен на рис. 10. структуру, серия ВЧ-катушек WE-MK является лучшим выбором с точки зрения цены. Однако, с другой стороны, ее RDC — выше, а до- Преимущества ВЧ-катушек серии WE-TCI: бротность Q — ниже, чем у проволочных катушек индуктивности. • очень высокая точность и плоская индуктивность во всем частот- Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-MK представлен на рис. 9. ном диапазоне рабочих частот; Преимущества ВЧ-катушек серии WE-MK: • высокая собственная резонансная частота; • крайне низкая цена; • жесткие допуски: ±2% (±1% по запросу) или ±0,1 нГн; • маркировка полярности; • чрезвычайно низкий профиль; • очень высокая температурная стабильность; • превосходная температурная стабильность; • допуск по индуктивности: ±5%, ±0,3 нГн; • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C; • очень высокое значение SRF; • достаточно высокая добротность; • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C; • небольшие размеры и удобство пайки. • небольшие размеры и удобство пайки. Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-TCI: Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-MK: • мобильные телефоны; • высокочастотные цепи; • GPS-молули; • Bluetooth; • оборудование беспроводной локальной сети (LAN); • оборудование беспроводной локальной сети (LAN); • коммуникационные устройства; • фильтры; • модули радиочастотных приемопередатчиков. • генераторы; • ноутбуки; Сильноточные проволочные катушки без сердечника • PCMCIA-карты. серии WE-CAIR Тонкопленочные SMT-катушки серии WE-TCI ВЧ-катушки серии WE-CAIR относятся к катушкам с «воздушным» ВЧ-катушки серии WE-TCI представляют собой катушки ин- сердечником. Они имеют проволочную структуру, но без сердеч- ника, который не нужен из-за большего сечения используемого для дуктивности, выполненные по тонкопленочной технологии их изготовления провода. Кроме того, их верхняя часть выполнена (TCI — Thinfilm Chip Inductors, буквально: «тонкопленочные чип- из эпоксидной смолы, что упрощает их выбор и размещение на печат- индукторы»). Это наиболее точная серия ВЧ-катушек с точки зрения ной плате. Толстая проволока, естественно, обеспечивает очень низ- допуска на индуктивность, причем они обеспечивают очень плоскую кие потери и, следовательно, чрезвычайно высокую добротность Q. кривую зависимости индуктивности от частоты. ВЧ-катушки серии Кроме того, это дает очень высокий допустимый номинальный ток WE-TCI отличаются очень низким профилем. По сути, речь идет (до 4 А). Очевидно, что использование провода с большим диаметром о самой тонкой ВЧ-катушке индуктивности из всего каталога компа- имеет свою цену — ВЧ-катушки серии WE-CAIR по своим размерам нии Würth Elektronik. Кроме того, хотя их добротность не так высока, больше, чем все рассмотренные нами ранее ВЧ-катушки, и поскольку количество витков довольно ограничено, то доступно не так много Рис. 10. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-TCI компании Würth Elektronik вариантов с точки зрения значений индуктивности. ВЧ-катушки серии WE-CAIR предлагаются в пяти различных раз- мерах: 1322, 1340, 3136, 3168 и 4248. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-CAIR представлен на рис. 11. Преимущества ВЧ-катушек серии WE-CAIR: • разработаны специально для мощных высокочастотных каскадов; • значения индуктивности: 1,65–538 нГн; • очень высокая добротность Q: не менее 100; • поддерживается высокий рабочий ток: до 4 А; • допуски по индуктивности: ±2, ±5 и ±10%; • хорошая паяемость (имеют луженые контакты); • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
12 компоненты пассивные элементы Рис. 11. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-CAIR компании Würth Elektronik Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-CAIR: Рис. 12. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-AC HC компании Würth Elektronik • широкополосные фильтры; • схемы развязки по высокой частоте. • сильноточные фильтры; • источники питания; Сильноточные проволочные катушки без сердечника • регуляторы и стабилизаторы высокочастотных напряжений; серии WE-AC HC • магниточувствительные приложения; • схемы развязки по высокой частоте. ВЧ-катушки серии WE-AC HC представляют собой сильноточную версию, реализованную без сердечника, в виде горизонтальной ка- Заключение тушки, которая выполнена плоской проволокой. Благодаря большой площади поперечного сечения проволоки катушки серии WE-AC HC В статье рассмотрены особенности ВЧ-катушек и их отличия могут выдерживать очень высокие токи. Номинальный ток ВЧ-кату- шек серии WE-AC HC достигает 40 А. Серия предлагается компанией от силовых катушек индуктивности (дросселей) и предложения Würth Elektronik в двух типоразмерах — 1010 и 1212. Внешний вид ВЧ-катушек серии WE-AC HC представлен на рис. 12. ВЧ-катушек из портфолио такой известной компании, как Würth Преимущества ВЧ-катушек серии WE-AC HC: Elektronik. Кроме объяснения наиболее важных характеристик ВЧ- • индуктивность: 22–146 нГн; • допуски по индуктивности: ±20%; катушек, были приведены аргументы для выбора оптимального ва- • не имеют насыщения и потерь в сердечнике; • сверхнизкое значение RDC; рианта этих важных компонентов разных типов РЭА. Как можно • поддерживается очень высокий рабочий ток: до 40 А; • очень высокая добротность Q; видеть, предлагаемые компанией несколько серий высокочастотных • диапазон рабочих температур: –40…+125 °C. катушек индуктивности могут быть использованы в самых разных Основные области применения ВЧ-катушек серии WE-AC HC: • сильноточные DC/DC-преобразователи с рабочей частотой выше радио- и высокочастотных приложениях. 4 МГц; Помимо рассмотренной номенклатуры изделий, в портфолио • усилители мощности; компании Würth Elektronik имеется еще много интересных пред- ложений. Компания также поставляет компоненты, выполнен- ные по индивидуальным заказам. Вся необходимая информация, включая модели рассмотренных компонентов, доступна на сайте компании Würth Elektronik — www.we-online.com. n новости события Выставки Российской недели общественного транспорта пройдут в Москве Международные выставки «ЭлектроТранс», инфраструктуры Москвы, ведущих перевозчиков столы по актуальным проблемам отрасли, собра- «Электроника-Транспорт», «Транспортная страны — ГУП «Московский метрополитен», СПБ ния отраслевых ассоциаций. 12–14 мая будут ор- Светотехника» и российский автобусный салон ГУП «Петербургский метрополитен», ГУП «Мос- ганизованы технические визиты. CityBus пройдут в Москве, в ЦВК «Экспоцентр» гортранс», АО «Мострансавто», отраслевых ассо- в запланированные сроки: 12–14 мая 2021 года. циаций, профсоюзов, ведущих транспортных вузов. Официальные партнеры — компании «ПК Транспортные системы» и «Штадлер». Мероприятия Российской недели обществен- К началу апреля более 70 организаций подали ного транспорта организуются при поддержке заявки на участие в выставках и деловой програм- Продолжается прием заявок на участие в кон- Министерства транспорта РФ, Министерства ме Недели. курсе перспективных разработок для обществен- промышленности и торговли РФ, Департамента ного транспорта «Зеленый Свет». транспорта и развития дорожно-транспортной В рамках обширной деловой программы прой- дут конференции, технические семинары, круглые www.electrotrans-expo.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
Реклама
14 на правах рекламы Микросхема категории качества «ВП» аналогового температурного сенсора ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющая компания холдинга Диапазон выходного напряжения составляет: «ИНТЕГРАЛ» — в рамках ОКР «Дюна 60» проводит раз- от 49 мВ (соответствует температуре –60 °C) работку микросхемы категории качества «ВП» аналого- до 1205 мВ (соответствует температуре +125 °C). вого температурного сенсора для измерения темпера- Встроенное смещение на 424 мВ при температуре 0 °C позволяет туры. Микросхема является не тепловыделяющей, ток измерять отрицательные температуры без необходимости формиро- потребления не более 125 мкА. Низкое энергопотре- вания отрицательного напряжения. бление микросхемы позволяет использовать в качестве Выход микросхемы представляет собой переход база-эмиттер ее источника питания выходы логических микросхем. класса А, поэтому ток нагрузки IН должен быть минимизирован Микросхема предназначена для применения в радио- для уменьшения его влияния на точность измерения температуры. электронной аппаратуре, устойчивой к влиянию специ- Термочувствительный элемент микросхемы представляет собой раз- альных внешних воздействующих факторов. ность напряжений база-эмиттер двух биполярных NPN-транзис- торов с соотношением площадей эмиттера 10 к 1. Микросхема изготавливается в металлокерамическом корпусе типа 4601.3-1. Функциональным аналогом микросхемы аналогового температурного сенсора является микросхема LM60 компании Texas Instruments (США). Основные технические характеристики микросхемы: • напряжение питания UСС: 2,7–10 В; • температурный коэффициент выходного напряжения: не более 6,25 мВ/°C; • диапазон рабочих температур: –60…+125 °C; Устройство и работа Микросхема аналогового температурного сенсора предназначена Рис. 1. Типовая характеристика точности измерения температуры для измерения температуры в диапазоне –60…+125 °C при напряже- нии питания 2,7–10 В. Микросхема выдает напряжение, пропорциональное температуре в °C, по следующей формуле: UOUT = 6,25Ta+424, где UOUT — выходное напряжение микросхемы на выводе VOUT, мВ; Ta — температура окружающей среды, °C. Таблица. Электрические параметры микросхемы Наименование параметра, Норма Температура единица измерения среды, °C (режим измерения) не менее не более 25 ±10 –2 2 Точность измерения температуры, °С –4 4 25 ±10 (при UСС = 3 В; IН = 1 мкА) –60…+125 Выходное сопротивление, Ом – 800 (при UСС = 3 В; IН = 1 мкА) Нестабильность температурной характеристики –0,3 0,3 по напряжению питания, мВ/В (при UСС = 3 или 10 В; IН = 1 мкА) –3 3 Рис. 2. Структурная схема включения микросхемы с АЦП: Нестабильность температурной характеристики С1 — конденсатор емкостью 0,1 мкФ ±20%; по напряжению питания, мВ – 125 С2 — конденсатор емкостью 1 мкФ ±20%; (при UСС = 2,7 или 3,3 В; IН = 1 мкА) –1 D1 — микросхема; Ток потребления, мкА G1 — источник постоянного напряжения питания UCC; (при UСС = 3 или 10 В) D2 — АЦП постоянного напряжения Ток нагрузки, мкА КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
на правах рекламы 15 Типовая характеристика точности измерения температуры пред- ОАО «ИНТЕГРАЛ» — ставлена на рис. 1. управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» Схема включения микросхемы г. Минск, Республика Беларусь E‑mail: [email protected] Рекомендуемая схема включения представлена на рис. 2. Тел.: (+375 17) 298–97–43 Факс: (+375 17) 398–72–03 Заинтересованным в применении микросхемы аналогового темпе- Сайт: integral.by ратурного сенсора предприятиям могут быть предоставлены образцы микросхемы для проведения ее апробирования. n новости события XXIX Международная выставка «Электро‑2021» Выставка Электро‑2021» — ключевая комму- «Электро‑2021» и запланировало организацию В этом году можно отметить значительное рас- никативная платформа международного уровня, национального павильона Германии. ширение турецкого участия. Компании EAE Elektrik, объединяющая профессионалов в области элек- TP Elektrik, Sem Transformator, Enel Enerji, KLS тротехники, электрооборудования для энергетики Министерство экономики и строительства Plast, ADS Metal, Emas Elektroteknik, Çetinkaya и строительства, а также освещения и автоматиза- Словакии организует экспозицию с участием Pano, Yavuz Pano занимают порядка 250 м2. ции. «Электро‑2021» преобразилась за этот год — восьми компаний. вернулись те, кто пропустил выставку в 2019‑м. Выставка «Электро‑2021» предоставит пре- В этом году организаторы расширили тематику Министерство экономики и финансов Респуб- красную возможность встретить новых партнеров выставки. лики Корея планирует организацию националь- и укрепить отношения с уже существующими, на- • Время проведения: 7–10 июня 2021 года. ного павильона. метить планы на будущее и поделиться свежими • Место проведения: Москва, ЦВК «Экспоцентр» идеями с коллегами по поводу будущих проектов. Традиционно свое оборудование проде- (ст. м. «Выставочная» и «Деловой центр»). монстрируют компании из Китая. На выставке Узнать подробнее о мероприятии, ознакомить- Впервые за последние шесть лет Министерство «Электро‑2021» свое участие подтвердили два ся со списком участников и деловой программой, экономики Германии оказало поддержку выставке мощных игрока китайского рынка электрообо- а также пройти регистрацию можно на сайте рудования — Maxge Electric Technology и Jiagsu www elektro-expo.ru Acrel Electric. Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
16 компоненты генераторы Миниатюрный кварцевый генератор для «умных» взрывателей снарядов Максим Бойчук, В статье рассматривается миниатюрный тактовый кварцевый генератор по- к. т. н. верхностного монтажа с габаритами 5×3,2×1,2 мм. Приведены результаты испытаний генераторов ГК384‑П(У) на воздействие ударов одиночного [email protected] действия с пиковым ударным ускорением 40 000, 60 000 и более 80 000g Вадим Егоров с длительностью импульса от (0,1 ±0,05) мс. Генератор дополнил номенкла- туру отечественных генераторов производства АО «ЛИТ-ФОНОН» и может [email protected] быть применен в новых «умных» взрывателях для снарядов. Алексей Рыбаков [email protected] Любовь ВасильевА [email protected] Всвете современного развития высоко- ственно повысят эффективность поражения и авиационными средствами в ближней технологичного вооружения идет воздушных, наземных и надводных целей. зоне поражения. Технологии, давно освоен- изменение концепции ведения бое- Особенно целесообразно их применение ные в артиллерийских и ракетных системах вых действий. Например, США реализуют для борьбы с малогабаритными беспилот- крупных калибров, начинают применять концепцию «бесконтактной войны», кото- ными летательными аппаратами, самоле- и в малых калибрах. Программируемый рая подразумевает ведение боевых действий тами, вертолетами. Для боевых действий, взрыватель позволяет использовать на расстоянии при помощи беспилотных протекающих не на открытой местности, 30–40‑мм гранату в режиме ударного летательных аппаратов — дронов, и такти- а в городах, необходимы системы высоко- ядра/кумулятивного боеприпаса для пора- ческих ракетных систем с управляемыми точного оружия для нанесения точечных жения бронированной техники (обеспечи- ракетами. Коренным образом изменились ударов по целям, находящимся в непосред- вает пробитие брони на 40–50 мм), а также и требования к артиллерийским системам. ственной близости от своих войск и граж- запрограммировать ее на осколочное дей- Артиллерия сегодня — это высокоэффек- данского населения. Для создания таких си- ствие. Учитывая, что один «умный» высоко- тивное средство ведения вооруженной борь- стем необходимы высокоточные «умные» точный боеприпас по эффективности по- бы. Она способна решать задачи огневого взрыватели. ражения заменяет более 7–10 обычных бо- поражения противника как в городах, так еприпасов, можно, не увеличивая боеком- и в условиях природного ландшафта неза- «Умные» взрыватели находят широ- плект, поразить намного больше целей висимо от времени и погоды. При этом ар- кое применение и могут подорвать снаряд и остаться боеспособным с сохранением тиллерийский снаряд, в отличие от ракеты, в заданный момент — например, на опре- боезапаса. Таким образом, весьма актуаль- более устойчив к помехам, создаваемым деленном расстоянии до цели или над ней но и экономически эффективно примене- средствами противодействия противника. в заданной точке траектории, что позволяет ние «умных» боеприпасов с электронными поражать наземные цели: бронированную взрывателями для боеприпасов высокоточ- Появление искусственного интеллекта технику и живую силу противника в инже- ных интеллектуальных систем вооружений. у снарядов воздушного подрыва дало новый нерных сооружениях открытого типа (блок- толчок развитию малокалиберной артилле- посты, окопы и т. д.). Кроме того, такой тип Наиболее актуально использование рии как за рубежом, так и в России. Снаряды снарядов предназначен для борьбы с воз- «умных» боеприпасов в малых калибрах с «интеллектуальной системой дистанцион- душными целями (беспилотными летатель- 30–57 мм как наиболее массовых и исполь- ного подрыва» в калибрах 30–57 мм суще- ными аппаратами, крылатыми ракетами) зуемых в сухопутных, воздушных и мор- Таблица. Характеристики генераторов ГК384‑П(У) для испытаний Наименование параметра Норма Рис. 1. Внешний вид ударопрочного тактового генератора ГК384‑П(У) Потребляемый ток в установившемся режиме, мА, не более 25 Диапазон частот, МГц 1–220 Точность настройки при температуре +(25 ±5) °C, ×10–6, ±10 в пределах 1,8 ±5% 2,5 ±5% Напряжения питания, В 3,3 ±5% ±100 Температурная нестабильность рабочей частоты в интервале рабочих температур –60…+85 °C, ×10–6, в пределах 0,4 Выходное напряжение на нагрузке, В 0,9Uп уровень логического «0», не более уровень логической «1», не менее оот т0–,80U,п3дВодUоп+0,02,U3пВ Напряжение управляющего входа (на выводе «1»), В: 150 000 – в режиме работы 25 – в режиме «Выключено» Требования к безотказности (при γ = 95%), ч Требования к сохраняемости (при γ = 95%), лет КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
генераторы компоненты 17 аб Рис. 2. ТЧХ генераторов на частоту 2 МГц до и после испытаний на пиковые нагрузки 40 000 и 60 000g: а) до испытаний; б) после испытаний аб Рис. 3. ТЧХ генераторов на частоту 16 МГц до и после испытаний на пиковые нагрузки 40 000 и 60 000g: а) до испытаний; б) после испытаний ских войсках, что требует новой специали- Shock, выдерживающие пиковые нагрузки 1–220 МГц в стандартном малогабаритном зированной элементной базы. Для «умных» до 100 000g. МЭМС-генератор фирмы Vectron корпусе 53,21,2 мм [3], его основные па- взрывателей боеприпасов малокалиберного (CША) выдерживает 50 000g [1], кварцевый раметры приведены в таблице, внешний вид вооружения в качестве источников высо- генератор фирмы STATEK [2] выдерживает показан на рис. 1. костабильных тактовых сигналов требу- 100 000g. ются элементы с высокими требованиями В июне 2020 года тактовые генераторы к массогабаритным параметрам, энергопо- Тактовый генератор для «умных» сна- ГК384‑П(У) прошли испытания на воздей- треблению и жестким условиям эксплуата- рядов, как базовый элемент взрывных ствие ударов одиночного действия с пиковым ции. Основное требование — стойкость к пи- устройств, должен быть миниатюрным, ударным ускорением 40 000, 60 000, 80 000g ковому ударному ускорению, достигающему иметь малое энергопотребление, выдержи- и более. Результаты испытаний на стен- 100 000g, а также к знакопеременным нагруз- вать пиковые нагрузки. При этом для се- де «Массет» показали работоспособность кам с ускорением 10 000g. Тактовые генера- рийной роботизированной сборки взрыв- генераторов после ударов одиночного дей- торы на основе тонких кварцевых пластин ных устройств необходимо использовать ствия с пиковой нагрузкой 40 000 и 60 000g. (толщина менее 100 мкм), используемые генератор в корпусе для поверхностного На рис. 2 приведены температурно-частот- для применения во взрывных устройствах, монтажа. ные характеристики (далее — ТЧХ) до и по- должны иметь значительный конструктив- сле испытаний для генераторов на частоту но-технологический запас по механической В номенклатуре отечественного произво- 2 МГц, а на рис. 3 для генераторов на частоту устойчивости и прочности. дителя и разработчика АО «ЛИТ-ФОНОН» 16 МГц [4]. находится ударопрочный кварцевый генера- За рубежом имеются тактовые МЭМС- тор ГК108‑П (У)О в стандартном малогаба- Таким образом, результаты испытаний генераторы и кварцевые генераторы для ритном корпусе 751,6 мм, также разрабо- кварцевых генераторов ГК384‑П(У) с так- военного применения типа HGXO High тан кварцевый генератор для поверхностного товой частотой 2 и 16 МГц на воздействие монтажа ГК384‑П(У) для диапазона частот ударов одиночного действия со значением КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
18 компоненты генераторы пикового ударного ускорения 40 000 и 60 000g удароустойчивый миниатюрный тактовый доказали надежность применяемой кон- струкции. Максимальное относительное из- генератор ГК384‑П(У) для «умных» снаря- менение рабочей частоты после испытаний (∆f /f 10–6) не превысило +5,0610–6 при до- дов с габаритными размерами 53,21,2 мм. пуске ±1010–6. В настоящее время продолжается работа Гладкая форма ТЧХ свидетельствует об отсутствии механических поврежде- по расширению номенклатуры и возможно- ний чаcтотозадающих элементов изделий. Относительный уход частоты (∆f /f 10–6) стей сверхудароустойчивых тактовых генера- после воздействия ударов одиночного дей- ствия во всем интервале ТЧХ не превышает торов до уровня пикового ударного ускоре- –66,210–6 для генераторов на частоту 2 МГц и –71,910–6 для генераторов на частоту ния 100 000g. n 16 МГц, что находится в пределах нормы ±10010–6. Литература При воздействии на генераторы ударов Рис. 4. Кварцевый пьезоэлемент после испытаний 1. www.vectron.com одиночного действия со значением пиково- на воздействие ударов одиночного действия 2. www.statek.com го ударного ускорения более 80 000g произо- с пиковой нагрузкой более 80 000g 3. Генераторы кварцевые ГК384‑П. Технические шло разрушение кварцевого пьезоэлемента условия АФТП. 433526.002 ТУ. (рис. 4). 4. Бойчук М. И. Цифровой термокомпенсирован- Таким образом, в России на предпри- ный кварцевый генератор в керамическом кор- ятии АО «ЛИТ-ФОНОН» разработан сверх- пусе для поверхностного монтажа. Дисс. канд. тех. наук. М., 2019. новости беспроводные технологии Новая версия высокоинтегрированного широкодиапазонного трансивера ADRV9010 от Analog Devices ADRV9010 — это высокоинтегрированный TDD, каждый из которых имеет два входа для мо- • Полоса передатчика: до 200 МГц. радиочастотный (RF) трансивер с четырьмя неза- ниторинга выходов каналов передачи. • Поддержка дуплексной связи с временным раз- висимо управляемыми передатчиками прямого преобразования (ПП), четырьмя независимо Основные технические характеристики: делением каналов (TDD). управляемыми приемниками прямого преобра- • Диапазон частот: зования (ПП). Устройство также содержит два • Цифровой интерфейс JESD204B/JESD204C, широкополосных обзорных канала с функцией – 650–3800 МГц (ADRV9010BBCZ); восемь линий. – 650–6000 МГц (ADRV9010BBCZ-A); • Полоса приемника: до 200 МГц. • Энергопотребление: 5 Вт (max). www.teson.ru Реклама Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
разъемы компоненты 19 Как обеспечить более высокие уровни мощности для однопарного Ethernet? Использовать комбинированный подход с новым разъемом от TE Connectivity Владимир Рентюк В системах автоматизации технологических и производственных процес- сов необходимо, как известно, контролировать самые разные параметры [email protected] и характеристики. В настоящее время для этой цели наиболее популярным Геннадий Штрапенин, стандартом связи является Ethernet. Поскольку локальные сети Ethernet проводные, а датчикам и их трансиверам требуются источники питания, к. ф.-м. н. то возникает два закономерных вопроса. Почему бы не использовать ка- бель Ethernet как для передачи данных, так и для питания, и как, уменьшив [email protected] число проводов в кабеле, передать достаточную мощность? Такие системы уже сейчас используются в промышленности и, несомненно, будут играть важную роль и в дальнейшем. В предлагаемой статье описывается, как устройства Ethernet с гибридным разъемом компании TE Connectivity мо- гут реализовать эти требования. Статья подготовлена на основе документа [1] и сопровождается дополнениями и пояснениями. Введение но PoE), то есть питание через Ethernet. Здесь в 2003 году оригинальным стандартом IEEE подача питания происходит по кабелю Cat‑5 802.3af Power over Ethernet, но она эволюцио- Модификация Ethernet для нужд индустрии (кабель категории 5 — тип кабеля для пере- нировала до передачи мощности до 90 Вт, со- сейчас идет по трем основным направлени- дачи сигналов, состоящий из четырех витых хранив число пар [2]. ям. Во‑первых, организация питания через пар, используется в структурированных ка- Ethernet как он есть. Такие системы, получив- бельных системах для компьютерных сетей). Второе направление — однопарный шие название Power over Ethernet (сокращен- Эта технология определяется разработанным Ethernet (Single-Pair Ethernet, далее — SPE), в котором число пар сокращено до одной ви- той медной пары, по которой обеспечивается передача данных со скоростями до 1 Гбит/с и электропитание. Благодаря сокращению количества проводов с четырех или вось- ми в традиционных Fast Ethernet и Gigabit Ethernet до двух эта технология позволяет ис- пользовать разъемы меньшего размера и сни- зить затраты на оконечную нагрузку. Таким образом, для поддержки дополнительных сер- висов индустриального «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT) можно лег- ко и с меньшими затратами довести Ethernet до уровня датчиков и подключить датчики непосредственно к ИТ-системам (также из- вестным как облако). Предполагается, что первые реализации SPE расширят существующие системы авто- матизации за счет установки дополнитель- ных датчиков и предоставления машинных данных в облачные системы более высокого уровня. Это позволит обеспечить дополни- тельные услуги IIoT, такие как мониторинг КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
20 компоненты разъемы Рис. 1. Базовый разъем для SPE, предложение компании HARTING Рис. 2. Гибридный разъем компании TE Connectivity для SPE с отдельными силовыми контактами, допускающий подключение линии электропитания с током в нагрузке до 8 A состояния и профилактическое обслужива- по линиям данных PoDL [3], подходят токи, Предлагаемый гибридный разъем с парой ние производственного и технологическо- не превышающие уровня 1,36 А. Однако для контактов для передачи данных и питания го оборудования и даже отдельных машин более высоких токов, которые часто возни- имеет степень защиты оболочкой IP67, ко- и механизмов. Но SPE в варианте одновре- кают в такой каскадной структуре, требуется торая подразумевает пыленепроницаемое, менной передачи данных и мощности (Power уже другой подход, он связан как с техниче- водозащищенное (выдерживает погружение over Data Line, далее — PoDL) подходит скими решениями, так и кабелем и соответ- на глубину до 1 м длительностью не более для питания оконечных устройств токами, ствующими для него разъемами. 30 мин) исполнение. Кроме того, во избе- не превышающими 1,36 А, и мощности для жание помех между линией питания и ли- оконечного устройства на уровне 65 Вт. Проблема разъема для SPE нией передачи данных разъем компании TE Connectivity имеет металлический экран, Увеличить подаваемую на оконечное 23 января 2020 года международный стан- разделяющий пары контактов. Подробно устройство мощность можно с помощью вы- дарт для соединений однопарного Ethernet конструкция разъема показана на рис. 3. деленной линии. И это третье направление для промышленного применения был опу- развития индустриального Ethernet, проблемы бликован под наименованием IEC 63171-6. Предлагаемый компанией TE Connectivity реализации и преимущества которого являют- Редакция стандарта осуществлялась под- разъем для SPE и его ответная часть (ориен- ся целью данной статьи. Понятно, что, кроме комитетом SC 48B комитета IEC по медным тировочное наименование будет начинаться схемотехнической реализации такого решения соединителям. Стандарт для соединителей как RPC-SPE-M8) выполнены в стандартном и кабеля, для этого потребуются и специаль- промышленного исполнения IEC 63171-6 T1 форм-факторе M8, который довольно попу- ные разъемы, способные работать в жесткой Industrial был первым стандартом, предостав- лярен в промышленной среде и внесен в стан- индустриальной среде эксплуатации. ленным компанией HARTING подкомитету дарт IEC63171-6. Решение разъема препят- SC 48B еще в 2016 году, и предназначался для ствует взаимному влиянию линий передачи Однопарный Ethernet однопарных Ethernet-соединений. За основу электропитания и не приводит к ухудшению был взят разъем, показанный на рис. 1. передачи данных по причине наличия выс- Однопарный Ethernet (Single-Pair Ethernet, ших гармоник, например при подаче напря- SPE) по одной витой медной паре обе- Данный разъем имеет класс защиты от по- жения от импульсных источников питания. спечивает передачу данных со скоростями сторонних предметов IP20 (защита от пред- Однако для этого разъема требуется соответ- до 1 Гбит/с. Предполагается, что первые метов диаметром ≥12,5 мм, нет защиты ствующий кабель, содержащий отдельную реализации SPE расширят системы автома- от воды). В перспективе будут доступны три пару питания. В этом кабеле пара передачи тизации предприятий за счет возможности варианта соединителей SPE [4]: данных разработана в соответствии с требо- установки дополнительных датчиков и пре- • для транспортных средств (возможно ваниями стандарта IEC 61156-12 и так же, как доставления машинных данных, в том числе и в цепи разъема, должна быть дополнитель- обработанных на периферии, и так называ- несколько исполнений разных произво- но экранирована от пары передачи питания. емых больших данных, в облачные системы дителей); Сигнальная пара кабеля стандартная для ли- более высокого уровня. Это позволит обеспе- • для промышленного применения; нии данных Ethernet, а силовая пара отличает- чить дополнительные услуги IIoT, такие как • для систем автоматизации зданий. ся — она выполнена из проводов сортамента мониторинг состояния и профилактическое Не так давно в ответ на требования рынка 18AWG (диаметр 1,024 мм, площадь попереч- обслуживание производственного и техно- промышленной автоматизации компанией ного сечения медной жилы 0,823 мм2). логического оборудования и даже отдельных TE Connectivity была разработана конструк- машин и механизмов. ция разъема для промышленных сред SPE PoDL или отдельные линии с двумя парами контактов. Одна из них ис- передачи электропитания — В таких реализациях будет использовать- пользуется для передачи данных со скоро- вот в чем вопрос ся иерархическая звездообразная структура, стью до 1 Гбит/с (полоса 600 МГц), как это в которой питание для модулей ввода/выво- определено стандартом IEEE 802.3bp [5], PoDL — это очень удобный и компакт- да и датчиков на нижнем уровне необходимо а другая поддерживает передачу электро- ный способ подключения в локальной сети передавать по тому же кабелю, который ис- питания силой тока до 8 А. Интерфейс это- Ethernet, так как он объединяет питание пользуется для передачи данных. Для наи- го разъема вместе с вариантом без допол- и данные с их одновременной передачей более популярного сегмента 40 м/1 Гбит/с, нительной пары питания определен в стан- по двум сигнальным проводам. Технология ориентированного на приложения произ- дарте IEC 63171-6 [6], опубликованном определена в стандарте IEEE 802.3bu и по- водственной автоматизации на основе тех- 20 января 2020 года. Разъем TE Connectivity зволяет создавать множество новых прило- нологии одновременной передачи питания с двумя парами контактов показан на рис. 2. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
разъемы компоненты 21 аб Рис. 3. Внутреннее экранирование гибридного разъема исполнения IP67 компании TE Connectivity, предотвращающее передачу ЭМП от линий электропитания на линии передачи данных: a) вид разъема в перспективе; б) вид разъема в разрезе Рис. 4. Типовая базовая схема реализации SPE по технологии PoDL между входом питания конечного устройства PSE/PD и линиями приема/передачи данных. жений будущего, требующих более компактных и легких решений для подключения. На данный момент стандарт PoDL определен для Это хорошее решение, но иногда на практике бывают ситуации, соединения «точка-точка», которое с одной стороны имеет питающее когда оно не работает. В таком случае необходимо уйти от стандарта оборудование, названное в IEEE — Power Sourcing Equipment (PSE), PoDL. Причины могут быть разными: например, потребность в более а с другой стороны питаемое устройством Powered Device (PD). высоких уровнях мощности, которые необходимы для питания элек- тродвигателей. Кроме того, может быть важна большая гибкость в от- Естественно, когда питание подается на линию данных или от- ношении того, как для обеспечения питания нескольких каскадных водится от нее, это не должно мешать передаче данных. Типичная PD оптимально распределять мощность по сегменту локальной сети. схема, которую можно использовать для подключения микросхемы Другой вероятной причиной отказа от PoDL становится потребность физического уровня (PHY) и питания к линиям данных, показана в гальванической развязке между данными и питанием. Последнее на рис. 4. могло бы, скажем, уменьшить проблемы фильтрации помех в ли- ниях питания, наводимых на сигнальные линии. Это также важ- Для этого, как видно из общей схемы, приведенной на рис. 4, сиг- ная причина внимательно посмотреть на предлагаемый компанией нал и питание подаются через разъем MDI, при этом базовое решение TE Connectivity гибридный разъем, имеющий отдельную пару для пе- конечного запитываемого устройства SPE разделено на блок пита- редачи питания. Его достоинство в том, что он по-прежнему предла- ния PSE/PD и интерфейс SPE (PHY). Для подавления синфазных гает одно решение для подключения данных и питания в небольшом ЭМП на стороне нагрузки, в сочетании с синфазной терминацией форм-факторе стандартных разъемов M8, но его силовые контакты (CM termination) и конденсаторами (DC block), требуется включение выдерживают ток до 8 А. Ниже подробно обсуждаются возможности синфазного дросселя (CMC). Конденсаторы необходимы для раз- и особенности применения этого гибридного разъема. деления сигналов, представленных напряжением переменного тока, и питания, которое является напряжением постоянного тока. Проблема передачи мощности электропитания Важно отметить еще одну деталь: для того чтобы линии питания С PoDL наивысший уровень мощности, который может быть до- не мешали сигналам данных, они должны быть подключены путем ставлен на PD с максимальным током 1,36 А, составляет около 65 Вт. добавления к линиям SPE фильтра нижних частот (Low pass filter Для этого также требуется максимальное напряжение 60 В постоян- на рис. 4) или только последовательных катушек индуктивности ного тока со стороны PSE (в результате на PD должно быть не менее 48 В постоянного тока). Более высокие значения нагрузки по току предлагаемого компанией TE Connectivity гибридного соединителя обеспечивают передачу более высоких уровней мощности. В конеч- ном итоге получаемые уровни мощности зависят от допустимого Рис. 5. Общая схема передачи энергии электропитания: слева — источник питания (PSE); справа — подключенное питаемое устройство (PD) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
22 компоненты разъемы Рис. 6. Падение напряжения в зависимости от передаваемой мощности и тока для медного провода 18AWG падения напряжения и допустимого коли- В левой части рис. 6 мы видим, что при щем оборудовании, равном 60 В, мощность чества потерь в кабеле. Чтобы получить увеличении мощности напряжение на на- может быть близка к 200 Вт, а для передачи представление о возможных передачах мощ- грузке упадет, что вызвано увеличением на 20 м и менее — она увеличится до 400 Вт. ности, мы предлагаем базовую установку, тока в паре питания. Когда падение напря- которая описана в [7] и показана на рис. 5. жения составляет 50%, количество переда- Что дает гальваническая развязка ваемой мощности является максимальным, На рис. 5 слева изображено питающее но обычно этот максимум не используется В технологии PoDL, как уже было сказа- оборудование, представленное источником из-за проблем со стабильностью, которые он но, данные и питание объединяются в од- питания (PSE), который служит источником может вызвать для функционирования PD. ной паре проводов. Таким образом, можно напряжения с неким внутренним сопротив- использовать простой двухжильный кабель лением Rsrc. Вторая часть — это кабель с по- Большинство электрических устройств небольшого сечения (также из-за регламента- терями, а справа у нас подключено питаемое допускает минимальное напряжение на 10% ции силы тока на уровне, не превышающем устройство (PD), которое может быть пред- ниже номинального. Предполагая, что паде- 1,5 А). Обратной стороной этого решения яв- ставлено эквивалентным сопротивлением ние напряжения на кабеле составляет 10%, ляется то, что во избежание помех при пере- нагрузки Rload, требующим определенного энергоэффективность передачи будет при- даче данных существуют строгие требования диапазона питающих напряжений. С помо- мерно равна 80%. Это значение падения в отношении ЭМС и скорости изменения щью того, как представлена линия передачи напряжения показано маленьким черным уровней мощности. Последнее имеет место мощности электропитания, мы можем опре- кружком. Обратите внимание, что для PoDL при включении и выключении исполнитель- делить мощность и ток, передаваемые по ка- падение напряжения может достигать 20%. ных устройств в нагрузке, так называемый белю определенной длины. Если мы примем, Результаты на рис. 6 показаны для кабелей сброс/наброс нагрузки. Типичные помехи, ко- что передача осуществляется по медному длиной 20 и 40 м, и, как и ожидалось, длина торые можно ожидать на линиях электропе- проводу 18AWG, и для упрощения пренебре- кабеля явно влияет на то, сколько мощности редачи, — это пульсации напряжения, исходя- гаем внутренним сопротивлением источника может быть передано в нагрузку. Для мак- щие от импульсных источников питания или питания Rsrc, то получим результаты, пред- симальной длины 40 м мы видим, что при от исполнительных механизмов. Поэтому для ставленные на рис. 6. напряжении источника питания в питаю- КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
разъемы компоненты 23 Рис. 9. Спектр пакета импульсов, показанный на рис. 7 и 8 Рис. 7. Идеальная форма одиночного импульса при нагрузке 50 Ом Однако более неприятные помехи могут исходить от приводов, с номинальными параметрами tr = 5 нс и tw = 50 нс например коллекторных двигателей постоянного тока. Они мо- гут создавать всплески, которые становятся серией очень корот- подавления помех при реализации PoDL, особенно в промышленных ких во временной области импульсов и, соответственно, создают условиях, важно использовать хорошие схемы фильтрации. Благодаря помехи в широкой полосе частот. Стандарт IEC 61000-4-4 описы- разделению и даже экранированию линий питания от пары данных, вает испытательную установку для проверки на устойчивость помехи от линий передачи электропитания оказывают гораздо мень- электрических систем к таким всплескам1. Стандарт IEC 61000-4-4 шее влияние на линии данных. И это большой плюс. (как и ГОСТ IEC 61000-4-4-2016) определяет воздействующий им- пульс, как показано на рис. 7, а пример формирования пачек им- Для того чтобы определить качество экранирования, нам нужно пульсов — на рис. 8. понимать, какую помеху следует подавлять. Один тип помех исходит от импульсных источников питания, которые при правильном схемно- Что касается воздействия такого процесса на линии SPE, оно опре- конструктивном исполнении и должном функционировании обычно деляется спектром, который зависит от вклада каждого из параметров имеют пульсации выходного напряжения в пределах 0,25–1 В. импульсов. Для этой цели предпочтительно пользоваться методикой, предложенной в [8]. В оригинале статьи приведен для справки спектр пакета (рис. 9), который указывает на то, что помехи в основном генерируются в нижнем мегагерцевом диапазоне. Это означает, что 1 В РФ здесь действует ГОСТ IEC 61000-4-4-2016 «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пач- кам)». Стандарт идентичен международному стандарту IEC 61000-4-4:2012* Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 4-4: Testing and measurement techniques — Electrical fast transient/burst immunity test, IDT. Рис. 8. Представление электрических быстрых переходных процессов (пачек) www.kite.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
24 компоненты разъемы Рис. 10. Подавление посторонних перекрестных помех в испытательной установке, логии PoDL возможно только двухточечное соединение. В настоя- как определено в IEEE 802.3bp щее время ведутся исследования по расширению PoDL для питания нескольких PD с помощью одного PSE, однако они сосредоточены снижение влияния именно относительно низкочастотного шума — только на мультимедийной системе 10BASE-T1. С дополнительной здесь главный приоритет. линией питания и гибридного разъема можно запитать более одного PD, как объяснено ниже, и, конечно же, дополнительно использовать Чтобы получить представление об уровне помех, с которым мо- и преимущества технологии PoDL. жет справиться микросхема физического уровня SPE, мы можем руководствоваться двумя стандартами IEEE. В IEEE 802.3bu, кото- В случае если PoDL и раздельное питание используются допол- рый описывает PoDL, существует требование, чтобы максимальное нительно, сеть для распределения электропитания может быть раз- напряжение пульсаций 0,1 В (п‑п) было разрешено для диапазона делена на сеть, подавляющую помехи от всех видов исполнительных частот 1 кГц – 10 МГц, вызванного PSE или PD. Из IEEE 802.3bp, опре- механизмов на отдельных линиях электропередачи, и сеть PoDL, деляющего мультимедийную систему 1000BASE-T1, у нас есть требо- питающую только SPE-микросхемы физического уровня. Примеры вание по подавлению посторонних перекрестных помех. На рис. 10 возможных топологий для узлов питания в сети показаны на рис. 11. показана соответствующая тестовая схема, в которой источник помех обеспечивает ее генерацию с гауссовым распределением и величиной В примерах, приведенных на рис. 11, распределение мощности –100 дБм/Гц для сегмента линии связи длиной до 40 м, где микросхе- по отдельным линиям электропитания может конфигурироваться ма физического уровня должна обеспечить функционирование без по схеме «точка-точка», если нам нужно иметь большую мощность потери данных. Вышеупомянутые требования могут использоваться электропитания для одного PD (рис. 11а). Его также можно использо- при моделировании и измерениях для проверки устойчивости линии вать по шине питания (рис. 11б) или с переключением (рис. 11в) для SPE с гибридным разъемом и кабелем к внешним помехам. питания нескольких исполнительных механизмов, которые могут генерировать излишне большой уровень ЭМП. Наконец, когда мощ- Распределение мощности электропитания ности недостаточно, в PSE всегда можно добавить еще одну линию питания (рис. 11г). Другая возможность, которую дают разделенные силовые и сиг- нальные линии SPE, — это повышенная гибкость при реализации Заключение распределения мощности в сетях. В конструкциях на основе техно- В статье рассмотрен перспективный разъем компании TE Con- nectivity, дополняющий существующие серии разъемов для одно- парного Ethernet. В отличие от интерфейса SPE, который может передавать питание по технологии PoDL, используя одну пару как для передачи сигналов, так и для передачи мощности электропита- ния, разъем от компании TE Connectivity содержит дополнитель- ные контакты питания, но при этом выполнен в небольшом форм- факторе разъема M8. Хотя кабель, подключенный к такому разъему, будет немного тяжелее и больше в диаметре, он обеспечивает воз- можность более высоких уровней тока, чем это достижимо с PoDL, и, таким образом, обеспечивает более высокую мощность, подводи- мую к питаемым устройствам. Применение решения с двумя парами также обеспечивает большую гибкость в сетевых топологиях. Кроме того, в этом случае проще подавлять помехи от линии питания а б вг Рис. 11. Гибридный разъем в сетевой топологии: а) «точка-точка»; б) питание от шины; в) возможность переключения; г) питание от шины с дополнительными точками увеличения мощности электропитания КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
разъемы компоненты 25 на линию передачи данных. Это делает перспективный разъем ком- 3. IEEE802.3bu — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 8: Physical Layer and Management Parameters for Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced пании TE Connectivity привлекательным кандидатом для сетей, Twisted-Pair Ethernet. 2016. в которых исполнительные механизмы и датчики устанавливают- 4. Шмидт Р. Развитие однопарного Ethernet // Control Engineering Россия. Июль 2020. ся непосредственно на машинах. Сегодня уже доступна предвари- 5. IEEE 802.3bp — IEEE Standard for Ethernet Amendment 4: Physical Layer тельная спецификация на розетку RPC-SPE-M8‑FF‑4CON-LBUS Specifications and Management Parameters for 1 Gb/s Operation over a Single Twisted-Pair Copper Cable. 2016. под вилку рассматриваемого разъема, а спецификация на вилку 6. IEC 63171-6: Connectors for electrical and electronic equipment — Part 6: Detail ожидается уже в ближайшее время [9]. n specification for 2‑way and 4‑way (data/power), shielded, free and fixed connectors for power and data transmission with frequencies up to 600 MHz. 2020. Литература 7. Darshan Y. IEEE P802.3bu. September, 2014. www.ieee802.org/3/bu/public/ 1. van Gils W., Jaeger P., Hilgner M. Higher Power Levels for Single Pair Ethernet. jan14/index.html TE Connectivity, October 2020. www.te.com/commerce/DocumentDelivery/ DDEController?Action=showdoc&DocId=Data+Sheet%7F5-1773984- 8. ГОСТ IEC 61000-4-4-2016 «Электромагнитная совместимость (ЭМС). 7%7F2010%7Fpdf%7FEnglish%7FENG_DS_5-1773984-7_2010.pdf Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам)». 2. Бранд Т. Технология PoE: питание сетевых устройств через линии передачи данных. Решение компании Analog Devices // Компоненты и технологии. 9. www.te.com/usa-en/search.html?q=SPE%2BM8&source=header 2020. № 5. новости источники питания Импульсный преобразователь в формате микромодуля от Analog Devices Компания Analog Devices выпустила импульсный Управлять режимом работы LTM4681 можно При запуске выходное напряжение, частота пере- преобразователь в формате микромодуля LTM4681. по двухпроводному последовательному интер- фейсу. Можно запрограммировать задержку ключения и угол сдвига фаз между каналами могут LTM4681 — готовый миниатюрный и высокоэф- включения для каждого выхода, скорость нарас- фективный блок питания в форм-факторе микро- тания и спада напряжения. Встроенные средства быть заданы с помощью внешних резисторов. модуля. В своем составе LTM4681 имеет четыре контроля позволяют считывать текущие и пиковые импульсных преобразователя, каждый из кото- значения входного и выходного тока, входного Основные технические характеристики: рых способен отдать в нагрузку ток величиной и выходного напряжения, выходную мощность, до 31,25 А. Выходы всех преобразователей можно температуру, время безотказной работы. Впрочем, • максимальный суммарный выходной ток: до 125 А; объединить и получить таким образом максималь- настройка содержимого EEPROM не обязательна. • диапазон входных напряжений: 4,5–16 В; ный выходной ток до 125 А с одного микромодуля. • диапазон выходных напряжений: 0,5–3,3 В; • корпус: 6,25×11,25×2,22 мм; • тип корпуса: BGA 12 выводов (15×22×8,17 мм). www.teson.ru Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
26 компоненты элементы защиты Как выбрать надежную защиту для цепей питания и других элементов схемы? Диармуид Кэри (Diarmúid Carey) Вне зависимости от области деятельности производители неизменно стре- мятся внедрять в свою продукцию новые технологии и идеи, сохраняя при этом баланс между ними и проверенными и надежными решениями. Поиск и достижение баланса, позволяющего обеспечить должный уровень надежности, низкую стоимость и простоту конструкции, — далеко нетриви- альная задача для разработчика. Внедрение новых технологий и подходов особенно затруднительно в системах, отвечающих за защиту электронных устройств, это, можно сказать, противоречит самой их природе. Такие си- стемы призваны защищать чувствительные и дорогостоящие электронные компоненты (ПЛИС, ASIC, микропроцессоры и т. д.) и требуют обеспечения нулевой частоты отказов. Введение защиты, и одной из проблем, с которыми проблемы, возникающие в процессе рабо- сталкивается разработчик, становится под- ты устройств, а также приводится сравнение Трудно представить систему защиты бор подходящего решения для конкретной систем защиты, построенных на дискретных без таких проверенных временем компо- системы. Далее в статье приводится описание компонентах, и новых, альтернативных ре- нентов, как TVS-диоды, предохранители средств защиты от компании ADI, их функ- шений, которые предлагают разработчикам и LC-фильтры, однако, несмотря на свою ционал, а также плюсы и минусы в сравне- более высокую точность, надежность и гиб- надежность, они часто имеют низкую эф- нии с традиционными компонентами. кость конструкции. фективность, громоздкие размеры и услож- няют процесс обслуживания устройства. Увеличение количества электронных Зачем нужны системы защиты? Альтернативой является применение актив- устройств, используемых в промышлен- ных средств защиты на основе микросхем, ности, а также рост функций, за работоспо- Автомобильные, промышленные, ком- которые уже доказали свою способность собность которых отвечает центральный муникационные и авиационные электрон- соответствовать тем же требованиям, что процессор, микроконтроллер или ПЛИС, ные системы функционируют в условиях, и традиционные компоненты, при этом пре- повышают требования к системам защиты. где неизбежны скачки тока и напряжения восходя их по многим параметрам. Такие системы должны иметь высокую на- (рис. 1). В каждой из этих областей суще- дежность, быстро реагировать на скачки тока ствуют определенные стандарты и специфи- В настоящее время на рынке присутствует и напряжения и при этом иметь компактные кации, определяющие требования к элек- большое количество активных компонентов размеры. В статье описываются основные тронному оборудованию с точки зрения изменения параметров цепи питания во вре- мя переходных процессов. Например, для автомобильных электронных систем эти параметры отражены в спецификациях ISO 7637-2 и ISO 16750-2, в которых описаны как сами переходные процессы, так и мето- дики тестирования оборудования для про- верки на соответствие требованиям безопас- ности и надежности. Величина и длительность скачков напря- жения во время переходного процесса мо- жет варьироваться в зависимости от области применения электронного оборудования, при этом элементы схемы неизбежно бу- дут подвергаться воздействию перенапря- жения, перегрузки по току, обратного на- пряжения или обратного тока. В конечном итоге устройство может полностью выйти из строя, если в его схеме не предусмотрены специальные цепи защиты. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 27 Рис. 1. Примеры переходных процессов, используемых в тестировании согласно ISO 16750-2 Проблемы проектирования и разработки Традиционные схемы защиты Существует множество причин возникновения переходных про- Если учесть многообразие типов возможных переходных процес- цессов в различных средах, однако в некоторых из этих сред чаще, сов, главным вопросом для разработки становится выбор наиболее чем в других, возникает нежелательных скачков тока и напряжения. универсальных компонентов, которые бы могли быть использованы Общеизвестно, что устройства, работающие в автомобильной, про- для построения цепей защиты в различных отраслях. мышленной и коммуникационной средах, наиболее часто подверга- ются потенциально опасным ситуациям, способным нанести вред как Традиционные схемы защиты подразумевают применение самим устройствам, так и другой электронике, подключенной к той же нескольких компонентов, каждый из которых играет свою роль: TVS- цепи. Однако риск возникновения скачков тока и напряжения не огра- диод отвечает за подавление скачков напряжения во время переход- ничивается приведенными средами. Любое приложение, которое под- ного процесса, предохранитель — за защиту от перегрузки по току, разумевает работу от источника высокого напряжения или тока, а так- последовательный диод — за защиту от обратного тока аккумулято- же приложения, поддерживающие горячее подключение источников ра/источника питания, конденсаторы и катушки индуктивности — энергии или имеющие в своем составе двигатели, являются потенци- за фильтрацию сигнала и т. д. И хотя традиционные схемы, постро- альными кандидатами на включение в них схем и цепей защиты. При енные на дискретных компонентах, вполне способны обеспечить проектировании схем защиты следует учитывать, что скачки напряже- должный уровень защиты, они значительно усложняют процесс про- ния могут происходить в широком временном интервале, от несколь- ектирования и разработки из-за громоздких размеров и необходимо- ких микросекунд до сотен миллисекунд. сти точного подбора номиналов для достижения требуемых характе- ристик схемы (рис. 2). Простым примером переходного процесса, вызывающего скачок напряжения, служит сброс нагрузки во время кратковременного от- Рис. 2. Дискретные компоненты, используемые в традиционных схемах защиты ключения генератора автомобиля от цепи аккумулятора. В результате зарядный ток с генератора, который должен был поступать в аккуму- Разберем более подробно перечисленные компоненты и рассмо- лятор, передается в шину питания, что повышает напряжение на ней трим основные достоинства и недостатки их применения. до довольно высоких значений (>100 В) на сотни миллисекунд. TVS-диоды Устройства, используемые в коммуникационных средах, также мо- TVS-диоды представляют собой довольно простой тип элементов, гут быть подвержены воздействию скачков напряжения, вызванных, например, заменой сетевых карт во время работы или поражением которые помогают защитить устройство от скачков напряжения в ис- электростатическим разрядом внешней антенны. Кроме того, вероят- точнике питания. В общем случае все компоненты, защищающие но возникновение всплеска напряжения из-за выброса заряда, нако- от скачков напряжения, можно условно разделить на несколько ка- пленного в паразитных индуктивностях, что особенно актуально при тегорий в зависимости от их характеристик, в частности от времени использовании длинных кабелей на крупных объектах. срабатывания (таблица). В конечном итоге разработчику приходится учитывать все особен- ности среды, в которой будет эксплуатироваться устройство, а также стандарты и спецификации, описывающие основные требования безопасности и защиты в данной отрасли. Все это позволит создать систему защиты, имеющую наиболее оптимальные характеристики с точки зрения надежности, дизайна и стоимости, а также обеспе- чивающую бесперебойную и безопасную работу не только самого устройства, но и другого оборудования, подключенного к той же цепи питания. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
28 компоненты элементы защиты Таблица. Время срабатывания различных компонентов всего устройства. Еще одна проблема заклю- бранного элемента. Даже для быстродейству- для защиты от скачков напряжения чается в том, что размер данного типа ком- ющих предохранителей время срабатывания понентов варьируется в зависимости от их может находиться в диапазоне от сотен ми- Тип компонента Время срабатывания номинального значения напряжения, что кросекунд до единиц миллисекунд, и разра- в некоторых случаях затрудняет разработку ботчик обязан учитывать энергию, выделя- TVS-диод ~1 пс устройства. И даже если TVS-диод имеет под- емую в течение этого времени в цепь, чтобы Металлооксидный варистор (MOV) ~1 нс ходящие размеры, расположенные на выходе гарантировать сохранность подключенных <1 мкс цепи элементы должны быть способны рабо- к ней компонентов. Лавинный диод/стабилитрон <5 мкс тать с фиксированным значением напряже- Газоразрядная трубка (GDT) ния, полученным в результате ограничения Последовательный диодный всплеска на входе, что приводит к росту тре- ограничитель Несмотря на то, что представленные бований к компонентам цепи. в таблице типы элементов различаются Некоторые устройства могут быть под- по структуре и характеристикам, они име- Встроенный предохранитель вержены периодическому отключению и по- ют одинаковый принцип работы, заключа- Одним из наиболее распространенных вторному включению питания, в частности ющийся в шунтировании избыточного тока устройства с питанием от батареи или акку- в момент превышения напряжением поро- методов организации защиты от перегруз- мулятора. Не существует никаких гарантий, гового значения. TVS-компоненты имеют ки по току является использование предо- что при повторном подключении питания высокую скорость реакции, что позволя- хранителя, номинал срабатывания которого будет соблюдена правильная полярность. ет снижать напряжение до номинального превышал бы значение максимально допу- Как следствие, таким устройствам необходи- уровня в течение очень короткого времени. стимого тока в цепи, например, на 20% (зна- мо наличие соответствующей системы защи- Например, время срабатывания TVS-диода чение будет зависеть от типа цепи, а также ты, которая может быть построена на основе составляет около 1 пс, в то же время GDT ре- от режима работы нагрузки). Однако основ- диода, включенного последовательно в цепь агирует медленнее (несколько микросекунд), ной проблемой использования предохрани- питания. Данное решение является простым но может работать с гораздо более высокими телей становится необходимость их замены и эффективным, однако следует учитывать, значениями напряжения. после сгорания. Таким образом, хотя предо- что значение рассеиваемой на диоде мощ- хранители позволяют сэкономить время ности будет соразмерно уровню падения на- На рис. 3 показан пример простой реали- и средства во время производства, они также пряжения на нем. В слаботочных цепях это зации защитной цепи на основе TVS-диода. увеличивают затраты на последующее обслу- не становится большой проблемой, однако, В нормальных условиях TVS-диод имеет вы- живание устройств, особенно если блок пре- когда речь идет о современных сильноточ- сокое сопротивление, и напряжение с вхо- дохранителей находится в труднодоступном ных шинах, разработчику приходится искать да беспрепятственно поступает на нагрузку. для оператора месте. Процесс обслуживания альтернативные решения. На рис. 4 показана Когда же напряжение на входе превышает может быть упрощен за счет использования обновленная схема с рис. 3 с добавленным пороговое значение, через TVS-диод начи- самовосстанавливающихся предохраните- в цепь последовательным диодом для защи- нает течь ток на «землю», снижая уровень лей, принцип действия которых основан ты от напряжения обратной полярности. напряжения в схеме. Таким образом, хотя на резком увеличении сопротивления в зави- напряжение на шине питания поднимается симости от температуры во время превыше- Фильтры на основе индуктивностей выше рабочего значения, это никак не влияет ния током порогового значения: повышен- и конденсаторов на выходную цепь. ный уровень тока увеличивает температуру в цепи, что приводит к срабатыванию предо- Описанные выше компоненты призва- Несмотря на то, что TVS-диоды довольно хранителя. ны ограничивать ток и напряжение в схеме эффективны в подавлении кратковремен- до определенного уровня, однако они никак ных скачков напряжения, они слабо защи- Помимо проблем с обслуживанием, еще не влияют на помехи, возникающие во вре- щены от его длительного воздействия, что одним минусом использования предохра- мя переходных процессов, уровень которых приводит к необходимости их регулярного нителей является их время срабатывания ниже порогового значения. Эти помехи по- мониторинга или замены для сохранения (размыкания цепи), которое может сильно прежнему могут оказывать негативное вли- нормальной работы устройства. Выход варьироваться в зависимости от типа вы- яние на компоненты схемы и должны быть из строя TVS-диода в цепи защиты может повлечь за собой потерю работоспособности Рис. 3. Пример традиционной схемы защиты от скачков напряжения Рис. 4. Добавление последовательного диода защищает от обратной полярности, на основе TVS-диода но падение напряжения на нем может стать проблемой в сильноточных системах КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 29 отсеяны при помощи цепей фильтрации, построенных, например, на основе емкостных и индуктивных фильтров. Номинал приме- няемых в фильтрующих цепях индуктивностей и конденсаторов должен соответствовать требуемому уровню фильтрации. С увеличе- нием номинала компонентов, как правило, увеличивается их размер, а сама система требует проведения тестирования и измерения пара- метров фильтра перед тем, как данные компоненты будут включены в спецификацию. Недостатком применения таких фильтров стано- вится их стоимость, которая сопровождается возросшими требова- ниями к площади платы, а также усложнением процесса разработки, связанным с необходимостью учета допусков номиналов компонен- тов, меняющихся в зависимости от уровня устаревания и температу- ры работы. Активные элементы защиты: ограничители перенапряжения Одним из способов преодоления проблем, связанных с приме- Рис. 5. Упрощенная схема включения микросхемы ограничителя перенапряжения нением в системах защиты дискретных компонентов, становится использование вместо них специальных микросхем — ограничите- Рис. 6. Схема включения линейного ограничителя перенапряжения LT4363 лей напряжения. Такие микросхемы устраняют необходимость ис- пользования громоздких шунтирующих схем на основе TVS-диодов, Для защиты транзистора микросхема ограничивает время работы предохранителей, фильтрующих индуктивностей и конденсаторов в области высоких потерь при помощи специального емкостного и требуют для контроля тока и напряжения только наличия после- таймера ошибки (FAULT timer). довательно подключенного N‑канального MOSFET. Таким образом, Ограничители перенапряжения с переключаемым значением микросхемы-ограничители могут значительно упростить конструк- цию схемы и процесс разработки, поскольку их использование боль- Данный тип микросхем ограничивает выходное напряжение ше не требует поиска компромисса между номиналом, характеристи- MOSFET на уровне, заданном при помощи внутреннего или внеш- ками и размером посадочного места. него переключателя (например, 31,5 или 50 В), при этом уровень выходного напряжения также зависит от порогового напряжения Микросхема-ограничитель непрерывно контролирует входное транзистора. Так, при установке внутреннего переключателя на уро- напряжение и ток. При нормальных условиях работы (ток и напря- вень ограничения 31,5 В и пороговом напряжении MOSFET, рав- жение не превышают порогового значения) затвор MOSFET открыт ным 5 В, напряжение на выходе схемы составит 26,5 В. В тех случаях, и ток беспрепятственно протекает от входа к выходу. Как только когда фиксированных значений, определяемых внутренними пере- напряжение в схеме начинает превышать пороговое значение (оно определяется цепью обратной связи на выходе), ограничитель пере- напряжения начинает регулировку затвора MOSFET таким образом, чтобы напряжение на его выходе находилось на уровне, установлен- ном резистивным делителем. На рис. 5 показана упрощенная схема включения микросхемы ограничителя перенапряжения, а также результаты ее работы при всплеске напряжения на входе 100 В и номинальном значении на- пряжения шины 12 В. Результатом работы ограничителя является снижение уровня напряжения во время всплеска до 27 В. Некоторые микросхемы, помимо ограничения напряжения, предотвращают воз- можную перегрузку по току при помощи токочувствительного ре- зистора (автоматический выключатель на рис. 5), на основе падения напряжения на котором происходит управление затвором MOSFET с целью ограничения тока, подаваемого в нагрузку. Микросхемы ограничителей перенапряжения условно можно раз- делить на четыре типа в зависимости от их реакции и механизма работы: • линейные ограничители перенапряжения; • ограничители перенапряжения с переключаемым значением вы- ходного напряжения; • импульсные ограничители перенапряжения; • контроллеры защиты/разъединители цепи. Выбор того или иного типа ограничителя перенапряжения в пер- вую очередь зависит от области применения. Ниже дается сравнение принципов работы различных типов ограничителей и описаны их основные преимущества. Линейные ограничители перенапряжения Линейный ограничитель перенапряжения управляет MOSFET по тому же принципу, что и линейные регуляторы: ограничивает уро- вень выходного напряжения до заранее запрограммированного зна- чения, рассеивая избыточную мощность на самом MOSFET (рис. 6). КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
30 компоненты элементы защиты Рис. 7. Схема включения ограничителя перенапряжения с переключаемым Рис. 8. Схема включения импульсного ограничителя перенапряжения LTC7860 значением LTC4380 ключателями, недостаточно, разработчик может установить уровень Подавление скачков напряжения ограничения извне, при помощи соответствующего вывода микро- без отключения от сети схемы (рис. 7). В большинстве приложений требуется возможность подавления Импульсные ограничители перенапряжения скачков напряжения без отключения устройства от цепи питания. Для приложений, работающих с высокими значениями мощности, Использование линейных ограничителей перенапряжения или огра- ничителей с переключаемым значением в данном случае позволит оптимально использование импульсных ограничителей перенапря- обеспечить бесперебойную работу устройства, сохранив при этом жения. Так же, как и описанные выше типы микросхем, импульсный должный уровень защиты (при условии, что уровни мощности были ограничитель полностью открывает MOSFET во время нормальной подобраны в соответствии с топологией схемы и выбранным поле- работы. Основные же различия проявляются в момент обнаружения вым транзистором). всплеска напряжения на входе схемы: при превышении напряжения выше порогового значения регулировка работы транзистора про- исходит по тому же принципу, что и в DC/DC-преобразователях, а выходное напряжение схемы устанавливается на заданном уровне (рис. 8). Контроллеры защиты/разъединители цепи Микросхемы данного типа официально не относятся к ограни- чителям перенапряжения, однако они также позволяют защитить компоненты схемы от всплесков напряжения на входе. Как и огра- ничители, контроллеры защиты срабатывают при превышении на- пряжением или током порогового значения, но вместо ограничения или регулирования выходного напряжения они отключают выход- ную цепь, что позволяет полностью обезопасить подключенные к ней компоненты. Контроллеры защиты, как правило, представля- ют собой довольно компактное решение и прекрасно подходят для применения в портативных приложениях с батарейным питанием. На рис. 9 показана схема включения микросхемы контроллера за- щиты LTC4368. Контроллер отслеживает значение входного напряжения и от- ключает выходную цепь схемы через последовательно соединенные MOSFET в тех случаях, когда напряжение выходит за пределы окна допустимых значений, определяемых резистивным делителем на вы- водах OV/UV. MOSFET, соединенные согласно схеме с рис. 9, также позволяют обеспечить защиту от подключения с обратной поляр- ностью, а токочувствительный резистор на выходе создает защиту от перегрузки по току. Характеристики ограничителей перенапряжения Для того чтобы выбрать наиболее подходящий ограничитель пере- Рис. 9. Схема включения контроллера защиты LTC4368 напряжения для конкретного приложения, необходимо в первую очередь выяснить, каким функционалом он обладает и на выполне- ние каких задач рассчитан. Основные характеристики ограничителей, предлагаемых компанией Analog Devices, доступны в сводной табли- це в [6]. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 31 снижении уровня тока по тому же прин- ципу, что и со всплесками напряжения. Ограничение тока позволяет обезопасить не только компоненты в выходной цепи, но и MOSFET-транзистор. Защита от обратной полярности Некоторые ограничители перенапряжения обладают широкими эксплуатационными возможностями, позволяющими в том чис- ле выдерживать отрицательное напряжение до –60 В, что в свою очередь разрешает орга- низовать на их основе цепи защиты от воз- действия напряжения обратной полярности. На рис. 10 показан пример реализации та- кой схемы защиты на основе ограничителя LT4363 и MOSFET-транзисторов. При нор- мальной работе транзисторы Q2 и Q1 управ- ляются выводом GATE, а Q3 не оказывает на них никакого влияния. В случае смены по- лярности Q3 включается, подтягивая затвор Q2 к отрицательному входу и изолируя Q1, тем самым защищая выход схемы. Для приложений, подразумевающих ра- боту с широким диапазоном входных на- пряжений, оптимальным вариантом будет использование ограничителя перенапряже- Рис. 10. Схема защиты от напряжения обратной полярности на основе LT4363 ния с плавающей топологией, способного работать с высокими напряжениями незави- симо от допустимых напряжений внутрен- Таймер ошибки цепи, но и обезопасить MOSFET-транзистор них цепей микросхемы. При использовании В тех случаях, когда работа устройства от длительного воздействия высокого на- ограничителя с плавающей топологией, происходит при постоянных подключени- пряжения. Следует отметить, что некоторые такого как LTC4366, микросхема работает ях/отключениях питания, требуется органи- ограничители также оборудованы функцией с напряжением, которое оказывается ниже зовать должный уровень защиты от скачков повторного включения транзистора после выходного, что расширяет рабочий диапа- напряжения для MOSFET. Решением, кото- его остывания. зон схемы. В обратную цепь ограничителя рое бы позволило всегда оставаться транзи- (VSS) включен резистор, который позволяет стору в безопасной рабочей области (SOA), Защита от перегрузки по току микросхеме «плавать» вместе с напряжением может стать таймер ошибки. Реализация Многие микросхемы-ограничители, поми- питания. Максимальное напряжение скачков данного таймера представляет собой конден- мо подавления скачков напряжения, оснаще- ограничивается параметрами внешних рези- сатор на выводе ограничителя перенапряже- ны и функцией защиты схемы от перегрузки сторов и MOSFET. На рис. 11 показана схема, ния, подключенный на «землю». При повы- по току. Защита основана на измерении па- которая выпрямляет напряжение 110 В AC шении входного напряжения схемы выше дения напряжения на токочувствительном до 160 В DC и защищает нагрузку от случай- порогового значения внутренний источник резисторе, включенном последовательно ного подключения к 220 В AC, ограничивая ограничителя начинает заряжать конденса- в цепь, и отключении выходной цепи или выходной сигнал на уровне 200 В DC. тор. Как только уровень заряда на конден- саторе достигает определенного порогового значения, на соответствующем выводе ми- кросхемы появляется низкий уровень сиг- нала — это указывает, что MOSFET скоро выйдет из строя ввиду длительного нахожде- ния под воздействием высокого напряжения. При последующем повышении напряжения на конденсаторе и достижении им очередно- го порогового значения, на выводе микросхе- мы, ответственном за управление затвором MOSFET, устанавливается низкий уровень и транзистор отключается от цепи. Скорость изменения напряжения на кон- денсаторе таймера зависит от напряжения на MOSFET: чем выше напряжение на тран- зисторе, тем быстрее сработает таймер. Функция таймера позволяет схеме не толь- ко выдерживать кратковременные скачки напряжения, сохраняя работоспособность Рис. 11. Схема включения ограничителя перенапряжения с плавающей топологией LTC4366 компонентов, подключенных к выходной КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
32 компоненты элементы защиты Выбор подходящего ограничителя а также другие особенности, способные по- работчикам реализовать надежные, гибкие для конкретного приложения влиять на конструкцию схемы. и компактные системы защиты и тем самым обезопасить свои устройства от резких скач- Использование микросхем ограничите- Примеры результатов применения филь- ков напряжения, перегрузок по току и дру- лей перенапряжения в значительной мере тров для поиска ограничителей перенапря- гих негативных воздействий в соответствии упрощает разработку и построение схем за- жения в соответствии с требованиями при- со стандартами автомобильной, аэрокосми- щиты. Вместо выбора номинала и подбора ложения: ческой или коммуникационной отрасли. n размеров дискретных элементов разработ- • ограничители перенапряжения чик может подобрать нужную микросхему Литература на основе сводных таблиц, предлагаемых для высоковольтных схем [7]; производителем, в которых указаны не толь- • ограничители напряжения 1. AN‑9768: Transient Suppression Devices and ко основные параметры микросхем, но и воз- Principles. Littelfuse, January 1998. можные области их применения. Для того с функцией отключения OV [8]. чтобы еще больше упростить поиск нужного 2. Fuseology Automotive Passenger Car Solutions компонента, разработчику следует выпол- Заключение Catalog. Littelfuse, 2014. нить следующие шаги: • перейти к сводной таблице ограничителей Вне зависимости от типа используемого 3. Kalb J. Total Clearing Time. Technical Bulletin. ограничителя перенапряжения все они по- OptiFuse, January 2010. перенапряжения ADI [6]; зволяют исключить из схемы защиты гро- • выбрать диапазон входного напряжения; моздкие TVS-диоды, предохранители и/или 4. Megaw D. Protecting and Powering Automotive • выбрать количество каналов; индуктивности и конденсаторы, используе- Electronics Systems with No Switching Noise and • применить фильтры и снизить тем самым мые для фильтрации, что приводит к суще- 99,9% Efficiency // Analog Dialogue. 2020. Vol. 54. ственной экономии пространства на печат- No. 1. количество возможных вариантов. ной плате и уменьшению габаритов всего Как и при выборе любого другого ком- устройства. Кроме того, активные ограничи- 5. Wu B., Zhongming Y. Comprehensive Power понента, перед началом поиска важно обо- тели демонстрируют точность выдаваемого Supply System Designs for Harsh Automotive значить основные требования приложения. напряжения с погрешностью всего 1–2%, что Environments Consume Minimal Space, Preserve К данным требованиям относятся предпо- превосходит характеристики TVS-диодов. Battery Charge, Feature Low EMI // Analog лагаемое напряжение питания устройства, Высокая точность в свою очередь еще боль- Dialogue. 2019. Vol. 53. No. 3. допуски по напряжению для компонентов, ше упрощает дизайн схемы и позволяет вы- подключаемых к выходной цепи (данный бирать последующие элементы с более жест- 6. www.analog.com/en/parametricsearch/11394#/ параметр важен для определения уров- кими допусками. 7. www.analog.com/en/parametricsearch/11394#/ ня ограничения всплесков напряжения), Ограничители перенапряжения от компа- p5472=9V%20to%20Over%20500V|60V%20 нии Analog Devices дают возможность раз- (extendable%20to%20200V+) 8. www.analog.com/en/parametricsearch/11394#/ p5577=|OV%20Disconnect Реклама КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
Реклама
34 компоненты элементы защиты Использование тиристоров SIDACtor компании Littelfuse для защиты оборудования на линиях электропитания напряжения переменного тока Тодд Филлипс (Todd Phillips) Нарушения в работе электросети напряжения переменного тока являются Перевод: Иван Полянский причиной большинства отказов самого различного оборудования. Ущерб от них может быть неуловимым, как, например, случайная потеря данных, так и серьезным, например, выход из строя источника питания, нарушение в работе светодиодного освещения, простой дорогостоящего промышлен- ного оборудования и повреждение медицинской аппаратуры В полной мере это также касается и бытовой техники — электроплит, микроволно- вых печей, холодильников, персональных компьютеров и телевизоров. Под нарушениями в линиях электро- газоразрядники и защитные тиристоры, Применение SIDACtor для защиты передачи подразумеваются недопу- к которым относится и SIDACtor, и огра- оборудования на линиях питания стимые переходные процессы в виде ничивающего типа, такие как TVS-диоды напряжения переменного тока гармонического затухающего сигнала, скач- и MOV-варисторы. ки напряжения и т. п. Для предотвращения Для защиты оборудования, подключен- их негативного воздействия на оборудование Элементы защиты на основе ограничения ного к линиям питания напряжения пере- необходимо четко понимать их характери- напряжения имеют короткое время реакции, менного тока (далее — «линий электропи- стики и природу возникновения и приме- но они ограничены по току, поскольку энер- тании»), и зная тиристорный вариант его нять эти знания для разработки эффектив- гия всплеска напряжения должна быть погло- реализации, специалисты компании Littelfuse ной схемы защиты. Это поможет выбрать щена и рассеяна на самом элементе защиты. предполагают, что при разработке решения соответствующие элементы и применить их Кроме того, по мере роста пропускаемого тока по защите, выполненного на базе защитных наиболее эффективным способом. на элементе защиты увеличивается и падение тиристоров SIDACtor, у разработчиков мо- напряжения. Таким образом, компоненты жет возникнуть целый ряд вопросов по его Для защиты линий электропитания в ши- высоковольтной защиты с ограничением на- совместимости с оборудованием того или роком понимании этого термина и подклю- пряжения, по сравнению с низковольтными иного типа. ченного к ним оборудования, в настоящее версиями, будут иметь меньший максималь- время существует и используется несколько но допустимый ток, который они способ- Данная статья как раз и призвана ответить популярных компонентов. Чаще всего для ны пропустить. Иными словами, мощность на эти вопросы и представляет обзор вы- ограничения перенапряжения используют- остается одинаковой для всех компонентов полненных на основе тиристоров SIDACtor ся MOV-варисторы (Metal Oxid Varistors), одной серии, но поскольку мощность — это основных вариантов защиты оборудования, TVS-диоды (Transient Voltage Suppression) производная от тока и напряжения, то с уве- подключенного к линиям электропитания и газоразрядники (Gas Discharge Tube, GDT) личением напряжения падает и допустимый напряжения переменного тока. Кроме чисто и защитные тиристоры. В предлагаемой ста- номинальный ток компонента. схемотехники таких решений, будут рассмо- тье мы рассмотрим новый инновационный трены и требования к их физическим харак- метод защиты по линиям питания — эле- Компонент защиты шунтирующего типа, теристикам. Обращаем внимание читателей мент под названием SIDACtor. Этот элемент, поскольку в режиме срабатывания падение на тот факт, что защита на основе SIDACtor предложенный компанией Littelfuse, пред- напряжения на нем очень мало, способен применима только для оборудования с пи- ставляет собой полупроводниковый прибор выдержать гораздо более высокий уровень танием от напряжения переменного тока тиристорного типа, специально разработан- тока, но требует дополнительного элемента и не предназначена для защиты устройств, ный и предназначенный для защиты обору- для размыкания цепи при инициируемом им питаемых от шин напряжения постоянного дования, подключенного к линиям электро- коротком замыкании. То есть такие компо- тока. А сама защита основана на предупреж- питания напряжения переменного тока. ненты защиты работают близко к режиму дении влияния перенапряжения и защищает короткого замыкания, принимая на себя всю не столько линии электропитания, а именно Защита от перенапряжения энергию всплеска напряжения. Этот вариант подключенное к ним оборудование. защиты существенно снижает перегрузку за- По типу механизма защиты от перена- щищаемого оборудования от недопустимо Это связано с тем, что защитный тиристор пряжения имеется два типа устройств: шун- высоких уровней напряжения, но, как уже SIDACtor в силу своей природы, как и обыч- тирующего типа (crowbar), как, например, сказано, требует определенных схемотехни- ный симметричный тиристор, будет вы- ческих решений. ключаться при переходе через нуль, то есть КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 35 а в бг Рис. 1. Защитные тиристоры SIDACtor: а) упрощенная структура; б) вольт-амперная характеристика; в) внешний вид тиристоров серии Pxxx0FNL; г) внешний вид тиристоров серии Pxxx0ME через каждый полупериод напряжения. В сериях Pxxx0FNL и Pxxx0ME доступен Таблица 1. Характеристики серий Pxxx0ME и Pxxx0FNL Упрощенная структура SIDACtor показана выбор компонентов с рабочими напряжени- на рис. 1а, его вольт-амперная характеристи- ями VDRM в пределах 58–450 В. Если говорить Наимено- Марки- IDVRMDR=M5пмрикА Vs при ка — на рис. 1б. Если же SIDACtor исполь- о пиковом импульсном токе IPP и «ударном» вание ровка Vmin 100 В/мкс зовать для защиты на шинах напряжения токе ITSM, то Pxxx0ME обеспечивают 5000 А постоянного тока, то он, в случае если ток ко- в режиме 8/20 мкс IPP и минимум 400 А ITSM Vmax роткого замыкания будет выше тока удержа- для одного периода синусоиды 50/60 Гц, ния, не перейдет в выключенное состояние. в то время как Pxxx0FNL предлагают 3000 А Pxxx0ME серия в корпусе TO-218 Конечно, данную проблему можно решить 8/20 мкс IPP и 300 А ITSM 50/60 Гц (табл. 1, 2). последовательным соединением с SIDACtor Под «ударным» током ITSM понимается мак- P1500MEL P1500ME 140 180 варистора или TVS-диода. При этом вы- симальный допустимый ток тиристора в от- P1900MEL P1900ME 155 220 бранное напряжение ограничения вари- крытом состоянии при воздействии на него P2300MEL P2300ME 180 260 стора и TVS-диода должно соответствовать синусоидального напряжения. P3800MEL P3800ME 350 430 или быть выше максимального напряжения P4800MEL P4800ME 450 600 на шине напряжения постоянного тока. Семейства SIDACtor Pxxx0FNL и Pxxx0ME обеспечивают лучшие характеристики шун- Pxxx0FNL серия в корпусе TO-262M Компания Littelfuse производит две серии тирования, нежели обычные газоразрядники. защитных тиристоров SIDACtor — Pxxx0FNL Их преимущества: P0640FNL P0640FN 58 77 (рис. 1в) и Pxxx0ME (рис. 1г) с характеристи- • малое прямое падение напряжения, что P0720FNL P0720FN 65 88 ками, которые обеспечивают низкое прямое P0900FNL P0900FN 75 98 падение напряжения, существенно ниже на- снижает перегрев полупроводникового P1100FNL P1100FN 90 130 пряжения пробоя газоразрядников и гораздо перехода при длительном нахождении P1300FNL P1300FN 120 160 более низкое по сравнению с напряжением в режиме проводимости тока; P1500FNL P1500FN 140 180 удержания MOV-варисторов напряжение, • меньший избыточный отклик на ступенча- P1900FNL P1900FN 155 220 если его рассматривать, как напряжение тое воздействие при высоких dv/dt; P2300FNL P2300FN 180 260 удержания. По сравнению с кремниевыми • длительный срок службы; P2600FNL P2600FN 220 300 TVS-диодами Pxxx0FNL и Pxxx0ME способ- • возможность выбора напряжения срабаты- P3100FNL P3100FN 275 350 ны выдержать существенно более высокие вания, более близкого к номинальному на- P3500FNL P3500FN 320 400 мгновенные токи при более низком прямом пряжению в электросети большинства стран: P3800FNL P3800FN 350 430 падении напряжения. Также они создают так, например, в случае использования низко- и меньшие по сравнению с газоразрядника- вольтных газоразрядников здесь потребуется Таблица 2. Характеристики IPP и ITSM ми, MOV-варисторами и TVS-диодами пере- другое газовое наполнение/внутреннее дав- ходные процессы. ление, что ухудшает характеристики сраба- IPP ITSM тывания таких защитных устройств. 50/60 Гц 8/20 мкс, 1,2×50 400 Amin 300 Pxxx0ME 5000 Pxxx0FNL 3000 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
36 компоненты элементы защиты б а в Рис. 2. а) Схема с P3800MEL в режиме шунтирования; б) P3800MEL в режиме шунтирования с защитой тиристора по току; в) демонстрационная плата Серия Pxxx0ME по току непосредственно самим SIDACtor. по току. Это особенно важно, когда защища- Этот дополнительный предохранитель в по- емая силовая схема требует чувствительной На рис. 2 приведены варианты применения следовательной цепи с SIDACtor обеспечивает защиты по току, но при этом предохранитель P3800MEL с предохранителем (как правило, его защиту от повышенного тока и перегру- не должен срабатывать во время возможных это вставка плавкая) в линии электропита- зок. Главное отличие такого решения состоит кратковременных и не несущих опасности ния для защиты оборудования от повышен- в том, что предохранитель для защиты ос- бросков напряжения. Приведенные типовые ного напряжения и в последовательном со- новной схемы устанавливается после цепоч- схемы являются лишь примерами. Разработка единении с предохранителем (как правило, ки «SIDACtor — предохранитель». Цепочка защиты конкретных решений требует их это термопрерыватель), который необходим «SIDACtor + предохранитель» обеспечивает уточнения с дополнительным тестированием для предотвращения перегрузки по току уже защиту основного предохранителя от вспле- и адаптацией под решаемую задачу. самого тиристора. В нормальном режиме ра- сков в питающей электросети, нагрузки и/или боты SIDACtor и предохранитель не сраба- защищаемой схемы, в то время как основ- На рис. 3 показан отклик тиристора тывают и не оказывают какого-либо влияния ной предохранитель обеспечивает защиту P3800MEL на воздействие импульса 3 кА на функционирование оборудования и са- питающей линии и тиристора от перегрузки 8/20 мкс (8 мкс — это длительность импуль- мой линии электропитания. В том случае, са, 20 мс — это период повторения) без под- если для P3800MEL напряжение в линии или Рис. 3. Временная диаграмма тока индуцированный в нее всплеск напряжения при воздействии импульса 3 кA 8/20 на P3800MEL Рис. 4. Временная диаграмма протекания тока превысят VDRM, он переключается в низко- без подключенной линии 240 В после срабатывания P3800MEL омное состояние проводимости и шунтирует с подключенной линией 240 В линию. Предохранитель в линии электро- питания, который предназначен для защиты SIDACtor, выбирается таким образом, чтобы во время повторяющихся событий в линии электропитания ток ITSM не превышал допу- стимого для защитного тиристора значения. Данная комбинация обеспечивает согла- сованную защиту от перегрузок по току и перенапряжения со стороны питающей сети. Схема на рис. 2б предлагает дополни- тельную возможность обеспечить защиту КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 37 Рис. 6. Воздействие импульса 3 кA 8/20 на «P2300MEL + V20E130P» (без подключенной линии электропитания) Рис. 5. Применение цепочки «P2300MEL + V20E130P» ключения к сети переменного напряжения. дохранителем во входной цепи. Такая схема Рис. 7. Временная диаграмма протекания тока Зеленый график показывает импульс пере- обеспечивает защиту от перегрузок по току при срабатывании «P2300MEL + V20E130P» напряжения 3 кА при 8/20 мкс, синий — ре- и напряжению для линии электропитания. от импульса 3 кA (с подключением акцию SIDACtor. Для испытываемого ком- к линии электропитания напряжением 240 В) понента P3800MEL начальное напряжение На рис. 6 представлен отклик цепочки срабатывания составляет 272 В, а напряжение «SIDACtor + MOV» при импульсе 3 кА при Типовые применения удержания находится в рамках <30 В. 8/20 мкс, приводящем к максимальному на- пряжению ограничения 425 В, что значи- На рис. 8 применена цепочка «SIDACtor + На рис. 4 показан отклик тиристора тельно выше, чем напряжение тиристора MOV», обеспечивающая защиту от перена- P3800MEL на воздействие импульса 3 кА P2300MEL в открытом состоянии, составля- пряжения питающей цепи инверторной 8/20 мкс при подключении к сети переменно- ющее менее 30 В. схемы. Данная схема поддерживает нор- го напряжения. При этом ток через тиристор мальное напряжение на IGBT- или МОП- достигает пикового значения 278 А. Однако Более высокое напряжение ограничения транзисторах, ограничивая и поглощая для протекающий в течение полупериода ток возникает за счет применения варистора защищаемой схемы нежелательные всплески не наносит вреда SIDACtor P3800MEL, так V20E130P, который добавляет напряжение и выбросы напряжения. Такое решение может как не превышает максимально допустимого к P2300MEL SIDACtor, а напряжение удер- применяться как в трехфазной, так и в одно- значения ITSM (50/60 Гц), равного 400 А, если жания при этом будет уже выше 30 В. Тем фазной сети, используя три либо одну цепоч- его действие длится в течение одного полу- не менее если в данном случае мы ограни- ку «SIDACtor + MOV». Эта топология защиты периода. Таким образом, функция ограни- чимся лишь применением одиночного ва- широко применяется в схемах заряда акку- чения данной защитной схемы определяется ристора для линии 240 В, то есть если это бу- муляторов в электромобилях и автомобилях сопротивлением, нагрузкой и/или величи- дет V20E275P, то его напряжение ограничения с гибридной силовой установкой. ной протекающего тока. составит более 900 В, что способно вывести из строя компоненты защищаемой схемы. На рис. 9 цепочка «SIDACtor + MOV» под- Использование SIDACtor ключена дифференциально (L‑N) к выходу совместно с варистором MOV Для того чтобы показать, насколько су- фотоэлектрической панели для ее защиты щественна разница откликов приведенных от нежелательных переходных процессов. Изделия серий Pxxx0FN и Pxxx0ME для решений, здесь приведены различия напря- Ток, генерируемый панелями солнечных создания защиты с низким напряжением жения ограничения в схемах с одиночным батарей, регулируется высоковольтными удержания, подверженные потенциально- SIDACtor, цепочки «SIDACtor + MOV» и оди- полевыми МОП-транзисторами и преобра- му повреждению при высоком напряжении ночного MOV-варистора. зуется инвертором в требуемое напряжение удержания, могут применяться в последова- переменного тока. Фактическая комбинация тельном соединении с MOV-варисторами. На рис. 7, после срабатывания цепоч- защитного тиристора SIDACtor и MOV- ки «SIDACtor + MOV» от импульса 3 кА варистора зависит от тех или иных требо- При срабатывании комбинации защиты, 8/20 мкс, измеренный протекающий ток со- ваний к защите от перенапряжения и осо- состоящей из MOV-варистора и защитного ставил 43,2 А. Собственное сопротивление бенностей организации защиты исходя уже тиристора SIDACtor, напряжение срабаты- MOV снижает протекающий ток, защищая из требований, предъявляемых к решению вания будет выше установившегося напря- таким образом SIDACtor. С другой сторо- непосредственно самого инвертора солнеч- жения в линии электропитания, но после ны, цепочка «SIDACtor + MOV» снижает ток ной батареи. полной активации защиты напряжение удер- утечки по сравнению с одиночным MOV- жания будет существенно меньше того, что, варистором, обеспечивая сверхнизкое потре- как правило, обеспечивает решение с вари- бление схемы в дежурном режиме. Это по- стором. зволяет значительно продлить срок службы варистора. В ряде случаев для некоторого кри- На рис. 5 показана работа SIDACtor тического оборудования или для выполнения P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, со- специфических требований нормативных до- единенного последовательно с варистором кументов по безопасности в линию электро- V20E130P с рабочим напряжением 130 В и пре- питания для прерывания тока необходимо до- бавление еще одного предохранителя. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
38 компоненты элементы защиты а б Рис. 8. а) Защита зарядной станции для электромобилей EV/HEV DC при питании от трехфазной сети; б) защита инвертора в однофазной сети Рис. 9. Защита инвертора солнечной батареи Расчет и выбор предохранителя 8/20 мкс и протекающего тока, но ниже, чем но обеспечит защиту от перегрузки исполь- максимально допустимое значение ITSM для зуемого SIDACtor. Лучше всего порог сраба- Итак, нам потребуется вставка плавкая SIDACtor. В этом случае предохранитель тывания предохранителя может быть оценен (далее — предохранитель) с уровнем сра- не будет ложно срабатывать при функциони- по значению I 2t. Это значение представляет батывания выше, чем сумма импульса 3 кА ровании цепочки защиты от перенапряжения, собой интеграл Джоуля — условная величина, КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
элементы защиты компоненты 39 характеризующая тепловое действие тока короткого замыкания на рас- сматриваемый элемент электроустановки, численно равная интегралу от квадрата тока короткого замыкания по времени, в пределах от на- чального момента короткого замыкания до момента его отключения. Ниже приведем пример расчета итогового значения I 2t, необ- ходимый для правильного выбора предохранителя для цепочки «SIDACtor+ MOV в случае воздействия импульса 3 кА 8/20 мкс». Для выброса 3 кА 8/20 мкс I2t составит приблизительно: 0,5IpeakIpeakt = 0,5300030002010–6 = 90 A2·с. Для полупериода протекающего переменного тока: 0,5IpeakIpeakt = 0,543430,01 = 9,24 A2·с. Итоговое значение I2t составит: 90+9,245 = 99,245 A2·с. Заметьте, что мы также должны принять во внимание корректиру- Число импульсов, которые может выдержать предохранитель ющий коэффициент (de-rating-фактор), учитывающий зависимость 100 000 импульсов Импульс I2t = 22% от точки плавления при нормальных условиях I2t от температуры окружающей среды и возможного количества воз- 10 000 импульсов Импульс I2t = 29% от точки плавления при нормальных условиях I2t действующих импульсов. Так, если предохранитель должен выдержать 100 000 импульсов, то коэффициент коррекции составит 0,22 (рис. 10). 1000 импульсов Импульс I2t = 38% от точки плавления при нормальных условиях I2t Для большинства приложений максимально допустимое количество 100 импульсов Импульс I2t = 48% от точки плавления при нормальных условиях I2t импульсов невелико и достаточный коэффициент составит 0,48. Рис. 10. Коэффициент коррекции I2t Как было сказано ранее, параметр I2t предохранителя должен быть Примечание. Для того чтобы тепло от предыдущего события могло рассеяться, выше, чем 99,245/0,22 = 451 A2·с. между импульсами должно быть достаточное время (не менее 10 с) Поскольку величина ITSM для P3800MEL составляет 400 А, то значе- ние интеграла Джоуля I2t для защитного тиристора SIDACtor в тече- ние полупериода напряжения составит: 0,54004000,01 = 800 A2·с. Очевидно, что скорректированное с помощью коэффициента зна- типов предохранителей Littelfuse, соответствующих данным требо- чение I 2t = 451 A2·с меньше, чем величина I 2t защитного тиристора ваниям. SIDACtor в течение полупериода, это гарантирует, что срабатывание предохранителя раньше, нежели будет достигнуто допустимое для за- Кроме обычных варисторов, компания Littelfuse выпускает и вари- щитного тиристора SIDACtor значение ITSM. сторы со встроенным термопрерывателем, который размыкает цепь при разогреве, тем самым увеличивая срок службы варистора. При Для MOV-варистора разработчики для того, чтобы убедиться, что использовании такого компонента комбинированная схема защиты максимальной энергии выбранного варистора достаточно для данно- останется практически без изменений. На рис. 11а показана защита го приложения, как правило, оценивают энергию протекающего тока. от перенапряжения с использованием такого элемента, называемого TMOV-варистором, а на рис. 11б приведена схема защиты порта обо- В данном случае энергия протекающего тока составит: рудования CATV 90 В, выполненная с использованием только лишь защитного тиристора SIDACtor типа P1900MEL. 0,7125030002010–6+0,71250430,07 = = 10,65+53,46 = 64,08 Дж. Для схемы, приведенной на рис. 11б, выбран SIDACtor P1900MEL с параметром Vdrm = 155 В, поскольку эта величина существенно Это значение меньше максимально допустимой энергии выше пикового значения CATV 901,44 = 129,6 В. Обратите внимание для V20E130, которая составляет 100 Дж. Таким образом, выбранный предохранитель имеет значение I 2t выше, чем I2t импульса 3 кА 8/20 мкс и протекающего тока, что гаран- тирует отсутствие ложных срабатываний во время работы цепочки защиты от перенапряжения. Оптимальным для защиты SIDACtor и MOV-варистора будет предохранитель, рассчитанный на напряжение 250 В со значени- ем I 2t = 451 A2·с. Такой предохранитель не окажет влияния на нор- мальную работу выбранной схемы. В таблице 3 приведено несколько Таблица 3. Модели предохранителей компании Littelfuse для схемы защиты линий электропитания на основе защитного тиристора SIDACtor МЭК UL аб Типо- Быстро- Замедленный Быстро- Замедленный Рис. 11. а) TMOV — варистор со встроенным тепловым предохранителем; размер действующий действующий б) защита порта CATV 90 В 5×20 216 016 (462 A2·с) 215 012 (515 A2·с) – – 6,3×32 – – 314 020/324 020 (631 A2·с) 325 020/326 020 (575 A2·с) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
40 компоненты элементы защиты на присутствие компенсационной индуктив- Таблица 4. Сравнение технологий защиты GDT/SIDACtor/MOV/TVS ности, необходимой для исключения влияния собственной емкости защитного тиристора Тип Газоразрядник SIDACtor MOV TVS-диод на передаваемый сигнал. Наличие такой ин- (металл-оксидный варистор) дуктивности является важной частью схемы. Механизм Пробой при срабатывании Пробой при срабатывании Ограничение напряжения Ограничение напряжения Возможно также, что компенсационная защиты (шунтирование) (шунтирование) на заданном уровне на заданном уровне индуктивность должна будет обеспечивать Принцип Токопроводящий Управляемая требования к передаваемому и отраженному работы Структура на основе зерен Полупроводниковый диод сигналу в линии CATV. Если такие требо- Время отклика ионизированный газ кремниевая архитектура оксида цинка на основе лавинного пробоя вания существуют, индуктивность должна Максимальный Более 1 мкс Менее 1 нс На уровне нс обеспечивать быстрое насыщение и выдер- пиковый ток 20 кА 5 кА 70 кА На уровне нс живать импульсы до 200 В и 1000 А. Базовым Срок службы Низкий, 15 кА требованиям будет соответствовать катушка Остаточное Низкий (необходимо Длительный с индуктивностью 20–30 мкГн, выполнен- напряжение периодически заменять) склонен к деградации Длительный ная проводом AWG24 (диаметр 0,511 мм) Низкое Высокое на сердечнике с относительной (на рабочей Преимущества Высокое Низкое частоте) магнитной проницаемостью 900, Высокая способность Низкая цена, большой ток, но конечное значение должно быть уточнено Большой ток, поглощения перенапряжения, быстрое время отклика Низкое напряжение с помощью проверочных испытаний. высокое сопротивление ограничения, точная проводимость, Заключение изоляции, быстрая реакция, точная проводимость, малый ток утечки, низкий ток утечки, быстрый отклик, малая паразитная емкость высокая надежность, высокая надежность отсутствие износа Недостатки Более длительное Низкий пиковый ток Большой ток утечки, Относительно высокая время отклика, относительно высокое паразитная емкость, напряжение ограничения, относительно низкий медленная реакция, относительно высокая высокое остаточное давление, паразитная емкость, пиковый ток низкая точность более высокая напряжения пробоя, степень старения быстрое старение Защитные тиристоры SIDACtor семейства в случае непревышения максимально допу- ния напряжения переменного тока не пред- Pxxx0ME являются хорошим выбором для за- стимых значений. Совместно с предохрани- щиты оборудования на линиях электропита- телем/защитой от превышения тока, уста- назначен при питании от шин постоянного ния напряжения переменного тока (табл. 4). новленных перед SIDACtor, данное решение Они обеспечивают низкий порог срабатыва- обеспечивает оптимальную защиту от пре- тока. Исключение допустимо в случае, если ния, быстрое включение, низкие выбросы, вышения напряжений линий электропита- высокий импульсный ток, точный подбор ния. Еще раз обращаем внимание читателя: сила такого тока будет ниже тока удержа- рабочего напряжения и не подвержены из- этот вариант защиты от кратковременных носу при повторяющихся срабатываниях всплесков при подключении к линии пита- ния SIDACtor или источник питания на- пряжения постоянного тока способен будет самостоятельно распознать аварию и вы- ключиться при инициированном SIDACtor коротком замыкании. n новости кварцевые генераторы Семейство прецизионных миниатюрных кварцевых генераторов ГК197‑ТС, ГК199‑ТС, ГК200(М)-ТС и ГК291‑ТС от АО «МОРИОН» АО «МОРИОН» (Санкт-Петербург) — ведущее предприятие России Таблица. Основные параметры семейства малогабаритных прецизионных и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производ- термостатированных кварцевых генераторов ства пьезоэлектронных приборов стабилизации и селекции частоты — пред- ставляет семейство малогабаритных прецизионных термостатированных кварцевых генераторов ГК197‑ТС, ГК199‑ТС, ГК200 (М)-ТС и ГК291‑ТС. Эта линейка пьезоэлектронных приборов предназначена для хранения вре- мени. При изготовлении данных генераторов используются резонаторы од- ного семейства, что обеспечивает очень хорошую долговременную стабиль- ность до ±2×10–8 в год. Все генераторы имеют одинаковую высоту 12,7 мм, что важно для удобной компоновки оборудования и минимизации размеров изделий в целом. Несмотря на малую высоту, генераторы незначительно реагируют на перепады температуры. Наибольший по размерам генератор (51×51 мм) ГК200‑ТС имеет очень вы- сокую температурную стабильность (до ±2×10–10 при –40…+85 °C) и низкие фазовые шумы до –108 дБ/Гц. ГК197‑ТС с температурной стабильностью (до ±5×10–10 при –40…+85 °C) занимает среднее положение в линейке и является наиболее дешевым из пе- речисленных устройств. ГК199‑ТС — наименьший по габаритам прецизи- онный генератор. В таблице представлены основные параметры семейства малогабаритных прецизионных термостатированных кварцевых генераторов. Дополнительная информация о новом приборе доступна на сайте АО «МОРИОН». 13–15 апреля на выставке «ЭкспоЭлектроника‑2021» АО «Морион» Модель Температурная стабильность Долговременная Фазовые шумы Габаритные приглашает посетить свой стенд В8117, павильон № 3, зал № 14. при –40…+85 °C стабильность, в год на 1 Гц, дБ/Гц размеры, мм Контакты АО «МОРИОН» ГК200(М)-ТС ±0,2×10–9 ±2×10–8 –108 51×51 Тел.: (812) 350–7572, (812) 350–9243 ГК197-ТС ±0,5×10–9 ±2×10–8 –100; –117 27×36 e‑mail: [email protected] ГК291-ТС ±0,5×10–9 ±2×10–8 25×25 ГК199-ТС ±3×10–9 ±2×10–8 –108 20×20 www.morion.com.ru –100 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
Реклама
42 компоненты Универсальный квадратурный ПЧ-демодулятор LT5502 Мин Зоу (Min Zou) Микросхема LT5502 представляет собой усилитель-ограничитель и ква- Владимир Дворкин (Vladimir Dvorkin) дратурный демодулятор ПЧ, который работает с частотой входного сиг- нала 70–400 МГц при самом широком в отрасли диапазоне напряжений Перевод: Михаил Русских питания 1,8–5,25 В. Это позволяет LT5502 функционировать от одного литий-ионного аккумулятора или от двух или более никель-кадмиевых или [email protected] никель-металлгидридных аккумуляторов. На основе LT5502 в сочетании с подходящим ВЧ-интерфейсом и полосовыми фильтрами ВЧ/ПЧ можно создать широкополосный приемник для радиосистем, действующих на ча- стотах 900 МГц, а также на1,8 и 2,4–2,5 ГГц или других частотах. LT5502 можно использовать даже как самостоятельный приемник, работающий на частотах ниже 400 МГц. Описание схемы го I/Q‑сигнала в основной полосе частот в за- тания снижается менее чем до 1 мкА. В режи- висимости от входной мощности сигнала ПЧ ме ожидания, при котором потребляемый В своем составе LT5502 имеет усилитель- на частоте 280 МГц. Блок RSSI встроен в огра- ток составляет 2,6 мА, выходные сигналы ос- ограничитель ПЧ с усилением в режиме сла- ничитель ПЧ и имеет диапазон обнаружения новной полосы частот имеют смещение к их бого сигнала, равным 84 дБ, смесители для линейного сигнала ПЧ, равный 90 дБ. номинальным значениям напряжения покоя. преобразования ПЧ в квадратурные сигна- Благодаря этому обеспечивается мгновенное лы, фильтры нижних частот и блок индика- Квадратурные демодуляторы представля- включение без задержки, если LT5502 под- ции уровня принимаемого сигнала (RSSI). ют собой кольцевые балансные смесители. ключен к микросхеме обработки сигналов На рис. 1 представлена блок-схема LT5502. Квадратурные несущие гетеродина форми- основной полосы частот с помощью разде- В процессе работы сигнал ПЧ сначала огра- руются благодаря использованию встро- лительных конденсаторов большой емкости. ничивается усилителями с высоким коэффи- енной в микросхему схемы деления на 2. циентом усиления, а затем демодулируется По этой причине внешний сигнал 2LO дол- Области применения в синфазные (I) и квадратурные (Q) сигналы жен быть вдвое больше частоты гетеродина. и вопросы реализации основной полосы частот, используя несущие квадратурного гетеродина (LO), которые ге- Фильтры нижних частот на каналах I и Q LT5502 может быть установлен на двух- нерируются в микросхеме из внешнего сиг- служат для защиты от наложения спек- , четырех- или многослойных печатных нала 2LO. Демодулированные I/Q‑сигналы тров и формирования импульсов. Частота платах, в зависимости от сложности схемы основной полосы проходят через встроенные по уровню 3 дБ в данном случае составляет конечного продукта и бюджета проекта. фильтры нижних частот 5‑го порядка и вы- 7,7 МГц, а неравномерность групповой за- В качестве материалов для печатных плат ходные драйверы. держки — менее 17 нс. Характеристики фильтра остаются стабильными в диапазоне Коэффициент шума LT5502 составляет температур –40…+85 °C. 4 дБ, а достижимая чувствительность равна –86 дБм. На рис. 2 показан размах выходно- В LT5502 предусмотрено два режима рабо- ты, характеризующихся пониженным энерго- потреблением. В режиме отключения ток пи- Рис. 1. Блок-схема LT5502 Рис. 2. Размах дифференциального выходного I/Q‑сигнала в основной полосе частот и выходной сигнал блока RSSI в зависимости от входной мощности сигнала ПЧ (ПЧ = 280 МГц, с использованием входного трансформатора ПЧ с коэффициентом трансформации 1:4 и без использования межкаскадной фильтрации ПЧ) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
компоненты 43 Рис. 3. Пример приемника сигналов 2,4–2,5 ГГц (ПЧ = 280 МГц) Рис. 4. Пример архитектуры приемника сигналов 2,4–2,5 ГГц можно использовать FR‑4, GETEK и другие сования/преобразования входного сигнала сильных сигналов помех в соседних каналах материалы. Разработчики конечного продук- гетеродина из несимметричного в диффе- и внеполосных помех. Имеющиеся в соста- та должны предусмотреть заземляющую по- ренциальный должна быть размещена как ве LT5502 квадратурные фильтры нижних верхность на верхнем слое печатной платы можно ближе к выводам 18 и 19 микросхемы частот 5‑го порядка обеспечивают очень ка- и несколько соединенных с цепью заземле- LT5502. чественное подавление помех от соседнего ния переходных отверстий для заземляющих канала в выходных сигналах основной по- контактов микросхемы. Заземляющая по- Пример применения лосы частот, что позволяет разработчикам верхность на верхнем слое печатной платы конечного продукта смягчить требования также должна быть соединена с отдельной В примере, приведенном на рис. 3, входной к характеристикам фильтра на ПАВ для ПЧ заземляющей поверхностью ВЧ-цепи (рас- сигнал с частотой в диапазоне 2,4–2,5 ГГц и использовать более дешевые компоненты. положенной на втором слое) с нескольки- преобразуется в ПЧ-сигнал с распространен- Усилители-ограничители на ПЧ устраня- ми переходными отверстиями заземления. ной частотой 280 МГц. Входной приемный ют необходимость в автоматической регу- Все развязывающие конденсаторы ВЧ-цепи тракт (представленный на рис. 4) состоит лировке усиления, а на отдельном выходе должны быть размещены рядом с соот- из входного полосового фильтра для пода- блока RSSI генерируется нефильтрованный ветствующими им выводами микросхемы. вления зеркальной частоты и МШУ (мало- сигнал в реальном времени с минимальной Развязывающие конденсаторы и выводы за- шумящего усилителя) для обеспечения низ- задержкой. Благодаря этому упрощаются земления микросхемы не должны иметь об- кого коэффициента шума системы, чтобы требования к компонентам обработки сиг- щих переходных заземляющих отверстий, удовлетворять требованиям, предъявляемым нала основной полосы частот и цифровой чтобы не допустить образования контуров к чувствительности. За МШУ следует смеси- обработки сигналов. К входам ПЧ (IF) и ге- заземления. Цепь согласования/преобра- тель с понижением частоты. теродина (LO) подключены внешние схемы зования входного сигнала ПЧ из несимме- преобразования несимметричного сигнала тричного в дифференциальный должна Частота инжектируемого сигнала ос- в дифференциальный. Также к входам IF быть размещена как можно ближе к выво- новного гетеродина меньше частоты ВЧ- можно подключить резистор сопротивлени- дам 6 и 7 микросхемы LT5502. Цепь согла- сигнала. Полосовой фильтр на ПАВ для ПЧ ем 50 Ом в качестве согласованной нагрузки 280 МГц обеспечивает защиту от влияния КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
44 компоненты а б в Рис. 5. Пример межкаскадного фильтра LT5502 линии ПЧ, но при этом возможно некоторое нелинейности непосредственно зависят от ха- Рис. 6. а) Схема преобразования несимметричного уменьшение чувствительности. рактеристик входного тракта. входного сигнала ПЧ в дифференциальный; б) схема согласования импеданса; При использовании в системах с ду- Межкаскадный фильтр ПЧ в) решение для организации преобразования плексной передачей с временным разделе- несимметричного сигнала в дифференциальный нием или в полудуплексных системах при- К выводам 12 и 13 микросхемы LT5502 ема/передачи (IEEE 802.11 и др.) в приемном можно подключить дополнительный меж- образование узкополосного сигнала и согла- тракте устанавливается входной полосовой каскадный фильтр ПЧ (рис. 5), реализован- сование импеданса. Вследствие потерь в цепи фильтр и антенна совместно с передатчиком ный как с шунтирующим резистором R1, так согласования входного сигнала ухудшается (рис. 4). За МШУ следует дополнительный и без него. Межкаскадный фильтр способен каскадный коэффициент шума, как правило, полосовой фильтр (в зависимости от требо- обеспечить дополнительное повышение чув- на 0,75–1,5 дБ. Значения компонентов, пока- ваний к подавлению зеркальной частоты), ствительности в пределах 2–3 дБ, в зависи- занные на рис. 6a, предполагают работу с ПЧ смеситель и фильтр ПЧ. Как правило, при мости от добротности резонансного контура. 280 МГц. применении в системах, соответствующих Использование межкаскадного фильтра мо- стандартам IEEE 802.11, МШУ имеет два жет привести к увеличению неравномерно- ВЧ-трансформатор, обладающий коэффи- диапазона усиления: высокий (15–20 дБ) сти групповой задержки в выходных сигна- циентом трансформации 1:4, с резистором и низкий (от 0 до –15 дБ) для обеспечения лах основной полосы частот. 240 Ом в цепи вторичной обмотки (рис. 6б) соответствия диапазону входного сигнала обеспечивает широкополосное согласование от –80,0 дБм до –4,0 дБм. Внешняя схема приема сигнала ПЧ импеданса 50 Ом в цепи первичной обмотки. В данном случае можно использовать ВЧ- Значения коэффициента шума (КШ) стан- Внешняя схема приема сигнала ПЧ для трансформатор JTX‑4-10T с коэффициентом дартного приемника представлены в таб- LT5502 может быть реализована нескольки- трансформации 1:4 компании Mini-Circuits лице. Каскадный коэффициент шума при- ми способами в зависимости от стоимости, или аналогичные трансформаторы других емника составляет 9,77. При условии, что доступного места на плате и требований к ха- производителей. Из-за потерь в трансфор- полоса шума равна 7,7 МГц, а отношение рактеристикам системы. маторе каскадный коэффициент шума ухуд- сигнал/шум (ОСШ) равно 10 дБ, чувстви- шается (1–2 дБ). Также можно использовать тельность приемника при комнатной темпе- Собранная на основе дискретных ком- ВЧ-трансформатор с коэффициентом транс- ратуре определяется выражением: понентов схема преобразования несимме- формации 1:1 совместно с согласующим тричного сигнала в дифференциальный, резистором с сопротивлением 51–62 Ом, kTB+КШ+ОСШ = представленная на рис. 6a, обеспечивает пре- установленным в цепи вторичной обмотки = –105,14 дБм + 9,77 дБ + 10 дБ = трансформатора. Таблица. Значения коэффициента шума стандартного = –85,37 дБ. приемника (при высоком диапазоне усиления) Схема, показанная на рис. 6в, представляет собой простое и экономичное решение для Это значение удовлетворяет требованиям 1-й полосовой организации преобразования несимметрич- к чувствительности стандарта IEEE 802.11 фильтр ного сигнала в дифференциальный, хотя при консервативном отношении сигнал/шум, ВЧ-ключ оно характеризуется невысокой чувстви- равном 10 дБ. Разработчики конечного про- МШУ тельностью. Резистор 62 Ом обеспечивает дукта должны выбрать точку переключения 2-й полосовой широкополосное согласование импеданса между высоким и низким диапазонами уси- фильтр 50 Ом. Каскадный коэффициент шума для ления МШУ в зависимости от условий приме- Смеситель схемы ПЧ ухудшается на 2 дБ. нения. Качественные показатели в отношении Полосовой фильтр ПЧ LT5502 Каскадный Коэффициент 2,5 14 2,5 14 10 4 9,77 шума, дБ Усиление, дБ –2,5 –1 15 –2,5 6 –10 84 89 КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
компоненты 45 аб Рис. 7. а) Схемы преобразования несимметричного входного сигнала гетеродина в дифференциальный и согласования импеданса; б) широкополосное согласование импеданса 50 Ом в цепи первичной обмотки Далее вычисляется LM (в нГн), CS1 и CS2 (в пФ). После обеспечения резонанса вход- ной емкостной составляющей входной им- педанс будет представлять собой реальное сопротивление RIN, которое составляет около 2,2 кОм. LM, CS1 и CS2 используются для преобразования RIN в 50 Ом. Для рас- чета их значений имеются следующие фор- мулы: (2) Рис. 8. Эквивалентные схемы согласования входных сигналов Внешняя схема приема (3) сигнала гетеродина сигнала. В данном случае можно использо- Объединим LM и LR в LSH, используя следу- Внешняя схема приема сигнала гетеродина вать ВЧ-трансформатор JTX‑4-10T с коэф- ющее уравнение: для LT5502 может быть собрана несколькими фициентом трансформации 1:4 компании способами в зависимости от стоимости, до- Mini-Circuits или аналогичные трансформа- (4) ступного места на плате и требований к ха- торы других производителей. Также можно рактеристикам. В данном случае оконечную использовать ВЧ-трансформатор с коэффи- Заключение нагрузку 50 Ом не рекомендуется устанав- циентом трансформации 1:1 совместно с со- ливать, поскольку это может привести к уве- гласующим резистором с сопротивлением LT5502 является первым в отрасли при- личению утечки гетеродина, что, в свою оче- 51–62 Ом, установленным в цепи вторичной редь, вызовет снижение чувствительности, обмотки трансформатора. емником ПЧ, который имеет высокие ха- а также ухудшение качества согласования выходных квадратурных сигналов. Процедуры согласования рактеристики и работает при напряжении входного импеданса Схема преобразования несимметрич- для организации преобразования питания в диапазоне 1,8–5,25 В. Благодаря ного сигнала в дифференциальный, пред- несимметричного сигнала ставленная на рис. 7a, обеспечивает преоб- в дифференциальный встроенным фильтрам нижних частот разование относительно широкополосного сигнала и согласование импеданса. Утечка Преобразование входного импеданса в ре- и низкому уровню шума он соответствует сигнала гетеродина на вход ПЧ минимальна альное сопротивление выполняется следу- благодаря подавлению синфазного сигнала. ющим образом. Индуктивность шунтирую- строгим требованиям радиосистем с раз- Показанные значения компонентов обеспе- щего дросселя LSH можно разделить на два чивают частоту сигнала гетеродина 560 МГц компонента: LR и LM (рис. 8). LR использу- личными вариантами согласования вход- для работы с частотой ПЧ 280 МГц. ется для резонирования входной емкости CIN компонента LT5502, которая составляет ной нагрузки. LT5502 позволяет упростить ВЧ-трансформатор, обладающий коэффи- около 1,2 пФ. Значение этой индуктивности циентом трансформации 1:4, с резистором можно определить по следующей формуле задачу разработчиков ВЧ-оборудования 240 Ом в цепи вторичной обмотки (рис. 7б) в нГн: обеспечивает широкополосное согласование за счет универсальности данного компо- импеданса 50 Ом в цепи первичной обмотки. (1) Утечка сигнала гетеродина на вход ПЧ мини- нента, благодаря которой его можно ис- мальна благодаря подавлению синфазного пользовать при различных требованиях к стоимости и чувствительности конечного продукта. n Литература 1. www.analog.com/en/technical-articles/high- performance‑400mhz-quadrature-if-demodulator. html КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
46 компоненты источники питания Контроллер повышающего преобразователя с режимом PassThru для устройств, требующих высокой частоты переключения Виктор Хасиев (Victor Khasiev) Использование источников питания на основе повышающих преобразова- Перевод: Евгений Потемкин телей набирает все большую популярность в автомобильной и промышлен- ной электронике. Решения, предназначенные для данных областей, часто [email protected] требуют наличия стабильного напряжения на шине питания, значение которого может варьироваться от устройства к устройству. Введение синхронный режим работы, широкий диа- повышающего преобразователя, состоя- пазон входных напряжений (4,5–40 В), при щего из контроллера LTC7804, MOSFET Q1 Использование повышающих преобразо- этом выходное напряжение может достигать и Q2, индуктивности L1 и фильтров на входе вателей позволяет повысить универсальность 36 В, частотную модуляцию сигнала с расши- и выходе. Как видно на рис. 1, схема состо- существующих приложений и выполнять под- ренным спектром (SSFM), интегрированную ит из небольшого количества компонентов, ключение нового оборудования к шине без накачку заряда (charge pump), а также воз- но в то же время позволяет повысить напря- необходимости его доработки или создания можность работы в режиме PassThru и низ- жение в шине с 12 до 24 В при выходном токе нескольких версий для разных вариантов по- кий уровень электромагнитных помех (EMI). 6 А. При использовании данной схемы следу- ставки. Кроме того, применение преобразова- ет учесть, что уменьшение входного напряже- телей также повышает надежность устройств, Повышающий преобразователь ния должно также повлечь за собой снижение требующих защиты от падения входного на- с входом 12 и выходом 24 В выходного тока схемы таким образом, чтобы пряжения, что особенно актуально для автомо- ток на входе не превышал 17,5 А. бильных систем, где проседание напряжения Одно из основных преимуществ исполь- на шине питания — явление нередкое. зования повышающих преобразователей В предложенной схеме вывод MODE кон- в источниках питания — обеспечение ста- троллера LTC7804 закорочен на «землю» — Контроллер LTC7804 позволяет значи- бильного напряжения на входе системы и ее это означает, что преобразователь работает тельно упростить конструкцию DC/DC- невосприимчивости к падениям напряжения, в пакетном режиме (Burst Mode), который преобразователей без ущерба для их характе- например в моменты прокрутки стартера при позволяет обеспечить наибольшее значе- ристик. К особенностям данного устройства запуске двигателя. На рис. 1 показана схема ние КПД при работе на небольшие нагруз- следует отнести низкий потребляемый ток, ки. Вывод PLLIN/SPREAD подключается к INTVCC, устанавливая тем самым частоту переключения для режима частотной мо- дуляции с расширенным спектром (SSFM), что упрощает прохождение тестов на соот- ветствие стандартам электромагнитной со- вместимости. Схема была протестирована с использованием специальных токочув- ствительных резисторов. Результаты изме- рений (зависимость КПД от тока нагрузки) показаны на рис. 2. Использование токочув- ствительных резисторов не является обяза- тельным условием, вместо них также может быть применен специальный DCR-датчик. Боремся с перепадами входного напряжения при помощи режима PassThru Рис. 1. Схема повышающего преобразователя на основе LTC7804 (VIN 6–20 В, VOUT = 24 В при 6 А) Одно из применений LTC7804 в автомо- бильных системах — его использование в уси- лителях и предусилителях звука. Присутствие КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021
источники питания компоненты 47 Рис. 2. Зависимость КПД повышающего преобразователя на базе LTC7804 Рис. 4. Работа схемы в режиме PassThru при VIN > VOUT (VIN, VOUT = 5 В/дел., временная от тока нагрузки шкала = 1 мс/дел., а GQ1‑VOUT — математическая функция осциллографа = 2,5 В/дел.) Рис. 3. Схема повышающего преобразователя на основе LTC7804 при работе в режиме PassThru функции SSFM. Для более точной настройки (VIN 5–16 В, VOUT = 10 В при 5 A) частоты рекомендуется установить синхро- низацию с внешним генератором через вы- контроллера повышающего преобразователя Такой режим работы получил название вод PLLIN/SPREAD или подключить контакт в таких системах позволяет убить сразу двух PassThru, что дословно можно перевести как MODE напрямую к INTVCC, что будет озна- зайцев. Во‑первых, LTC7804 защитит обору- «сквозной», «транзитный». чать работу схемы в режиме непрерывной дование от резких падений входного напряже- проводимости (CCM) с рабочей частотой, ния, возникающих, например, при холодном На рис. 3 показана обновленная схе- установленной через контакт FREQ. пуске двигателя. Во‑вторых, при повышении ма повышающего преобразователя на базе напряжения на шине выше требуемого зна- LTC7804. Несмотря на то, что предложенная На рис. 4 показаны графики напряжения чения происходит замыкание входа и выхо- схема во многом повторяет схему на рис. 1, на входе и выходе преобразователя при ра- да LTC7804, что позволяет максимизировать на ней имеется несколько важных отличий. боте в режиме PassThru. Напряжение на вхо- КПД схемы при уменьшении тока нагрузки. Вывод MODE теперь подключен к INTVCC де схемы составляет 14 В, что выше необхо- через резистор 100 кОм, что означает ра- димого уровня на выходе 10 В. MOSFET Q1 Как правило, выходное напряжение ис- боту преобразователя в режиме PassThru. открыт и находится в режиме насыщения. точника питания предусилителя устанав- Пакетный режим работы будет недоступен Интегрированный зарядовый насос LTC7804 ливается на 10 В, что немного меньше, чем в данной конфигурации, поскольку для может удерживать преобразователь в данном стандартное напряжение автомобильной включения PassThru необходимо активи- состоянии неограниченное время. При рабо- шины 12 В. В таком случае, если входное на- ровать зарядовый насос верхнего полевого те в режиме PassThru отсутствует необходи- пряжение равно или выше установленного транзистора (MOSFET), который был отклю- мость переключения транзисторов, а входное значения, вход и выход контроллера LTC7804 чен в пакетном режиме. Так как для некото- напряжение подается сразу на выход преоб- оказываются замкнуты между собой. Если же рых аудиосистем важно, чтобы источники разователя. Данный режим будет активен входное напряжение падает ниже желаемо- питания работали на фиксированной часто- до тех пор, пока напряжение на входе схемы го значения, преобразователь сохраняет за- те, контакт PLLIN/SPREAD теперь закоро- имеет значение выше или равное требуемому данный уровень напряжения на выходе. чен на «землю», что означает отключение на выходе, как это показано на осциллограм- ме рис. 4. В то же время при падении входно- го напряжения до 5 В напряжение на выходе по-прежнему будет удерживаться на уровне 10 В. Переключение транзисторов начинает- ся, только когда входное напряжение падает ниже необходимого значения. Форма сигнала GQ1‑VOUT представляет собой дифференци- альное напряжение на затворе Q1 (узел GQ1) относительно истока Q1 (VOUT). Частота переключения MOSFET Q1 и Q2 составляет около 500 кГц, что является наи- более оптимальным значением с точки зрения эффективности и габаритов схемы. Однако данная частота может быть увели- чена вплоть до 3 МГц, если, например, необ- ходимо минимизировать размер индуктив- ности L1. Обе представленные в публикации схемы проверены и протестированы на де- монстрационной плате DC2846A. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2021 www.kite.ru
48 компоненты источники питания Заключение няя внешние компоненты схемы, но остав- висимости от того, падает входное напряже- ляя без изменений общую конфигурацию. Использование контроллера LTC7804 зна- В то же время высокая частота переключения ние ниже желаемого уровня или превышает чительно упрощает проектирование вы- позволяет значительно уменьшить размер сокоэффективных повышающих преоб- индуктивности, а встроенный зарядовый требуемое значение. Все это, а также низкий разователей. Выходную мощность таких насос и синхронный выпрямитель гаранти- преобразователей легко масштабировать, ме- руют максимальный уровень КПД вне за- ток покоя, позволяющий экономить заряд аккумулятора при прямом подключении, де- лает LTC7804 оптимальным решением для автомобильной электроники. n новости Новости сайта www.efo.ru FTDI ями по выходной мощности. Более высокая ча- • добавлена возможность превращать сообщения стота переключений позволит сократить размеры о критических предупреждениях в сообщения Компания FTDI анонсировала новую серию пассивных компонентов и стоимость системы. об ошибках; Hi-Speed USB-мостов с поддержкой режима IGBT-транзисторы серии Hybrid могут заменить Power Delivery 3.0. Новая линейка включает шесть транзисторы TRENCHSTOP 5, обеспечивая боль- • ECO-компиляция в Signal Tap II Logic Analyzer микросхем: ший КПД: 0,1% на каждые 10 кГц частоты пере- стала быстрее; • мосты FT232HP и FT233HP ключений без изменения схемы. • добавлена возможность возобновлять процесс (USB — UART/FIFO/JTAG/SPI/I2C); Дискретные транзисторы семейства CoolSiC компиляции из командной строки; • мосты FT2232HP и FT2233HP (USB — Hybrid следуют за ранее представленной успеш- ной серией гибридных модулей CoolSiC Hybrid • улучшена удаленная отладка через Ethernet два канала UART/FIFO/JTAG/SPI/I2C); IGBT EasyPACK 1 B и 2 B с IGBT-кристаллом и PCIe с использованием синтезируемого про- • мосты FT4232HP и FT4233HP (USB — и CoolSiC-диодом Шоттки. Все транзисторы до- цессора Nios II; ступны для заказа. два канала UART/FIFO/JTAG/SPI/I2C). • добавлена новая функция, позволяющая отме- FT233HP, FT2233HP и FT4233HP имеют два В серию входят транзисторы с током 40, 50 чать сигналы для отладки (бета) во время раз- порта USB, из которых один порт USB-С Power и 75 А на напряжение 650 В: работки RTL-кода; Delivery (источник/приемник) с поддерж- • TRENCHSTOP 5 — ультрабыстрые H5 IGBT- кой USB 2.0 и один порт USB-С Power Delivery • в инструмент Platform Designer добавлен BSP (приемник). У остальных микросхем есть только кристаллы и CoolSiC-диоды 6‑го поколения; Editor. один порт USB-С PD (источник/приемник) с под- • кристаллы IGBT S5 и диоды CoolSiC 6‑го по- Подробнее ознакомиться со всеми изменения- держкой USB 2.0. По базовым функциям USB-моста новые ми- коления. ми в новой версии Intel Quartus Prime Pro Edition кросхемы полностью соответствуют USB-мостам 21.1 можно в документе Version 21.1 Software and FT232H, FT2232H и FT4232H. Их USB-интерфейс Intel Device Support Release Notes. отвечает спецификации USB 2.0, поддерживае- мые скорости передачи — Hi-Speed (480 Mбит/с) Компания Intel PSG (ранее ALTERA) выпустила RUNIC и Full-Speed (12 Mбит/с). новую версию САПР Quartus Prime Pro Edition 21.1. Новые микросхемы прошли официальное тести- Дистрибутив новой версии уже доступен на офи- Компания RUNIC выпустила серию малошумя- рование на соответствие требованиям специфика- циальном сайте компании Intel. щих операционных усилителей RS72x. В настоя- ции USB 2.0 и спецификации USB Type-C & PD 3.0. щее время доступны 1-, 2‑ и 4‑канальная версии. Подробная информация по микросхемам будет Наиболее существенные изменения в новой Новый усилитель характеризуется отличным доступна в мае 2021 года после официального версии: соотношением потребления и быстродействия, объявления начала производства. • улучшен графический интерфейс; имеет вход и выход от шины до шины. Имеется • улучшено использование ресурсов ПЛИС Intel прецизионная версия RS721P с максимальным Infineon напряжением смещения 500 мкВ. Усилитель вы- Agilex; пускается в корпусах SC70, SOT‑23, SOIC, MSOP, Компания Infineon представила семейство • добавлены новые возможности в инструмент TSSOP и TDFN. CoolSiC Hybrid IGBT в дискретном корпусе с бло- кирующим напряжением 650 В. Транзисторы Design Assistant; Lattice на основе кремния по технологии TRENCHSTOP 5 • обновлены отчеты компилятора (reports) для IGBT на 650 В скомбинированы с карбидокремни- Компания Lattice Semiconductor выпусти- евыми обратными диодами Шоттки. Благодаря по- статического временного анализа (static timing ла обновление для САПР Lattice Radiant 2.2.1. вышенной частоте коммутаций и меньшим потерям analysis) и результатов синтеза (synthesis); Установить обновление можно как из самого коммутации новые транзисторы отлично подходят Lattice Radiant 2.2, так и загрузив дистрибутив для DC/DC-конвертеров и компенсации реактив- с официального сайта Lattice Semiconductor. ной мощности (PFC). Наиболее существенные изменения в новой Области применения: зарядные устройства; версии: аккумуляторы; фотоэлектрические инверторы; • добавлена поддержка микросхем семейства источники бесперебойного питания (UPS); им- пульсные источники питания (SMPS). CrossLink-NX на 17 и 40 тысяч эквивалентных логических элементов, со спидгрэйдом (–7) Благодаря совмещению обратного SiC-диода в корпусах CSFBGA121, CABGA196; Шоттки в одном корпусе с кремниевым IGBT- • обновлен инструмент Power Calculator; кристаллом транзисторы серии CoolSiC Hybrid • интегрированный симулятор Mentor ModelSim работают со значительно сокращенными поте- Lattice Edition обновлен до версии 2021.02. рями переключения при неизменных значениях Подробнее ознакомиться со всеми обновлени- dv/dt и di/dt. Уменьшено до 60% значение Eon ями можно в документе Lattice Radiant Software и на 30% значение Eoff по сравнению со стан- 2.2.1 Release Notes на официальном сайте Lattice дартными кремниевыми обратными диодами. Semiconductor. И наоборот, можно увеличить частоту переклю- чений почти на 40% с неизменными требовани- Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, бизнес-центр «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: [email protected]. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '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
- 109
- 110
- 111
- 112
- 113
- 114
- 115
- 116
- 117
- 118
- 119
- 120
- 121
- 122
- 123
- 124
