КОМПОНЕНТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ
Components 8с Technologies
Реклама
www.kit-e.ru
№ 6’2019 (ир>нь)
R&S®FSWP
Полностью сертифицированное решение
R&S FSWP - это решение для прецизионного измерения фазового шума сертифицированное в РФ
с гарантированной спецификацией по чувствительности в непрерывном и импульсном режимах.
Прибор является уникальным моноблочным решением, сочетающим в себе комплекс средств
по тестированию шумовых параметров СВЧ компонентов и систем.
Хотите узнать, как без проблем провести
приёмо-сдаточные испытания?
ISSN 2079-6811
Источники и блоки питания
Генераторы
на СВЧ- и КВЧ-диодах
Комбинированный варистор
компании BOURNS
Конструирование ПП
с выполнением требований по ЭМС
III
Сделайте правильный выбор
Широкий ассортимент устройств по управлению питанием
Компания Microchip, ведущий поставщик широкого ассортимента изделий для
управления и мониторинга питания, предоставляет разработчикам универсальную
возможность выбрать правильное решение для успешной реализации проекта.
Управление электропитанием системы является определяющим условием,
обеспечивающим требуемые характеристики проектируемого приложения. Наша
продуктовая линейка устройств для мониторинга питания позволяет очень точно
измерять активную, реактивную и кажущуюся мощность, среднеквадратичное
значение тока и напряжения, частоту напряжения сети питания и коэффициент
мощности. Широкий ряд устройств для управления питанием, к которым
относятся DC/DC-контроллеры и регуляторы, MOSFET и драйверы MOSFET,
супервизоры напряжения и ИОН, а также силовые модули, позволяет найти
эффективное решение по управлению питанием в соответствии с требованиями
проектируемой системы.
Все средства, начиная с исходных проектов и заканчивая оценочными платами,
а также инструментами моделирования, позволят сократить время разработки
и свести к минимуму риски, обеспечив, таким образом, всестороннюю поддержку
со стороны компании Microchip.
Найдите свое решение по управлению питанием на
www.microchip.com/PowerSolutions
Название компании Microchip и ее логотип, а также логотип Microchip являются зарегистрированными торговыми марками компании Microchip
Technology Incorporated в США и других странах. Все иные торговые марки являются собственностью соответствующих компаний.
© 2019 Microchip Technology Inc. Все права защищены. DS20006065A. MEC2230Rus01/19
Реклама
Четырехканальный импульсный DC/DC стабилизатор в микромодульном
исполнении;
Два канала с током нагрузки до 12 А и два канала с током нагрузки до 5 А;
* Индивидуально устанавливаемые диапазоны выходного напряжения для
каждого канала (+0.Б...+3.3 В для каналов на 12 А и +0.Б...+5.5 В для каналов
на 5 А);
Встроенные механизмы зашиты от перегрева, перенапряжения и
□ ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT'S POSSIBLE1”
перегрузки по току;
Возможность внешней синхронизации переключения внутренних ключей;
Габаритные размеры 9.5 х 1Б х 4.72 мм.
Оборудование дата-центров и телекоммуникационная аппаратура
Схемы питания мошных FPGA, ASIC и сигнальных процессоров
Распределенные системы электропитания
• Техническая поддержка • Сопровождение проектов
• Складская программа
Реклама
TE5ON '
www.teson. ги
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР В РФ
Новосибирск
♦7383 380-68-92
info nsk@teson ги
ООО«ТЕСОН#
Москва
♦7495935710}
.и' о (ш tesoii.ru
Санкт-Петербург
•7 012 3177871
lilfo чрЬфИгчап in
Екатеринбург
• 7 343 2807071
info ekb(a)tesonju
6 (215) '2019
Главный редактор
Павел Правосудов | pavel@fsmedia.ru
Заместитель главного редактора
Ольга Дорожкина (Зайцева) | olga_z@fsmedia.ru
Выпускающий редактор
Алина Жилина | alina.zhilina@fsmedia.ru
Редактор
Наталья Новикова | Natalia.Novikova@fsmedia.ru
Редакционная коллегия
Александр Фрунзе,
Иосиф Каршенбойм,
Светлана Муромцева,
Виктор Лиференко, д. т. н., профессор
Владимир Махов, д. т. н.
Дизайн и верстка
Ольга Ворченко | olga@fsmedia.ru
Отдел рекламы
Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru
Отдел подписки
Наталия Виноградова | podpiska@fsmedia.ru
Москва
ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2
Тел./факс: (495) 987-3720
Санкт-Петербург
197101, Петроградская наб., д. 34, лит. Б
Тел. (812) 438-1538
Факс (812)346-0665
e-mail: compitech@fsmedia.ru, web: www.kit-e.ru
Республика Беларусь
«ПремьерЭлектрик»
Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж
Тел./факс: (10*37517) 297-3350, 297-3362
e-mail: murom@premier-electric.com
Отдел распространения
Санкт-Петербург:
Виктор Золотарев | victor.zolotarev@fsmedia.ru
Подписные индексы
Каталог агентства «Роспечать»	80743
Каталог «Почта России»
полугодие	60194
год	60195
Содержание
Источники
и блоки питания
Владимир РЕНТЮК
Обратноходовые преобразователи
с обратной связью без оптопар:
решение от ADI
Дмитрий ДЕШЕВ,
Роман ЗОЛОТУХО
Конфигурируемые решения
компании Lattice Semiconductor
для проектирования подсистем
управления электропитанием
Нейтан ЭНГЕР (Nathan ENGER)
Перевод:
Михаил РУССКИХ
Организация
оптимального питания FPGA:
как его реализовать
и почему это необходимо
для эффективной работы FPGA.
Часть 1
Стив РОБЕРТС (Steve ROBERTS)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Требования
к DC/DC-преобразователям
для медицинской аппаратуры
с монтажом на печатную плату
Илья БАНЩИК
Онлайн ИБП с резервированием:
QUINT4-UPS мощностью 1000 В-А
от Phoenix Contact
Рынок
Ольга БЛИНКОВА
ИТМО и Keysight:
сотрудничество мирового класса 36
7 Итоги работы VIII Всероссийской
научно-технической конференции
«Электромагнитная совместимость» 40
Компоненты
Владимир ГЕВОРКЯН,
14 Виктор КОЧЕМАСОВ
Генераторы
на СВЧ- и КВЧ-диодах.
Часть 1. Состояние производства.
Принципы построения	43
Артемий СКРЕБНЕВ
Фильтры ЭМП ТЕКО
для промышленного применения 52
19
Кремниевый эпитаксиально-планарный
с барьером Шоттки диод
категории качества «ВП» 2ДШ157А9	56
Владимир РЕНТЮК
Элементы BOURNS для защиты
от статического электричества
и переходных процессов	57
28
Владимир РЕНТЮК
Комбинированный варистор
компании BOURNS —
эффективное решение проблемы
32 защиты оборудования	64
Подписано в печать 14.06.19
Тираж 6000 экз.
Свободная цена
Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован
Министерством Российской Федерации по делам печати,
телерадиовещания и средств массовых коммуникаций.
Свидетельство о регистрации ПИ № ТУ 78-00653
от 22 июля 2010 года.
Учредитель
ООО «Издательство Файнстрит»
Адрес редакции
121351, Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, к. 1, стр. 2
Издатель ООО «Издательство Файнстрит»
197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б
Отпечатано в типографии «Премиум Пресс»
197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.
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.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ЩЕ ЭЛЕКТРОНИКС
НЕЗАВИСИМЫЙ ПРЕДСТАВИТЕЛЬ
MOUSER ELECTRONICS.
MOUSER
ELECTRONICS
НАЙДЕШЬ НА MOUSER.COM - ЗАКАЖИ В ПМ ЭЛЕКТРОНИКС!
Honeywell
Acindh
©TDK _
VISHAY
HV5 /аУА( t

QBROADCOM
SILICON LABS
TOSHIBA
Panasonic
► ANALOG
DEVICES
AHf M> OF WHATS possrair •
Instruments
F integrated
4^>йсгоп 1
omRon
Littelfuse
Micnosemi
ON Semiconductor
POWER BY
Microchip
~ ИПСЛВ
CREE-r
AUTHORIZED DISTRIBUTOR
molex
Opto Semiconductors
|«4»*OVAt 04 IN ll[<
Amphenol
Cximprjnieli
LiFC
PPHCENIX
CONTACT
INiPIRINC, INNOVATIONS
Электронные компоненты со склада MOUSER в России
Более 5 000 000 продуктов от 750 ведущих производителей
Широкий выбор новой продукции для разработок
Поставки от 1 штуки
Ежедневное обновление склада
Доставка заказа курьерской службой в любую точку России
Реклама
QQj ЭЛЕКТРОНИКС
ООО	+7 (812) 320-71-65	info@pmelectronics.ru
«ПМ Электронике»	8-800-222-2312	www.pmelectronics.ru
(звонок по России бесплатный)
6 (215) ’2019
Editor-in-chief
Pavel Pravosudov | pavel@fsmedia.ru
Deputy of editor-in-chief
Olga Dorozhkina (Zaytseva) | olga_z@fsmedia.ru
Managing editor
Alina Zhilina | alina.zhilina@fsmedia.ru
Editor
Natalia Novikova | Natalia.Novikova@fsmedia.ru
Editorial staff
Alexander Frunze
Svetlana Muromtseva
Victor Liferenko
Joseph Karshenbojm
Vladimir Mahov
Design and layout
Olga Vorchenko | olga@fsmedia.ru
Advertising department
Irina Milenina | irina@fsmedia.ru
Subscription department
Natalia Vinogradova | podpiska@fsmedia.ru
Moscow
7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str.,
Moscow, Russia
Tel.+7 (495) 987-3720
St. Petersburg
b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb.,
St. Petersburg,
197101, Russia
Tel. (812) 438-1538
Fax (812)346-0665
e-mail: compitech@fsmedia.ru
web: www.kit-e.ru
Belarus Republic
Minsk, Premier Electric
Tel./fax: (10*37517) 297-3350,
297-3362
e-mail: murom@premier-electric.com
Circulation department
St. Petersburg:
Victor Zolotarev | victor.zolotarev@fsmedia.ru
Subscription index
for Components & Technologies
Rospetchat Agency catalogue
subscription index 80743
KSS agency
Tel. in Kiev: 044-270-6220, 270-6222
subscription index 10358
Содержание
Андрей ВЛАСОВ
Новая микросхема приемника
разовых команд ОАО НПО «Физика» 68
Валерий СОЛОВЬЕВ
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 9. Алгоритмические умножители 72
Валерий ЗОТОВ
Одноядерные
полностью программируемые
системы на кристалле фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC.
Часть 2	79
Владимир МАКАРЕНКО
Микроконтроллеры Analog Devices
с ультранизким энергопотреблением
для систем 1оТ	89
Автоматизация
Алексей ГУСАРОВ
Гетерогенная система связи,
обеспечивающая когерентность
устройств для построения
самоорганизующихся сетей IPv6	95
П роекти рован ие
Дмитрий ДОБРОХОТОВ
Универсальный
связной контроллер
на базе ESP32-PICO-D4. Часть 2	100
Рекомендации по подключению
электродвигателя к Arduino
Василий ДЕНИСЕНКО
О повторном использовании
аппаратных ресурсов
конечного автомата
Юрий ЛЕГАН
Разработка моделей цифровых
элементов Digital SimCode
для Altium Mixed Sim
Кеннет УАЙТТ
(Kenneth WYATT)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Особенности конструирования
печатных плат
с выполнением требований
по ЭМС
Технологии
Владимир ГУРЕВИЧ
О целесообразности испытаний
электронной аппаратуры
электроэнергетики
на устойчивость
к воздействию ЭМИ ЯВ
Дмитрий КАПЛУН,
Максим МИНЕНКО
Возможности взаимодействия
осциллографа RTE1104
с программной средой MATLAB
104
108
112
121
130
136
ЯПЕ''«
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
NEW
life, augmented
микроконтроллер
STM32L422
СВЕРХНИЗКОЕ
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ:
►	режим выключения - от 8 нА
►	режим ожидания - от 28 нА
►	режим стоп - от 1 мкА
►	активный режим - от 36 мкА/МГц
Тактовая частота - до 80 МГц
Производительность 100 DMIPS/273.55 CoreMark
Алгоритм блочного шифрования AES - ключ 128/256-бит
4 типа корпусирования: LQFP32 (LQFP48, LQFP64),
UFBGA64, UFQFPN32 (UFQFPN48), WLCSP36
Реклама
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
Единый телефон: 8-800-333-63-50
info@ptelectronics.ru | www.ptelectronics.ru
Офисы компании: Санкт-Петербург, Москва,
Чебоксары, Нижний Новгород, Екатеринбург,
Новосибирск, Ижевск, Таганрог, Пермь
VIII ВСЕРОССИЙСКАЯ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ
13КБ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИИ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗОЙ
ДИВЕРСИФИКАЦИЯ ПОСТАВОК
В РАМКАХ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ
15-16 АВГУСТА 2019 ГОДА
ГОРОД МОСКВА
Для участия в конференции* необходимо направить заявку
в Организационный комитет не позднее 09.08.2019 г.
Организационный комитет:
АО «ТЕСТПРИБОР»
Телефон/факс: (495) 657-87-37
E-mail: tp@test-expert.ru
СТП1*И6О
смет
я прошодггепм
РЭА. ЛЩ>  промадо
машвенроеям
мнии'рип
* Участие в конференции платное.
За подробной информацией о программе конференции, пожалуйста, обращайтесь в Организационный комитет.
Реклама
источники и блоки питания
Обратноходовые
преобразователи
с обратной связью без оптопар:
решение от ADI
Владимир РЕНТЮК
Rvk.modul@gmail.com
Обратноходовые преобразователи уже давно стали классической тополо-
гией изолированных импульсных преобразователей напряжения средней
мощности. Однако им, как и всем изолированным преобразователям,
присущ один недостаток — сложность обеспечения стабилизации вы-
ходного напряжения, которая и является следствием изолированности.
Для реализации стабилизации существует несколько решений. В статье
рассматривается метод, предложенный компанией Analog Devices Inc.
(ADI), которая в своих новых контроллерах с широтно-импульсной моду-
ляцией применила собственную разработку — интегральную гальвани-
ческую развязку на основе уже достаточно хорошо зарекомендовавшей
себя технологии (Coupler.
Особенностью обратноходового, или,
в английской терминологии, flyback,
преобразователя является преобразо-
вание входного напряжения в выходное пу-
тем накопления и сохранения энергии в сер-
дечнике трансформатора в течение времени
включения силового ключа, а его передача
во вторичную цепь происходит во время его
выключения, то есть на обратном ходу — от-
сюда и название. На рис. 1 показана упро-
щенная схема такого преобразователя.
Vqut= V,n(1/N)(8/(1-5)),
если > ^оит или V^< Vq^.
Когда переключатель замкнут, то через
первичную обмотку трансформатора Тр
имеющую индуктивность Lp, с нарастанием
со скоростью VIN/LP проходит ток IS1. В тече-
ние этого времени через вторичную обмотку
Рис. 1. Упрощенная схема обратноходового преобразователя
трансформатора, имеющую индуктивность
Ls, ток в нагрузку не поступает. В этот пери-
од ток нагрузки на вторичной стороне обе-
спечивается энергией, предварительно нако-
пленной в конденсаторе СР
Когда ключ S, размыкается, резкий спад
магнитного поля в трансформаторе вызыва-
ет изменение полярности напряжения и, со-
ответственно, тока первичной и вторичной
обмоток. Энергия, запасенная в первичной
обмотке трансформатора, теперь передается
на вторичную обмотку. Напряжение на вто-
ричной обмотке резко возрастает, и импульс
тока, падая со скоростью Vaults’ поступа-
ет в нагрузку и заряжает конденсатор СР
Диод 1Д здесь используется в качестве пико-
вого выпрямителя.
Передаточная функция обратноходового
преобразователя Vqut^in = 1/АГ(8/( 1—8)),
где N — коэффициент трансформации;
б = t0N/T, где Т— обратная величина от ча-
стоты преобразования fosc.
Преимуществом этой топологии является
то, что в ней могут быть легко реализованы
напряжения, превышающие входное, при-
чем на коротких рабочих импульсах, а так-
же несколько выходных, при необходимости
еще и с различной полярностью. Первое реа-
лизуется выбором коэффициента трансфор-
мации, а второе — добавлением нескольких
вторичных обмоток. Число компонентов
в преобразователях этой топологии неве-
лико, так что данная топология хороша для
недорогих конечных конструкций.
Однако эта топология не лишена и недо-
статков. Один из них связан с трансформа-
тором. Его сердечник выполняется с обяза-
тельным воздушным зазором, поскольку он
не должен попасть в режим насыщения, даже
если имеется значительный положительный
постоянный ток, протекающий через обмот-
ку трансформатора. Это недопустимо, так
как если сердечник имеет большую петлю
магнитного гистерезиса, то КПД в данном
случае может резко упасть. Кроме того, из-за
высоких пиковых токов могут стать пробле-
мой и потери на вихревые токи в обмотках.
Здесь имеется и косвенная проблема, которая
заключается в том, что в момент выключения
ключа возникает выброс напряжения (его
причина — ЭДС самоиндукции), который,
если не принять мер, вызывает значитель-
ную нагрузку по напряжению сток-исток для
коммутирующего обмотку трансформатора
полевого транзистора. Однако все это балан-
сируется простотой реализации обратнохо-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
8
источники и блоки питания
довых преобразователей. Не меньшие про-
блемы есть и у других топологий, особенно
когда речь идет о блоках питания небольшой
и средней мощности.
Вторая проблема связана с тем, что в слу-
чае с гальванически изолированными бло-
ками питания следует решить, на какой
стороне гальванической развязки будет
находиться контроллер, то есть интеграль-
ная схема управления. Если он расположен
на вторичной стороне, через гальваническую
развязку должно обеспечиваться управление
силовыми ключами на первичной стороне.
Но при обратноходовой топологии все, как
правило, сосредоточено именно на первич-
ной стороне, а слежение за напряжением
необходимо брать с вторичной стороны,
для которой, собственно, и необходима под-
держка уровня напряжения. В общем виде
это показано на рис. 2. Регулирование и, со-
ответственно, стабилизация осуществляются
изменением рабочего цикла 8 через время от-
крытия ключа tON.
Как можно видеть, это не так уже и слож-
но, но, тем не менее, здесь имеются пробле-
мы. Чтобы обеспечить стабильность выход-
ного напряжения, необходимо передать сиг-
налы регулирования через гальваническую
развязку, для чего обычно используются
оптоэлектронные приборы в паре с частот-
но компенсированным усилителем ошибки
и источником опорного напряжения. Прежде
всего, оптоизоляторы — это сама по себе
проблема. Они имеют ограничение по диа-
пазону рабочих температур, как правило, она
не превышает +85 °C, кроме того, их коэф-
фициент передачи тока (current transfer ratio,
CTR) изменяется co временем, что означает
и изменение их поведения в течение срока
службы блока питания. Также, напомним,
для управления оптопарами требуются до-
полнительные компоненты, а сам контур
обратной связи изолированного источника
питания на основе оптронов, даже учиты-
вая компенсацию, обычно очень медленный
и не успевает отслеживать быстрые пере-
ключения в нагрузке. Ну, и не забываем, что
использование оптронов с их обвеской —
это еще и площадь на печатной плате, плюс
ко всему особенности ее разводки. Причем
тут речь идет не только о проводниках и их
подключениях, но часто и о вырубках в ди-
электрике печатной платы, что необходимо
для удлинения путей токов утечки и увели-
чения воздушных зазоров, требуемых для
выполнения стандартов безопасности. А мы
живем во время миниатюризации.
Выходное напряжение обратноходового
преобразователя может быть стабилизиро-
вано и по первичной стороне. Такое решение
исключает оптрон и тем самым уменьшает
общее число компонентов стабилизатора.
Элегантные решения этой проблемы были
разработаны в последние годы. Первое ре-
шение — контроллер обратной связи, кото-
рый не измеряет выходное напряжение на-
Рис. 2. Блок-схема импульсного стабилизатора с изолированной обратной связью
4n
2,7-36 В
Чэит+
5В
2-130 мА
2-230 мА
2-320 мА
2-370 мА
Чэит-
Рис. 3. Обратноходовой преобразователь напряжения без изолированного канала обратной связи
на контроллере LT8301
прямую. Это достигается путем мониторинга
формы сигнала в первичной обмотке, с при-
менением детектирования точки перегиба
кривой намагничивания для определения
момента, когда ток во вторичной обмотке до-
стигнет нуля. Регулирование здесь также осу-
ществляется изменением рабочего цикла 8
через время открытия ключа t0N.
На рис. 3 в качестве примера показано та-
кое решение, выполненное на основе кон-
троллера обратноходового преобразователя
LT8301 компании ADI [1]. Благодаря встро-
енному силовому ключу, причем в корпусе
SOT23, здесь требуется очень мало внешних
компонентов. Напряжение пробоя изоля-
ции цепи теперь зависит только от исполь-
зуемого трансформатора. Это обеспечивает
большую гибкость, особенно если требуются
очень высокие напряжения изоляции.
Точность этого регулирования зависит
от обычных условий применения, включая
входные и выходные напряжения, изменения
нагрузки и входного напряжения. Как прави-
ло, данные решения предусмотрены в преоб-
разователях малой мощности, работающих
на относительно стабильные по потребляе-
мой мощности нагрузки. Однако для боль-
шого числа применений точность стабили-
зации в пределах ±(10-15)% является доста-
точно хорошей. Для большинства, но не для
всех, поскольку, например, на 5-В нагрузке
напряжение может меняться в пределах
от 4,35 (при полной нагрузке) до 5,75 В (в де-
журном режиме). И это еще без влияния тем-
пературы и без учета погрешности началь-
ной установки напряжения, так что картина
(V|N = 5 В)
(V,N = 12 В)
(V|N = 24 В)
(V|N = 36 В)
может оказаться еще более плачевной. Кроме
того, и это следствие сказанного, данные пре-
образователи обычно имеют ограничения
по минимальной нагрузке, что тоже не всегда
приемлемо, а их КПД весьма зависит и от на-
грузки, и от входного напряжения (рис. 4).
Как мы видим, схема, показанная на рис. 3,
оптимизирована только для входного напря-
жения 24 В, и ее КПД падает на малых токах
нагрузки. Что же тогда делать? Ведь хочет-
ся избежать привязки к трансформатору,
улучшить характеристики производитель-
ности, особенно КПД, и стабильность выход-
ного напряжения, а еще место сэкономить.
Компания ADI предлагает решение — кон-
троллеры серии ADP1071 [2], которые были
Рис. 4. Зависимость КПД для схемы,
представленной на рис. 3,
от тока нагрузки и уровня входного напряжения
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
источники и блоки питания
9
На каждом входном перепаде схема драйвера
передает одиночный или двойной импульс 1 нс
в трансформатор
Импульсы передаются
из верхней катушки в нижнюю
через полиимидную изоляцию
Входной цифровой сигнал
Металл, нанесенный
Спада-
ющий
фронт
Нараста-
ющий
фронт
с нарастающим и спадающим фронтами
по технологии CMOS
Рис. 5. Принцип действия изолятора iCoupler
ШЛ JULJL
Схема приемника
восстанавл и вает
входной сигнал
из принятых импульсов
Рис. 6. Изолятор iCoupler в интегральном исполнении
впервые представлены в марте 2017 года [5],
а коммерчески доступными стали в начале
2018-го.
В новое семейство входят изолированные
контроллеры синхронного обратноходово-
го преобразователя ADP1071-1 и ADP1071-2,
особенностью которых является полностью
интегрированный канал обратной связи, вы-
полненный по проприетарной технологии
компании ADI — iCoupler. Вариант испол-
нения ADP1071-1 предназначен для работы
в системах с высокими входными напряже-
ниями, превышающими 60 В, a ADP1071-2 —
в низковольтных системах, при входном на-
пряжении ниже 60 В.
Что касается непосредственно самой тех-
нологии iCoupler, она не нова, известна с на-
чала 2000-х и первоначально использовалась
в изолированных интерфейсах [3] или само-
стоятельно. Она хорошо себя зарекомендова-
ла и начала применяться, например, в сигма-
дельта-модуляторах и в драйверах затворов.
В ее основе лежат трансформаторы на кри-
сталле, которые формируются по КМОП-
технологии в процессе изготовления полу-
проводниковой пластины. Каналы iCoupler
могут быть встроены как недорогие функ-
циональные узлы в разнообразные полу-
проводниковые устройства. Принцип рабо-
ты изолирующего канала iCoupler показан
на рис. 5 [4], а его интегральное воплоще-
ние — на рис. 6 [ 10].
Принцип работы следующий. Входные ло-
гические перепады кодируются импульсами
длительностью 1 нс. Каждый положитель-
ный перепад вызывает появление двух им-
пульсов, а каждый отрицательный — одно-
го. Эти импульсы поступают на первичную
обмотку трансформатора, образованного
металлическим проводником на верхней сто-
роне полиимидного диэлектрического слоя.
На нижней стороне изолирующего слоя рас-
положена вторичная обмотка трансформато-
ра. Импульсы с вторичной обмотки поступа-
ют на декодирующую схему, которая восста-
навливает входной сигнал. Таким образом,
технологию можно использовать в системе
на основе ШИМ-модуляции, которая, как из-
вестно, является основой любого импульсно-
го стабилизированного источника питания,
Рис. 7. Типовое включение контроллера обратноходового преобразователя ADP1071-2
со встроенным каналом обратной связи для очень точного регулирования
в том числе и обратноходового. Здесь инте-
гральные трансформаторы выполнят роль
гальванической развязки, связав вторичный
контур с первичным.
Интегрированная технология iCoupler ком-
пании Analog Devices устраняет занимающие
много места оптопары и связанные с ними
проблемы, что снижает сложность проекта
и сокращает общее число компонентов. При
этом она позволяет организовать эффектив-
ное регулирование с высоким быстродействи-
ем на изменение нагрузки (так называемый
сброс/наброс), изменение (в том числе и сту-
пенчатое) входного напряжения, а также по-
высить надежность системы в целом.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
10
источники и блоки питания
5В
Рис. 8. Контроллеры семейства ADP1071 — подробная блок-схема
На рис. 7 показана функциональная схема
обратноходового преобразователя, выпол-
ненная на базе микросхемы ADP1071 [6].
Сама микросхема ADP1071 содержит кон-
троллер первичной стороны, схему управле-
ния синхронным выпрямителем вторичной
стороны для повышения эффективности
преобразования и полностью интегрирован-
ный канал регулирующей обратной связи
с быстрой ответной реакцией на возмущаю-
щие воздействия. В отличие от схем регули-
рования на основе традиционных оптронов,
данное решение допускает температуру кри-
сталла до +125 °C.
Микросхемы семейства ADP1071 пред-
ставляют собой ШИМ-контроллеры син-
хронных обратноходовых преобразова-
телей со стабилизацией по току индуктив-
ности и фиксированной рабочей частотой.
Благодаря встроенным изоляторам и драйве-
рам силовых МОП-транзисторов как на пер-
вичной, так на вторичной стороне, ADP1071
предлагают компактное решение системного
уровня и при больших нагрузках обеспечи-
вают более высокую эффективность, чем об-
ратноходовой преобразователь с диодным
выпрямителем.
Использование контроллеров семейства
ADP1071 исключает применение оптопар,
повышает надежность системы, расширяет
ее рабочий температурный диапазон и ре-
шает проблему временной деградации оп-
тронов. Если же говорить в целом, то благо-
даря интеграции большого количества узлов
и функций, в числе которых развитая за-
щита, стабилизация выходного напряжения,
режим малой нагрузки с повышенным КПД
и драйверы транзисторов синхронного вы-
прямителя, площадь печатной платы конеч-
ного решения преобразователя будет умень-
шена на 35%, а его надежность по сравнению
с традиционными преобразователями, реа-
лизующими аналогичные функциональные
возможности (для чего требуется много дис-
кретных компонентов), значительно улуч-
шена. Функции защиты предусматривают
защиту по входному току, от перенапряже-
ния на выходе (OVP), блокировку понижен-
ного напряжения (UVLO), прецизионное
включение с регулируемым гистерезисом
и защиту от перегрева (ОТР).
Для оценки функциональной насыщен-
ности контроллеров семейства ADP1071 до-
статочно посмотреть на их блок-схему, пред-
ставленную на рис. 8.
Важным моментом рассматриваемых кон-
троллеров является то, что управление ШИМ
осуществляется на первичной стороне путем
измерения цикла пикового входного тока
по циклу с помощью чувствительного рези-
стора на истоке основного ключа. Выходное
напряжение преобразователя измеряется
на вторичной стороне, откуда для полного
решения контура управления через встроен-
ные изоляторы отправляются сигналы об-
ратной связи и ШИМ на первичную сторону.
Технология iCoupler также обеспечивает ши-
рокую полосу пропускания, благодаря чему
время реакции на переходные процессы со-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
11
кращается более чем в пять раз, а выходная
емкость уменьшается на 20%. При этом об-
щее регулирование (и в итоге стабилизация)
выходного напряжения достигается очень
точным и, прежде всего, малым временем
установления даже при больших бросках
тока в нагрузке и связанных с ними переход-
ных процессах.
Первичная схема в ADP1071-1/ADP1071-2
включает LDO-стабилизатор напряжением
8 В, датчик входного тока, схему смещения
и драйверы МОП-ключей, в том числе актив-
ный драйвер сброса клампера, компенсацию
наклона (slope compensation), внешнюю син-
хронизацию частоты, генератор ШИМ и про-
граммируемую под максимальную нагрузку
настройку рабочего цикла. Первичная сторо-
на также имеет контакты для дифференци-
ального считывания сигнала с резистивного
датчика тока.
Вторичная схема включает схему компенса-
ции петли обратной связи, LDO-стабилизатор
напряжением 5 В, внутренний источник
опорного напряжения, два драйвера МОП-
транзисторов для синхронного выпрямления
и специальный вывод для защиты от пере-
напряжения. Кроме того, вторичная сторона
имеет входы для дифференциального изме-
рения выходного напряжения и программи-
руемую настройку режима работы с малой на-
грузкой LLM (Light Load Mode).
Связь между первичной и вторичной сторо-
нами, передавая сигнал обратной связи и ШИМ
через изолирующий барьер, как уже было ска-
зано, обеспечивают интегрированные транс-
форматоры iCoupler. При этом сигнал обрат-
ной связи и синхронизация PWM синхронного
выпрямителя передаются между первичной
и вторичной сторонами или между вторичной
и первичной сторонами через iCouplers, ис-
пользуя запатентованную схему передачи.
Контроллеры ADP1071 предлагают ком-
плексное решение для изолированного ис-
точника постоянного тока, объединяя изоля-
торы с электрической прочностью изоляции
5 кВ (исполнение в корпусе SOIC, для кор-
пуса LGA — 3 кВ) и первичные и вторич-
ные схемы управления в одном 16-вывод-
Рис. 9. Оценочный комплект EVAL-ADP1071-1 (вид сверху и снизу)
ном корпусе SOIC W (установочный размер
10,5x10,65 мм, толщина 2,65 мм) или 24-вы-
водном корпусе LGA (размеры 8,1х4,1 мм,
толщина 1,2 мм).
Для облегчения проектирования компа-
ния ADI предлагает три комплекта оценоч-
ных плат [7-9]. Первый комплект EVAL-
ADP1071-1 (рис. 9) представляет собой
полностью завершенную оценочную плату
изолированного источника питания (с ди-
одными выпрямителями на вторичной сто-
роне), который обеспечивает три выходных
напряжения +5,5; +24 и -15 В при общей но-
минальной мощности 15 Вт от входного на-
пряжения 18-32 В. Чтобы максимизировать
эффективность в условиях малой нагрузки,
контроллер ADP1071-1 действует с рабочей
частотой преобразования 50 кГц. Это сводит
к минимуму коммутационные потери пре-
образователя, и эффективность достаточно
высока, чтобы поддерживать малые разме-
ры трансформатора. Оценочная плата имеет
КПД на уровне 85% и изоляционный барьер
5 кВ. Она выполнена в компактном форм-
факторе, что делает ее практически закончен-
ным решением, пригодным для промышлен-
ных применений, которые обычно имеют
различные шины напряжения.
Второй комплект ADP1071-2EBZ3.3V
(рис. 10а) представляет собой полностью за-
вершенную оценочную плату изолированно-
го источника питания в топологии с обратной
связью с синхронным выпрямителем, рабо-
тающим на частоте переключения 200 кГц.
Оценочная плата обеспечивает номинальное
выходное напряжение 3,3 В с током нагрузки
до 3 А и функционирует от источника напря-
жения в диапазоне 36-60 В DC. Также имеется
вспомогательный выход 8 В DC, рассчитанный
на ток 10 мА. Работа преобразователя осущест-
вляется в режиме непрерывной проводимости
(continuous conduction mode, ССМ).
Рис. 10. Оценочные комплекты: a) ADP1071 -2EBZ3.3V; 6) ADP1071-2EBZ12.1V
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
12
источники и блоки питания
Третий комплект ADP1071-2EBZ12.1V (рис. 10б) представляет
собой полностью завершенную оценочную плату изолированно-
го источника питания в топологии с обратной связью с синхрон-
ным выпрямителем, работающим на частоте переключения 300 кГц.
Оценочная плата обеспечивает номинальное выходное напряже-
ние 12,1 В с током нагрузки до 3 А (длительно) и 5 А (в импульсе),
действует от источника напряжения в диапазоне 36-60 В DC. Работа
преобразователя осуществляется в режиме непрерывной прово-
димости (continuous conduction mode, ССМ) и обеспечивает такие
функции, как прецизионная установка блокировки при пониженном
входном напряжении (UVLO), регулировка выходного напряжения,
синхронизация, управление постоянным током, запуск с предвари-
тельным смещением и комплексные функции защиты.
Графики КПД оценочных плат ADP1071-2EBZ3.3V и ADP1071-
2EBZ12.1V в зависимости от нагрузки и входных напряжений при-
ведены на рис. 11.
Благодаря интегрированной гальванической развязке и драйверам
в первичной и вторичной цепи эти контроллеры позволяют полу-
чить компактное решение, дающее больший КПД по сравнению с об-
ратноходовыми преобразователями на диодных выпрямителях при
высоких нагрузках. Микросхемы ADP1071-1 и ADP1071-2 имеют все
необходимые сертификаты безопасности (UL, CSA, VDE, CQC) и оп-
тимальны для проектирования DC/DC- и AC/DC-преобразователей
(при этом контроллер запитывается от вспомогательной обмотки,
а его запуск осуществляется от цепи высокого напряжения [2]) с галь-
ванической развязкой, применяемых в базовых станциях, устрой-
ствах с питанием через кабель Ethernet (Power of Ethernet, PoE),
в системах с архитектурой распределенного питания, а также ком-
мутаторах/маршрутизаторах сетей уровня предприятия и для теле-
коммуникационного и промышленного оборудования.
Технические характеристики:
•	интегрированная изоляция 5 кВ, технология iCoupler с Analog
Devices, Inc.;
•	контроллер в режиме непрерывной проводимости (ССМ) для то-
пологии с обратной связью;
•	программируемый LLM или ССМ для приложений с высоким вход-
ным напряжением;
•	программируемая компенсация наклона (slope compensation);
•	встроенный 1-А драйвер МОП-транзистора первичной стороны;
•	встроенный 1-А драйвер МОП-транзистора вторичной стороны
для синхронного выпрямления;
•	интегрированный усилитель ошибок и источник опорного на-
пряжения с отклонением менее 1%;
•	программируемый диапазон частот: 50-600 кГц;
•	предел импульса рабочего цикла: 85%;
•	программируемый плавный пуск и плавный пуск от предваритель-
но заряженной нагрузки;
•	защитные функции, такие как короткое замыкание, выходное пере-
напряжение и защита от перегрева;
•	широкий диапазон напряжения питания контроллера VDD2: до 36 В;
•	энергосберегающий режим при малых нагрузках (LLM) устанав-
ливается по выводу MODE;
•	циклическая защита от перегрузки по току на входе;
•	точность срабатывания защиты UVLO с гистерезисом;
•	синхронизация частоты;
•	исполнение: 16-выводной SOIC W и 24-выводной LGA.
Литература
1.	LT830142VIN Micropower No-Opto Isolated Flyback Converter with 65 V/1.2 A
Switch, www.analog.com/en/products/lt8301.html
2.	ADP1071 - 1/ADP1071-2 Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated
iCouplerData Sheet, www.analog.com/en/products/adpl071-2.html
3.	Рентюк В. Практические вопросы применения ИМС изолированного ин-
терфейса в части выполнения требования по электромагнитной совмести-
мости // Компоненты и технологии. 2015. № 3.
4.	Иоффе Д., Романов О. Изолирующие микросхемы на основе техноло-
гии iCoupler фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. 2006. № 7.
5.	Analog Devices’ Integrated, Isolated Power Controller Series Reduces Design
Complexity and Improves System Reliability, www.businesswire.com/news/
home/20170323005123/en/Analog-Devices%E2%80%99-Integrated-Isolated-
Power-Controller-Series
6.	Dostal Frederik. Flyback Converters Without Optocouplers: Existing Options.
www.analog.com/en/technical-articles/flyback-converters-without-
optocouplers-existing-options.html
7.	ADP1071-1EVALZ User Guide UG-1384. Evaluating the ADP1071-1 Isolated
Synchronous Flyback Controller with Integrated iCoupler. www.analog.com/
en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/
EVAL-ADP1071-2.html
8.	ADP1071-2EBZ3.3V User Guide UG-1117. Evaluating the ADP1071-2 Isolated
Synchronous Flyback Controller, www.analog.com/media/en/technical-
documentation/user-guides/ADP1071-2EBZ3.3V.pdf
9.	ADP1071-2EBZ12.1V User Guide UG-1129. Isolated Synchronous Flyback
Controller with Integrated iCoupler. www.analog.com/media/en/technical-
documentation/user-guides/ADP 1071-2EBZ12.1 V.pdf
10.	Duan lason. Isolation in Power Supply. Analog Devices, Inc. Mar. 2018.
www.psma.com/sites/default/files/uploads/tech-forums-safety-compliance/
presentations/is091 -isolation-power-supply.pdf
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
SSSLATTICE
ШШШ SEMICONDUCTOR.
ООО «ЭФО» -
СЕРТИФИЦИРОВАННЫЙ
ПАРТНЕР
LATTICE SEMICONDUCTOR
Lattice — один из ведущих производителей
ПЛИС, ИС передачи и обработки видео,
управления электропитанием и тактированием
Системы автоматизированной разработки для ПЛИС
iCEcube2
LatticeMico System
PAC-Designer
ORCAstra
Русскоязычное руководство
пользователя
САПР Lattice Diamond
можно заказать - www.efo.ru/library
www.latticesemi.ru
Реклама
С.-ПЕТЕРБУРГ
(812)327-8654
ZAV@EFO.RU
ООО «ЭФО» — ПОСТАВКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА
МОСКВА
(495) 933-0743
MOSCOW@EFO.RU
КАЗАНЬ
(843) 518-7920
KAZAN@EFO.RU
ЕКАТЕРИНБУРГ
(343) 278-7136
URAL@EFO.RU
РОСТОВ-НА-ДОНУ
(863) 201-2771
ROSTOV@EFO.RU
ПЕРМЬ
(342)220-1944
PERM@EFO.RU
Н. НОВГОРОД
(831)434-1784
NNOV@EFO.RU
ССЫЛКА
НА ЗАКАЗ
НОВОСИБИРСК
(383) 286-8496
NSIB@EFO.RU
14
источники и блоки питания
Конфигурируемые решения
компании Lattice Semiconductor
для проектирования подсистем
управления электропитанием
Дмитрий ЛЕШЕВ
ldv@efo.ru
Роман 30Л0ТУХ0
roman@efo.ru
В процессе создания современных цифровых устройств разработчикам
приходится уделять все больше внимания построению подсистем управ-
ления электропитанием. В статье представлены решения компании Lattice
Semiconductor, позволяющие упростить процесс разработки и существенно
сократить время проектирования подсистем управления электропитанием.
Современные тенденции мирового
рынка предъявляют высокие требо-
вания к производительности, быстро-
действию, энергопотреблению, размерам
и стоимости электронных систем. Для удов-
летворения этих требований многие про-
изводители используют сложные програм-
мируемые микросхемы (микропроцессоры,
FPGA), специализированные микросхемы
(ASSP, ASIC), высокоскоростные приемо-
передатчики (трансиверы, SERDES), АЕ[П,
Е[АП и другие.
Создание подсистемы электропитания для
современных сложных микросхем — трудо-
емкая задача. Для одной микросхемы может
понадобиться до пяти источников различ-
ных напряжений питания, с определенной
последовательностью их подачи и снятия,
а таких микросхем в одном устройстве может
быть несколько, и требования к подаче пита-
ния у каждой из них различны. Подсистема
питания должна также обеспечивать времен-
ную синхронизацию между сигналами сбро-
са и включением напряжений питания, под-
держивать возможность выбора источника
питания, горячую замену и множество иных
функций. Создание сложной подсистемы
питания способно значительно увеличить
количество и стоимость применяемых ком-
понентов. А время, необходимое для разра-
ботки и отладки такой системы при исполь-
зовании традиционных подходов, возрастает
в несколько раз.
Подсистемы управления
электропитанием
Традиционные подходы к реализации схе-
мы управления электропитанием сложных
электронных плат предполагают установку
нескольких разнотипных ИС, например от-
дельные контроллеры горячей замены, гене-
раторы сброса, контроллеры электропитания
и т.д. При проектировании систем много
усилий приходится тратить на координацию
работы этих ИС. К тому же для каждой
из них понадобятся дополнительные внеш-
ние компоненты — конденсаторы, резисто-
ры и прочее.
Увеличение количества компонентов
и, как следствие, стоимости всей платы
не единственный недостаток такого подхо-
да. Разработчику необходимо оптимальным
образом подобрать ИС для каждой из функ-
ций управления, что приводит к увеличению
времени разработки. Снятие с производства
какой-либо из выбранных микросхем может
привести к тому, что подсистему питания
(и, соответственно, печатную плату всего
устройства) придется разрабатывать заново.
Еще одним недостатком использования
традиционного подхода является отсутствие
гибкости. Микросхемы, реализующие ка-
кую-либо конкретную функцию, обычно
не конфигурируются. При необходимости
внести изменения придется подбирать дру-
гую ИС и, возможно, заново разводить пе-
чатную плату.
Эти проблемы обусловливают потреб-
ность в поиске нового подхода к организа-
ции управления электропитанием платы,
и компания Lattice Semiconductor предлагает
такой подход.
Суть его заключается в интеграции всех
функций управления питанием в одной ИС,
с возможностью конфигурирования под
конкретные задачи. Разработчикам больше
ispPAC-POWR XX Y	Y/	И	Г8
ГхОЛИЧвСТВО аналоговых ВХОДОВ			количество подстроечных выводов
l\OJ IrlHOO 1 DU L^klv|J|>JODDl7\ ВЫХОДОк?			1 ЮДО1 рои ко, CUJ 11/1 BUIL> 	АЦП, если есть
Рис. 1. Расшифровка наименований микросхем семейства Power Manager II
не нужно каждый раз проектировать подси-
стему управления питанием — достаточно
будет только сконфигурировать одну и ту же
ИС для удовлетворения потребностей каж-
дой отдельной печатной платы.
Lattice Semiconductor предлагает несколько
семейств конфигурируемых микросхем с ин-
тегрированными аналоговыми блоками для
реализации различных функций управления
электропитанием.
Семейство Power Manager II
Микросхемы семейства Power Manager II
предназначены для управления питанием
любой системы, где предусмотрено несколь-
ко источников питания. Они могут заменить
такие элементы, как контроллер горячей за-
мены, контроллер последовательности пода-
чи/снятия питания, генератор сигналов сбро-
са, сторожевой таймер и другие. Семейство
Power Manager II содержит пять микросхем.
Расшифровка наименований микросхем
представлена на рис. 1.
Микросхемы этого семейства способны
отслеживать одновременно до 12 напряже-
ний с помощью быстродействующих ком-
параторов и программируемых источников
опорного напряжения, выдавать управляю-
щие логические сигналы, измерять значения
напряжений на шинах питания с помощью
АЦП и осуществлять управление DC/DC-
конвертерами. Также эти микросхемы предо-
ставляют возможность считывать измерен-
ные действующие значения напряжения через
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
15
12 линий
для мониторинга
напряжения
• 2 компаратора на линию
• Контроль дифференциаль-
ного напряжения
• Программируемые пороги
- Диапазон: 0,67-5,7 В
- 368 градаций
- Точность 0,2% (тип.)
48
макро-
ячеек
CPLD
6 цифровых
входов
Интерфейс
12С
Таймеры
и тактовый
генератор
Рис. 2. Блок-схема микросхемы ispPAC-POWR1220AT8
интерфейс 12С. Микросхемы программиру-
ются внутрисхемно, что позволяет быстро
перенастраивать систему на этапе разработки
и отладки. Функционирование подсистемы
полностью определяется логикой работы
проекта, загружаемого во встроенную CPLD,
и ограничивается только функциональными
возможностями микросхемы. На рис. 2 пока-
зана архитектура самой старшей микросхемы
этого семейства — ispPAC-POWR1220AT8.
Применение микросхем Power Manager II
позволяет создать гибкую подсистему элек-
тропитания и сократить время на ее настрой-
ку и отладку. Так, если при традиционном
подходе для настройки источников питания
сложных систем требуется применение под-
8 подстроеч-
ных выводов
4 MOSFET-
драйвера
16 выходов
с открытым
стоком
•	Обратная связь подстройки
внешнего напряжения
•	Прецизионная подстройка
выходного напряжения
(<1%)
20 выходов
•	4 программируемых
MOSFET-драйвера
•	16 цифровых выходов
с открытым стоком
Энерго-
независимая
конфигурацион-
ная память
JTAG
строечных элементов, то для системы пита-
ния, созданной на основе Power Manager II,
понадобится лишь внутрисхемное перепро-
граммирование микросхемы. Таким образом
удается создать универсальную подсистему
электропитания с возможностью индивиду-
альной настройки для применения в различ-
ных устройствах. Краткие характеристики
микросхем семейства Power Manager II при-
ведены в таблице 1.
Семейство Platform Manager II
Микросхемы семейства Platform Manager II
могут использоваться в широком спектре
приложений, где большое внимание долж-
но быть уделено схеме управления питанием
платы. Семейство Platform Manager II вклю-
чает три микросхемы: L-ASC10, LPTM21,
LPTM21L. Сравнительные характеристики
микросхем семейства Platform Manager II
приведены в таблице 2.
Микросхема L-ASC10 содержит только ана-
логовые блоки. Она позволяет контролиро-
вать 10 линий напряжения, две линии тока
и два температурных канала. В состав L-ASC10
входят 20 высокоточных программируемых
компараторов, которые фиксируют превы-
шение или падение напряжения на каждой
линии. Встроенный детектор ошибок фик-
сирует возникновение нештатной ситуации
на шине питания за время не больше 1 мкс.
Встроенный ЦАП позволяет осуществлять
коррекцию выходного напряжения внеш-
них DC/DC-конвертеров, а наличие четырех
высоковольтных выходов дает возможность
управлять транзисторными ключами.
Функции управления питанием пла-
ты могут быть осуществлены при помощи
микросхемы L-ASC10 в связке с ПЛИС се-
мейств MachXO2/MachXO3 компании Lattice
Semiconductor. Алгоритм, реализованный
на ПЛИС MachXO2/MachXO3, контролирует
состояние шин питания, управляет внешни-
ми DC/DC-конвертерами, транзисторными
ключами и вентилятором, а также регистри-
рует ошибки. Данное решение представляет-
ся достаточно гибким, и его легко использо-
вать для управления большим количеством
источников питания за счет дополнительных
микросхем L-ASC10. Система с одной ПЛИС
MachXO2/MachXO3 может быть расширена
для управления до 80 линий напряжений пи-
Таблица 1. Краткие характеристики микросхем семейства Power Manager II
	ProcessorPM	POWR607	POWR1014	POWR1014A	POWR1220AT8
Программируемые аналоговые входы	6	6	10	10	12
Компараторы	12	12	20	20	24
Минимальное напряжение на аналоговом входе, В	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Уровень обнаружения нуля, мВ	75	75	75	75	75
Макроячейки CPLD	16	16	24	24	48
Цифровые выходы	5	7	14	14	20
Драйверы FET	0	2	2	2	4
Напряжение питания, В	2,64-3,96	2,64-3,96	2,9-3,96	2,9-3,96	2,8-3,96
Корпус	QFN-24	QFN-32	TQFP-48	TQFP-48	TQFP-100
Таблица 2. Краткие характеристики микросхем семейства Platform Manager II
	Аналоговые входы для мониторинга напряжения	Аналоговые входы для мониторинга тока	Входы для мониторинга температуры	Каналы подстройки	Драйверы MOSFET	Выходы с открытым стоком	Логическая емкость FPGA, LUT	Цифровые выходы	Пользовательская память, кбит	Рабочее напряжение, В
L-ASC10	10	2	2	4	4	9	—	—	—	3,3
LPTM21	10	2	2	4	4	10	1280	98	64	2,8-12
LPTM21L	10	2	2	4	4	10	1280	33	64	3,3
Рис. 3. Варианты архитектуры подсистемы управления питанием с использованием микросхем Platform Manager II
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
16
источники и блоки питания
тания, с использованием восьми микросхем
L-ASC10. Требования к логике работы и ко-
личеству вводов/выводов определяют выбор
микросхемы MachXO2.
Микросхемы LPTM21 и LPTM21L содержат
такие же аналоговые блоки, как и L-ASC10,
но, кроме аналоговой части, имеют инте-
грированный массив программируемой
логики (FPGA), который используется для
реализации алгоритма управления питани-
ем или других вспомогательных функций.
Встроенная энергонезависимая память дан-
ных позволяет регистрировать нештатные си-
туации, возникающие на шинах питания. Эти
однокристальные решения на основе Platform
Manager II применяются, когда для реализа-
ции логики работы подсистемы управления
питанием требуется не более 1200 эквива-
лентных логических элементов и не более
100 пользовательских линий ввода/вывода.
Количество контролируемых линий питания
также может быть увеличено до 40 добавлени-
ем трех дополнительных микросхем L-ASC10.
На рис. 3 показаны варианты построения
систем управления питанием с использова-
нием Platform Manager II.
Средства поддержки разработки
Для того чтобы облегчить разработчику
задачу проектирования подсистемы управ-
ления электропитанием, а конструкто-
ру — задачу проектирования соответству-
ющей печатной платы, компания Lattice
Semiconductor предлагает:
•	подробную техническую документацию
на микросхемы;
•	примеры проектирования для различных
приложений;
•	IP-ядра, которые реализуют наиболее рас-
пространенные функции, такие как реги-
страция ошибок в энергонезависимой па-
мяти, реализация интерфейсов 12С или SPI;
•	среду разработки PAC-Designer.
Все вышеперечисленные средства бес-
платные и доступны на официальном сай-
те Lattice Semiconductor. Кроме того, Lattice
Semiconductor предлагает различные отладоч-
ные наборы с применением микросхем Power
Manager II и Platform Manager II. Используя
демонстрационные проекты и примеры про-
ектирования, поставляемые с отладочными на-
борами для разработки, можно протестировать
различные функции управления питанием.
Среда разработки PAC-DESIGNER
Для облегчения процесса проектирова-
ния систем управления питанием компания
Lattice предлагает САПР PAC-Designer. Это
полноценное средство проектирования для
ИС Power Manager II. Процесс проектирова-
ния несложен, и результаты получаются до-
статочно быстро. PAC-Designer обеспечивает:
•	редактирование схемы в графическом виде:
создание внутренних связей и установку ве-
личин программируемых параметров;
*
Shut Down
--------------►
Recycle Power
VMON1 -	Op	О
VMON N	______ ч Ej	5
OUT 11
IN1	OUT 12
|N2	ispPAC-POWR1014A	SCL
SDA
Рис. 4. Использование ispPAC-POWR1014A для последовательной подачи питания
• моделирование схемы;
• создание конфигурационного файла
и программирование устройства.
Разводку и установку значений параметров
выполняют вручную. Но в среде разработки
имеется и библиотека некоторых готовых
решений, в том числе и для построения ак-
тивных фильтров. Процесс проектирования
в PAC-Designer включает следующие этапы:
1. Создание проекта.
2. Конфигурирование аналоговых входных
блоков.
3. Конфигурирование цифровых блоков.
4. Имплементация алгоритма работы.
5. Моделирование и отладка проекта.
6. Программирование устройства.
Типовые примеры подсистем
управления питанием
Организация последовательности
подачи/снятия питания
Архитектура Power Manager II оптималь-
на для организации необходимой последова-
тельности включения и выключения напря-
жений питания. На рис. 4 показана типовая
схема организации последовательной подачи
питания с применением ispPAC-POWR1014A.
Напряжения питания с DC/DC-преобразова-
телей поступают на пороговые компарато-
ры, которые формируют сигналы для встро-
енной CPLD. Алгоритм, реализованный
во встроенной CPLD, формирует сигналы
разрешения для DC/DC-преобразователей.
Контроллеры горячей замены
Контроллеры горячей замены (hot swap
controllers) ограничивают пусковой ток при
подключении или замене модуля в комплекс-
ном устройстве. Кроме того, они обеспечи-
вают номинальный режим по току и напря-
жению в цепи. На рис. 5 показано использо-
вание ispPAC-POWR1014A для реализации
функций горячей замены. После подключе-
VOUT
DC-DC /
LDO #N
с
Ш
POWER GOOD
---------------1
Sequence_Fail
ния платы микросхема ispPAC-POWR1014A
ждет, когда стабилизируется входное на-
пряжение 5 В, затем формирует на вы-
ходе HVOUT1 напряжение для включения
MOSFET-транзистора. На выходе HVOUT1
установлено ограничение по току (12,5 мкА).
Такой ток медленно заряжает емкость за-
твора MOSFET-транзистора, в результате
сопротивление канала транзистора также
медленно опускается до своего значения RDS
(десятки мОм). Столь плавное снижение
сопротивления при включении MOSFET-
транзистора уменьшает значение пускового
тока. Применение такой схемы возможно
только в маломощных системах.
Резервирование источников
электропитания
Один из способов повышения надеж-
ности электронных систем — использо-
вание нескольких источников для каждой
шины питания. На рис. 6 показана реа-
лизация такой схемы с применением ИС
ispPAC-POWR1014A. Здесь нагрузка получа-
ет ток от обоих MOSFET-транзисторов. Токи,
протекающие через каждый из транзисто-
ров, измеряются соответствующими токо-
выми компараторами ispPAC-POWR1014A.
Микросхема ispPAC-POWR1014A удержи-
вает MOSFET-транзистор во включенном
состоянии только в том случае, если ток
через него выше определенного порого-
вого значения. Если токи в обоих плечах
выше заданных пороговых значений, то оба
MOSFET-транзистора включены. Микросхема
ispPAC-POWR1014A отслеживает текущее
значение тока в обоих плечах, и если ток через
один из транзисторов падает ниже порога (на-
пример, из-за внезапного падения напряже-
ния на соответствующей шине питания), этот
транзистор мгновенно выключается. При вы-
ключении транзистора обратный ток через
него блокируется паразитным диодом, и на-
грузка питается только через один транзистор.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
17
Заключение
Традиционные методы проектирования подсистем управления
электропитанием с использованием набора нескольких однофунк-
циональных ИС имеют ряд существенных недостатков. Используя
традиционный подход, разработчики вынуждены искать баланс
между стоимостью и функциональностью, что может поставить
под угрозу надежность всей системы. Решения Lattice Semiconductor
с применением микросхем семейств Power Manager II и Platform
Manager II в подсистемах управления питанием обладают рядом
преимуществ по сравнению с традиционной методологией проек-
тирования:
•	Уменьшение количества компонентов: рассматриваемые в статье
решения компании Lattice Semiconductor объединяют в одной ИС
различные функции. Это позволяет как уменьшить количество
используемых компонентов, так и перенастраивать одни и те же
подсистемы для эксплуатации в различных устройствах.
•	Повышение надежности: использование микросхем Platform
Manager II обеспечивает своевременное обнаружение неисправ-
ностей и быструю реакцию (не более 100 мкс) на их появление,
поддерживая тем самым высокую надежность системы. Поскольку
все функции интегрированы в одной ИС, увеличение количества
источников питания и других контролируемых параметров не вли-
яет на надежность всей системы. Возможность регистрации неис-
правностей позволяет анализировать и устранять причины их
возникновения.
Рис. 6. Реализация функции резервирования источника питания
с применением ispPAC-POWR1014A
•	Сокращение времени проектирования: удобные и простые в ис-
пользовании средства разработки и моделирования компании
Lattice Semiconductor позволяют быстро настроить и запрограм-
мировать микросхему. Возможность внутрисхемного програм-
мирования и виртуального моделирования уменьшает риски
возникновения ошибок проектирования, а предоставляемые при-
меры проектирования, документация и отладочные наборы суще-
ственно сокращают время разработки.
Литература
1.	A Lattice Semiconductor White Paper. Revolutionary Hardware Management
Solutions — WP003. www.latticesemi.com
2.	Chandra S. Power2You. Lattice Semiconductor Corporation, 2010.
3.	Platform Manager 2. Data Sheet — FPGA-DS-02036. www.latticesemi.com/en/
Products/PowerAndClockDevices/PlatformManager2
4.	www.latticesemi.com/Products/PowerAndClockDevices/PowerManager
НОВОСТИ источники питания
Отечественная замена Vicor от компании ЭКБ ТЕС1
Компания ЭКБ ТЕСТ представляет линейку ультракомпактных изолиро-
ванных DC/DC-преобразователей серии «Амур». Серия является аналогом
продукции американской корпорации Vicor. Преобразователи выпускаются
в корпусах системы Brick и могут использоваться в качестве pin-to-pin замены
американских преобразователей серий V*A*, V*B*, V*C* в высоконадежной
аппаратуре и образцах ВВСТ.
Основные характеристики:
•	корпуса 1/16 1/8 1/4 1/2 brick и full brick;
•	три варианта входной сети: 12 В (10,5—18 В); 24 В (18—36 В); 48 В (36—75 В);
•	выходные напряжения: 3—60 В;
•	выходная мощность: 30—600 Вт.
Источники питания серии «Амур» применяются для промышленной ап-
паратуры и изделий, предназначенных для жестких условий эксплуатации.
В зависимости от исполнения они имеют один, два или три гальванически
развязанных выходных канала.	www.ecb-test.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
www.kit-e.ru
18
III TRACO POWER
Reliable. Available. Now.
www.tracopower.com
Семейство TIB, источники питания
AC/DC 80-480 Вт для дин-рейки
для жестких промышленных условий
эксплуатации (или для эксплуатации
в жестких промышленных условиях)
•	Рабочий диапазон температур - 40°...+ 70 °C
•	пиковый ток 150% в течении 4 секунд
•	типовой КПД 90-95 % зависит от модели
•	прочный металлический корпус
с опцией бокового монтажа
•	устойчивость от подачи напряжения на выход
•	защита от короткого замыкания и перегрузки
•	ударопрочность и вибрационная устойчивость
в соответствии со стандартом EN61373
(промышленный и железнодорожный)
•	3 года гарантии
СВ
Type Approved
Bauort Gepruft
cWus
Реклама	Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
19
Организация оптимального
питания FPGA:
как его реализовать и почему
это необходимо для эффективной
работы FPGA. Часть 1
Нейтан ЭНГЕР (Nathan ENGER)
Перевод: Михаил РУССКИХ
tau68@rambler.ru
Современные ПЛИС типа FPGA принадлежат к числу наиболее сложных
из когда-либо созданных интегральных схем. В них применяются самые
современные транзисторные технологии и новейшие структуры внутрен-
ней архитектуры для достижения максимальной универсальности и наи-
лучших характеристик. Со временем, по мере развития технологий, такая
сложность заставляла идти на компромиссы при проектировании и вне-
дрении систем с использованием FPGA. И в первую очередь это касается
источников питания, которые должны быть более точными, универсальны-
ми и управляемыми, более компактными и устойчивыми к сбоям и ошиб-
кам и иметь больший КПД с каждым новым поколением FPGA. В этой
статье мы рассмотрим некоторые ограничивающие параметры для FPGA
Altera Arria 10 и их значение в вопросе проектирования системы питания.
Затем обсудим лучшие решения для организации питания и наметим план
успешного достижения всех характеристик и обеспечения работы FPGA
с оптимальной эффективностью, скоростью и уровнем мощности при ис-
пользовании полного набора микросхем управления питанием линейки
PSM, включая LTC3887, LTC2977 и LTM4677.
Требования к питанию FPGA
(интерпретация технической документации)
Большую часть своего времени инженеры вынуждены расходовать
на программирование. Они не хотят тратить время и силы на раз-
работку подходящих источников питания. Действительно, лучший
подход к обеспечению своего проекта питанием — использовать на-
дежное, универсальное, проверенное решение, которое соответствует
всем требованиям и может адаптироваться к проекту. В данном мате-
риале мы более подробно рассмотрим некоторые важные характери-
стики питания и их значение.
Точность напряжения
Напряжение питания ядра — один из важнейших факторов,
определяющих балансировку мощности и рабочие характеристики
FPGA. В документации приводят диапазон допустимых напряжений,
но полный диапазон — это еще не вся картина. Как и в случае со все-
Таблица. Напряжение питания ядра (Vcc) Altera Arria 10
Состояние	Значение Vcc, В		
	Минимальное	Стандартное	Максимальное
Стандартный режим работы	0,87	0,9	0,93
Режим малого энергопотребления	0,92	0,95	0,98
SmartVID	0,82		0,93
ми остальными элементами, здесь также есть свои компромиссы,
а потому и в этом случае нужно выполнять оптимизацию.
В таблице показан пример уровней напряжения ядра популярной
FPGA Altera Arria 10 [1]. Хотя эти цифры относятся к Arria 10, они
являются также примером требований к напряжению ядра многих
других FPGA. Диапазон отклонения составляет ±3,3% от номиналь-
ного напряжения. FPGA будет нормально работать в указанном окне
напряжений, но на самом деле все гораздо сложнее.
Стоит обратить внимание на строку с надписью SmartVID с диапа-
зоном напряжений 0,82-0,93 В. Это широкий диапазон напряжений,
с которым будет работать FPGA, когда она запрашивает собственное
напряжение ядра через интерфейс SmartVID [2] (о чем подробнее пого-
ворим позже). Этот определяемый SmartVID диапазон является свиде-
тельством правдивости основной истины о FPGA: она может функци-
онировать при разных напряжениях, в зависимости от ее конкретного
производственного допуска и от применяемой в ней логической архи-
тектуры. Статическое напряжение, необходимое одной FPGA, может
отличаться от напряжения другой FPGA. Источник питания должен
удовлетворять требованиям и адаптироваться.
Цель состоит в том, чтобы добиться оптимальных характеристик
для управления запрограммированными функциями без потребле-
ния лишней энергии. Из физики полупроводников, а также из опу-
бликованных данных от Altera, Xilinx (рис. 1) и других компаний
мы знаем, что с увеличением напряжения питания ядра резко воз-
растет динамическая и статическая мощность, поэтому цель состоит
в предоставлении FPGA достаточного количества напряжения, чтобы
удовлетворить ее требования относительно параметров синхрониза-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
20
источники и блоки питания
Относительное изменение мощности
Рис. 1. Зависимость мощности Xilinx Virtex V от напряжения питания ядра
Максимально
допустимое
напряжение
Рис. 2. Компромиссы, связанные с допуском по напряжению стабилизатора питания
ции, но не более. Избыточное рассеивание мощности никак не улуч-
шит характеристики. Фактически это может ухудшить ситуацию,
поскольку с повышением температуры ток утечки транзистора уве-
личивается, рассеивая еще больше нежелательной энергии. Вот по-
чему обязательным условием становится оптимизация напряжения
для всего проекта и рабочей точки.
Процесс оптимизации требует очень точного источника питания.
Неточность стабилизатора должна быть учтена в составе суммарной
погрешности и вычтена из доступного диапазона напряжений, кото-
рый можно использовать для оптимизации. Если напряжение ядра
упадет ниже требуемого уровня, FPGA может работать некорректно
из-за ошибок синхронизации. Если напряжение ядра станет выше
максимального значения, это способно вызвать повреждение FPGA
или сбои времени удержания логического сигнала. Возникновения
подобных случаев нельзя допустить, для чего следует учитывать диа-
пазон допуска напряжения источника питания и предоставлять толь-
ко необходимое заданное напряжение, которое гарантирует поддер-
жание рабочих характеристик.
Проблема в том, что большинство стабилизаторов напряжения
питания недостаточно точны. Стабилизируемое напряжение может
быть каким угодно в пределах диапазона допуска установленного
напряжения и изменяться в зависимости от нагрузки, температуры
и продолжительности работы. Источник питания, имеющий по-
грешность ±2%, может стабилизировать напряжение в пределах 4%-
ного окна напряжения. Чтобы компенсировать вероятность того, что
напряжение может быть на 2% ниже, заданное напряжение должно
быть увеличено на 2% выше того, что требуется для обеспечения
синхронизации. Если стабилизированное напряжение станет на +2%
выше заданного напряжения, стабилизатор будет иметь выход на 4%
выше минимального напряжения, нужного в этой рабочей точке. Это
по-прежнему соответствует требованиям к напряжению питания,
необходимому FPGA, но затрачивает много энергии (рис. 2).
Задача состоит в том, чтобы выбрать стабилизатор напряжения
питания, который может работать с гораздо более жестким допуском
по напряжению. Стабилизатор с допуском ±0,5% следует заставить
работать как можно ближе к минимально необходимым характе-
ристикам на требуемой рабочей частоте, и он гарантированно обе-
спечит выходное напряжение с разницей до 1% от заданного напря-
жения. При таких условиях FPGA будет работать и рассеивать мини-
мально возможную мощность.
Семейство контроллеров питания ЕТС388Х имеет гарантированный
допуск выходного напряжения лучше ±0,5% в широко изменяемом
диапазоне напряжений. Семейство микросхем управления системным
питанием ЕТС297Х обладает гарантированным допуском выходного
напряжения лучше ±0,25%. Благодаря такой точности можно оптими-
зировать соотношения мощности и характеристик для любой FPGA.
Управление температурным режимом
Говоря о точности источника питания, обязательно следует рассма-
тривать вопрос о температурном выделении. Поскольку рассеивание
энергии в статическом режиме далеко не равно нулю, FPGA нагрева-
ется, даже когда ничего не делает. Повышенная температура вызыва-
ет большее рассеивание статической мощности, что дополнительно
увеличивает рабочую температуру (рис. 3). Добавление ненужного
напряжения к источнику питания только усугубляет данную пробле-
му. Как мы уже упоминали, у источника питания с невысокой точно-
стью надо организовать некоторый защитный диапазон напряжений
относительно рабочего напряжения, чтобы обеспечить достаточное
напряжение для функционирования. Неточность напряжения ис-
точника питания, возникающая в результате изменения допусков,
Относительный ток
Температура, °C
Рис. 3. Зависимость выходного тока источника питания от рабочей температуры
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
21
процесса сборки системы или рабочей темпе-
ратуры, может привести к появлению напря-
жений, значительно превышающих необ-
ходимый минимум. Такое дополнительное
напряжение при подаче на FPGA способно
вызвать повышение температуры или даже
температурный сбой при высоких вычисли-
тельных нагрузках.
Решение проблемы — очень точный ис-
точник питания, вырабатывающий только
требуемое напряжение и не больше. Именно
это делают устройства серии Power System
Management (PSM) производства ADI.
FPGA				Vcc 		
Регистр VID Датчик температуры		Программный IP-контроллер VID	Первичные данные	Контроллер стабилизатора напряжения системы	Интерфейс VRD
				Линии считывания		
Программируемая
система
стабилизирования
напряжения
Рис. 4. Структура Altera SmartVID
SmartVID
SmartVID — это данное компанией Altera
наименование техники работы каждой от-
дельной FPGA при оптимальном, необходи-
мом ей напряжении. Внутри FPGA имеется
регистр (программируется на заводе), содер-
жащий информацию о соответствующем
конкретному устройству напряжении, при
котором FPGA гарантированно будет функ-
ционировать наиболее эффективно. Часть
скомпилированного функционального бло-
ка внутри FPGA может прочитать этот ре-
гистр и сделать запрос через внешнюю шину
к источнику питания, чтобы он обеспечил
необходимое точное напряжение (рис. 4).
Как только это напряжение достигнуто, оно
останется постоянным на все время работы.
Требования к источнику питания со сто-
роны приложения SmartVID предполагают
определенный протокол шины, точность вы-
ходного напряжения и скорость. Протокол
шины является одним из нескольких мето-
дов, который использует FPGA, чтобы со-
общить стабилизатору о требуемом напря-
жении. Из доступных протоколов наиболее
универсальным считается PMBus, поскольку
он предназначен для самого широкого спек-
тра интегральных схем управления пита-
нием. Функциональный блок SmartVID ис-
пользует две команды PMBus: VOUT_MODE
Рис. 5. Компромисс между рабочей частотой FPGA и напряжением питания
и VOUT_COMMAND, с помощью которых
он подает команды имеющему PMBus стаби-
лизатору на выдачу требуемого напряжения.
К требованиям точности поддержания
выходного напряжения и скорости для ста-
билизатора относятся наличие автономного
загрузочного напряжения (до того как шина
PMBus станет активна), возможность прини-
мать новую команду на генерацию напряже-
ния каждые 10 мс, возможность обеспечения
пошагового изменения напряжения на 10 мВ
каждые 10 мс во время фазы регулировки на-
пряжения и установки напряжения с точно-
стью до 30 мВ (~3%) от заданного значения
за один шаг 10 мс, благодаря чему в конеч-
ном итоге выходное значение увеличивается
до заданного напряжения и остается статич-
ным во время работы FPGA.
Помимо разработанной в Altera техники
SmartVID, в отрасли используются и другие
аналогичные методы, которые реализуют
практически то же самое. Один из самых про-
стых методов заключается в проверке каж-
дой платы на заводе и программировании
в энергонезависимую память источника пита-
ния точного значения напряжения, при кото-
ром работа данной платы будет оптимизиро-
вана. Этот метод не нуждается в каких-либо
дополнительных дальнейших действиях над
источником питания для обеспечения рабо-
ты при необходимом напряжении. Таковы
преимущества блока управления источни-
ком питания или контроллера с EEPROM.
Всем предъявляемым Altera SmartVID тре-
бованиям соответствуют контроллеры ис-
точников питания LTC388X. Также стабили-
заторы LTM4675/LTM4676/LTM4677 серии
pModule легко отвечают этим нормативам
и предлагают комплексное решение в одном
компактном корпусе.
Синхронизация
Скорость вычислений любого логического
блока зависит от его напряжения питания.
В определенных пределах более высокое на-
пряжение обеспечивает более высокую ско-
рость вычислений. Мы уже рассмотрели
вопрос, почему нельзя просто работать при
самом высоком напряжении, что гарантиро-
вало бы нам самую высокую скорость. С дру-
гой стороны, мы должны работать при доста-
точно высоком напряжении для устройства,
как показано на рис. 5.
То, что может быть сделано, если конкрет-
ное устройство не соответствует требовани-
ям синхронизации логической части и попа-
дает в область сбоя, видно на рис. 5. Зачастую
граница между областью нормальной рабо-
ты и областью сбоя остается недостаточно
четкой до тех пор, пока не определена аппа-
ратная часть разработки, а конкретное напря-
жение, при котором она будет удовлетворять
требованиям синхронизации, также не мо-
жет быть заранее определено. В данном слу-
чае допустимы лишь два варианта — либо
заранее зафиксировать напряжение, которое
будет значительно выше минимального, тра-
тя таким образом энергию, чтобы гаранти-
ровать работоспособность устройства, либо
разработать универсальный источник пита-
ния, который может адаптироваться к по-
требностям оборудования во время тести-
рования, или даже, как в случае со SmartVID,
во время включения. Способность адаптиро-
ваться к неизвестным требованиям повыша-
ет значимость точности устройств управле-
ния питанием ADI, поскольку разработчики
систем с FPGA в рамках реального проекта
могут на любом этапе изменять мощность
в угоду скорости вычислений, и наоборот.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
22
источники и блоки питания
Последовательность подачи
питания 101
Закон Мура выражает тенденцию к со-
кращению размеров транзисторов в совре-
менных FPGA и заставляет идти на компро-
миссы, связанные с использованием этих
крошечных транзисторов, очень быстрых
и маленьких, но более хрупких. Кристалл,
содержащий сотни миллионов транзисто-
ров, должен быть сегментирован на ядра,
блоки и разделы, которые можно разраба-
тывать и конфигурировать независимо.
Практическим результатом такой концепции
стали FPGA с несколькими секторами пита-
ния. Отдельные современные FPGA имеют
более десятка источников питания, которые
должны удовлетворять всем требованиям.
К ним, помимо требований по напряжению,
относятся требования по току, пульсациям,
шуму, последовательности включения и от-
ключения линий питания и по работоспо-
собности при сбоях.
В документации на новейшие FPGA при-
водятся конкретные требования к порядку
включения и отключения источников пита-
ния. Xilinx и Altera рекомендуют соблюдать
определенный порядок и время включения
и отключения — это является гарантией
того, что FPGA будет перезагружаться долж-
ным образом, обеспечивать минимальное
потребление тока и поддерживать свои ли-
нии ввода/вывода в соответствующем со-
стоянии во время переходных процессов
при подаче питания. Учитывая количество
источников питания для каждой FPGA,
сложность задачи организации правильного
порядка включения и отключения питания
довольно высока.
В руководстве по работе с Altera Arria 10
источники питания делят на три группы по-
следовательностей (1,2 и 3) и требуют, чтобы
они последовательно включались в поряд-
ке 1, 2 и 3, а выключались в обратном поряд-
ке: 3,2 и 1.
Аналогичным образом Xilinx рекомендует
подавать питание на Virtex UltraScale FPGA
в следующем порядке: VCCINT/VCCINT_IO,
VCCBRAM, VCCAUX/VCCAUXJO и VCCO.
Порядок отключения питания обратный от-
носительно порядка включения [4].
Это только две из многих доступных
FPGA. Почти у каждой современной микро-
схемы FPGA есть несколько шин питания,
и один из наиболее очевидных вопросов со-
стоит в том, в каком порядке их включать
и выключать? Даже если нет явного требо-
вания к последовательности, существуют ве-
ские причины для того, чтобы реализовать
определенную последовательность включе-
ния и отключения питания. Ниже приведено
несколько вариантов реализации.
•	Без последовательности — пусть источ-
ники питания включаются и отключают-
ся сами по себе. Что в этом случае может
пойти не так?
Требование
к последовательности
Рис. 6. Последовательный групповой порядок подачи питания на Altera Arria 10
•	Аппаратная каскадная последователь-
ность — каждый включающийся источник
активирует следующий. Это работает толь-
ко в случае, когда источники включаются.
•	Последовательность на основе CPLD —
можно использовать программируемую
логику для создания индивидуального ре-
шения. Это универсальный метод, но задач
у разработчика становится больше.
•	Последовательность на основе событий —
последовательность на основе событий
аналогична каскадной последовательности,
но более универсальная, поскольку с ее по-
мощью можно реализовать последователь-
ности как включения, так и отключения.
Специальная микросхема обеспечения по-
следовательности может быть программи-
руемой, и в ней может быть предусмотрена
обработка аварийных ситуаций.
•	Последовательность на основе времени —
последовательность на основе времени ак-
тивирует каждое событие в указанное вре-
мя. В сочетании с комплексной системой
контроля сбоев устройства реализации
последовательности на основе времени
могут быть универсальными, детермини-
рованными и безопасными.
В следующих разделах эти варианты будут
рассмотрены более детально.
Без последовательности
Можно включить систему электропита-
ния без какого-либо управления. Когда ос-
новное питание системы становится доступ-
ным или включается коммутатор питания,
стабилизаторы начинают стабилизировать
напряжение. Когда основное питание систе-
мы пропадает или отключается коммутатор
питания, стабилизаторы прекращают стаби-
лизировать напряжение. Конечно, проблем
с таким подходом немало. Некоторые более
очевидны, чем другие.
Отсутствие четкого распределения вре-
мени включения и отключения может при-
вести к различным последствиям в системе.
Во-первых, это сильно влияет на чувствитель-
ную FPGA. Отсутствие последовательности
может привести к моментальному сбою или
преждевременной деградации, которая мед-
ленно снижает вычислительную мощность.
Оба варианта плохи. Отсутствие последова-
тельности также может привести к непредска-
зуемому сбросу при включении питания или
к неопределенным логическим состояниям
при включении питания, что негативно вли-
яет на стабильность системы и ухудшает ее
отладку. Усложняется при этом обнаруже-
ние сбоев и реагирование на неисправности
и управление энергопотреблением. В общем,
пренебрежение последовательностью вклю-
чения и выключения питания способно при-
вести к различным отказам.
Каскадная последовательность
Более организованный подход к реализа-
ции последовательности — это классический
каскад, показанный на рис. 7, линия PGOOD
(питание в норме) одного источника соеди-
нится с линией RUN (включение) следующе-
го за ним. Это похоже на падение костяшек
домино: каждый из элементов влияет на сле-
дующий, что обеспечивает порядок включе-
ния. Преимущество данного метода состоит
в его простоте. К сожалению, у него также
есть свои недостатки. Хотя он хорошо рабо-
тает для подачи питания в систему, но не мо-
жет действовать в обратном порядке (или
в любом другом порядке) для реализации
последовательности отключения питания.
В данном случае предусматривается только
один порядок включения. Кроме того, схе-
ма не может корректно реагировать на сбои
или управлять энергией в неопределенных
условиях эксплуатации. Эта система недоста-
точно «умна», чтобы принимать какие-либо
решения. Если в одном звене подобной цепи
произойдет сбой, то что будет дальше? Что
будет, если один из рабочих источников пи-
тания отключится? Четких ответов нет, и от-
ладка таких проблем затруднительна.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
23
READY
VdD2
Vdds
RUN
А
В
С
D
READY
Рис. 7. Каскадная последовательность включения питания с последовательным соединением линий PGOOD и RUN
VdD12
ческую часть. Эта программируемая микро-
схема также содержит три программируемые
линии ввода/вывода общего назначения для
реализации дополнительной функциональ-
ности. Она имеет EEPROM для практически
мгновенного включения при подаче питания
и способна хранить информацию о сбоях для
отладки с помощью интерфейсов I2C/SMBus.
Оптимальный способ применения LTC2936
показан на рис. 8.
Помимо быстрого компаратора, для сбора
телеметрических данных должен использо-
ваться аналого-цифровой преобразователь
(АЕ[П). Проверенным решением являет-
ся LTC2418, способный контролировать
до 16 каналов аналоговых сигналов благода-
ря быстродействующему 24-разрядному сиг-
ма-дельта АЦП и 4-проводному интерфейсу
SPI. Контроллер платы может легко переда-
вать результаты измерений и отслеживать
множество рабочих точек системы.
Если говорить в общем, существует боль-
шое количество вариантов использования
FPGA или CPLD для контроля последова-
тельности включения и отключения пита-
ния. Этот подход работает, но кто-то должен
взять на себя проектирование цифровой
и аналоговой частей, отвечать за все неизбеж-
ные ошибки проекта, за неучтенные элемен-
ты и сбои, а также заниматься поддержкой.
Существуют, конечно, более простые спосо-
бы создания системы питания.
Реализация последовательности
на основе FPGA или CPLD
Использование дополнительной микро-
схемы CPLD или FPGA на плате для реали-
зации последовательности включения и от-
ключения питания — вариант, который
выбирают многие разработчики. В системе,
спроектированной разработчиками цифро-
вых систем и предназначенной для них, этот
подход имеет определенную привлекатель-
ность. В данном случае естественной являет-
ся разработка цифрового блока управления
на основе FPGA для управления источником
питания другой FPGA. Такое решение может
быть обманчивым, потому что система элек-
тропитания не столь проста, как может по-
казаться с точки зрения разработчика циф-
ровых устройств.
Если проектировщик хочет решить зада-
чу организации последовательности вклю-
чения и управления источниками питания
сверху вниз, он должен сначала полностью
понять проблемы, связанные с этим. Мы уже
обсуждали многие из них, но есть и другие,
такие как обнаружение и реагирование на си-
туации перенапряжения и пониженного на-
пряжения, которые могут возникнуть за ми-
кросекунды, обнаружение опасных токов
и температур, ведение журнала телеметрии
и состояния, а также обеспечение отладоч-
ных сервисов, чтобы облегчить жизнь раз-
работчикам аппаратной части. Все это требу-
ет специального аналогового оборудования
в дополнение к цифровым алгоритмам.
Для разработчиков, желающих пойти
по этому пути, Analog Devices предоставляет
несколько аналоговых интерфейсных микро-
схем, которые могут помочь в решении дан-
ной задачи. В интерфейсе между цифровой
частью и аналоговым источником питания
LTC2936 обеспечивает шесть надежных, вы-
сокоточных программируемых пороговых
аналоговых компараторов для обнаружения
быстро происходящих событий и отправки
цифровой информации о состоянии в логи-
Рис. 8. Программируемый супервизор напряжения LTC2936
Простые секвенсоры/супервизоры
Решение задачи обеспечения надежной по-
следовательности подачи питания и обработ-
ки ошибок возлагается на простые секвенсо-
ры/супервизоры. Они выполняют важную
работу по организации последовательно-
сти включения и отключения шин питания
и следят за тем, чтобы напряжение на них
оставалось в установленных пределах во вре-
мя работы (функция супервизора). LTC2928
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
24
источники и блоки питания
12 В
т
SDA VPV
SCL
ALERTB
ON LTC2937
MARGB
FAULTB
RSTB
SPCLK
SHARE_CLK
ASEL1
ASEL2
ASEL3
WP
VDD
GND
Рис. 9. Супервизор и секвенсор питания LTC2937
представляет собой простой в использова-
нии конфигурируемый секвенсор с настраи-
ваемой синхронизацией последовательности
(последовательность отключения обратная
относительно последовательности включе-
ния) и настраиваемыми пороговыми значе-
ниями напряжения. В перспективе он может
удовлетворить требования многих простых
приложений, но не имеет излишеств и не об-
ладает возможностями цифрового програм-
мирования или телеметрии.
В категории «программируемый секвенсор
и супервизор с энергонезависимой памятью
EEPROM» мы предлагаем LTC2937 (рис. 9).
Он полностью программируется цифровым
способом, формирует последовательности
подачи питания на основе как временных
маркеров, так и событий, и может упорядо-
чивать последовательности и контролиро-
вать любое количество источников питания,
обрабатывать неисправности и записывать
														
DC|N	IBC IN OUT EN		4,5 В < V|	BUS	<15B	—								
				)		I|n_snsp	'in_snsm \/	'sENSEP VIN_SNS AUXFAULTB VpWR*	'sENSEM VDD33*	Vsensep LTC2975 SDA	Vsensem SCL	VDAC ALERTB CONTROL FAULT	vout_en PWRGD	T sense GND ЯГ.НППТИ	. >										
								—			v V|N VOUT DC/DC-npe- образователь VFB	RUN				
* LTC2975 может быть													—	
также запитана непосредственно от источника напряжения 3,3 В								R20						
						Нагрузка								
/ Интерфейс PMBus ” 	 ч							г							
						R30	|-		R10						
														
ППИМАЧАНИА* НАКПТППЫА ЛАТА						MMBT3906								
			ПИ nriVIIIAHRI ЛПЯ											
Показан только один из четырех каналов														
Рис. 10. 4-канальная микросхема управления питанием LTC2975
EN1
EN2
EN3
EN4
EN5
EN6
DC/DC-
преобразователи
IN
RUN1	OUT1
RUN2	OUT2
RUN3	OUT3
RUN4	OUT4
RUN5	OUT5
RUN6	OUT6
	GND
► 5B
► 3,3 В
► 2,5В
► 1,8В
► 1,5В
► 1,2В
V1
V2
V3
V4
V5
V6
состояние при неисправностях в EEPROM.
Это оптимальное решение для случаев, ког-
да не требуются управление напряжением
и телеметрия.
Управление системой питания
Для того чтобы полностью реализовать все
преимущества полноценного управления си-
стемой питания (PSM), можно использовать
одну из микросхем PSM компании Analog
Devices. Они предоставляют возможность
автономно включать и выключать последо-
вательно любое количество шин питания,
точно корректировать напряжение на линии
в пределах 0,5% от номинального значения
(или 0,25% в некоторых случаях), измерять
напряжение, ток, температуру, определять
статус телеметрии и передавать о них инфор-
мацию, совместно обрабатывать комплекс-
ные аварийные случаи, а также записывать
в EEPROM подробную информацию о сбоях.
Реализация последовательности выполня-
ется системой согласования синхронизации,
при которой все микросхемы согласовыва-
ют нулевой момент времени и задается вре-
менной интервал, а также все события по-
следовательности, происходящие в заранее
запрограммированное время (организация
последовательности на основе времени). Это
позволяет автономно последовательно вклю-
чать и отключать любое количество линий
питания.
В семейство микросхем PSM входят кон-
троллеры, которые имеют свои собствен-
ные драйверы ключей и аналоговый контур
управления для полного управления им-
пульсным источником питания. Как вари-
ант, микросхемы управления питанием
также могут содержать следящий контур,
охватывающий внешний источник питания,
благодаря чему реализуются все функции
управления электропитанием, в том числе
обеспечение последовательности включе-
ния и отключения шин, контроль и мони-
торинг любых шин питания от импульсных
стабилизаторов до LDO-стабилизаторов.
Примером такой микросхемы управления
электропитанием служит LTC2975, изобра-
женная на рис. 10.
Устройства серии pModule
PSM-устройства серии pModule представ-
ляют собой решения с высокой плотностью
интеграции в корпусе BGA или LGA, обе-
спечивающие наибольшую функциональ-
ность на 1 см2. Это полноценные системы
электропитания в одном корпусе, содер-
жащие интегральные схемы контроллеров,
дроссели, ключи и конденсаторы. Некоторые
стабилизаторы pModule, например LTM4650,
не имеют цифровых функций, поэтому для
обеспечения дополнительными функциями
реализации последовательности включения
и управления их следует сочетать с LTC2975.
Другие же стабилизаторы pModule, такие
как LTM4676A (рис. 11), имеют собственные
функции управления питанием и могут лег-
ко сочетаться с другими присутствующими
в системе микросхемами PSM.
Обмен информацией
об организации последовательности
Микромодули PSM, микросхемы управ-
ления питанием и контроллеры взаимодей-
ствуют между собой при реализации по-
следовательности включения и отключения
питания благодаря обмену информацией
о синхронизации через простую однопро-
водную шину, именуемую SHARE_CLK.
Через этот единственный провод все микро-
схемы PSM получают информацию о том,
когда должна начаться последовательность
(нулевое время), когда появляется каждый
импульс синхронизации, а также другую ин-
формацию о состоянии, влияющую на ор-
ганизацию последовательности. Для такой
координации достаточно просто соединить
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
25
V|N ------•-
5,75-26,5 В
22 мкФ -
Управление
включением/
отключением
Прерывания при сбоях,
последовательность ’
организации питания
ШИМ-тактирование
и временная
синхронизация
Защита от записи
в регистры
V|N0
V|N1
SVIN
RUN0
RUN1
Чэито
4dsnso
VoSNSO'
LTM4676A
ЧэиТ1
GPIO0
gpio;
VqSNS!
SYNC
SHARE CLK
SGND
WP
GND
SCL
SDA
ALERT
Чэито>
настраивается
до 13 А
100 мкФ
=^х7
Нагрузка0
100 мкФ
Нагрузка i
Vouti ,
настраивается
до 13 А
Интерфейс l2C/SMBus
с набором команд PMBus к/от IPMI
или другому/-го контроллеру/-а
управления платформой
Рис. 11. PSM-стабилизатор LTM4676A серии pModule с двумя выходными каналами на 13 А
все выводы SHARE_CLK в системе. Каждая
микросхема имеет собственные программи-
руемые установки для синхронизации после-
довательности, которая может использовать
общую основу отсчета временных проме-
жутков для точного и надежного определе-
ния временных событий, таких как включе-
ние и отключение, линейное изменение на-
пряжения и тайм-аут в случае сбоя.
Линия SHARE_CLK на самом базовом
уровне является тактовым выводом 100 кГц
с открытым стоком. Открытый сток означа-
ет, что микросхема может либо подтягивать
шину к «земле», либо отпускать ее и остав-
лять «висеть на воздухе». Когда все устрой-
ства на шине отпущены, подтягивающие ре-
зисторы «подтаскивают» напряжение к 3,3 В.
Это позволяет одному устройству останав-
ливать тактирование за счет подтягивания
к «земле», пока они не будут готовы, и озна-
чает, что все устройства должны согласовать-
ся, прежде чем тактирование вновь будет за-
пущено. Данный механизм эффективен для
установления нулевого времени и для инди-
кации состояния последовательности путем
остановки тактирования.
запуска последовательности в соответствии
с указанными параметрами синхронизации,
при этом записывая в «черный ящик» ин-
формацию о состоянии системы и причинах
сбоев при их возникновении. Информация
из «черного ящика» EEPROM доступна через
шину 12С для дальнейшей обработки.
Последовательность
отключения питания
и управление накопленной энергией
При организации последовательности
отключения питания существует еще один
аспект — управление энергопотреблением.
Зачастую важно обеспечить детерминиро-
ванную синхронизацию источников питания
при их отключении, что требует тщательно-
го рассмотрения того, где в системе рассеива-
ется накопленная энергия. Мощный источ-
ник питания, скорее всего, будет содержать
десятки крупных электролитических конден-
саторов, функционирующих в качестве эле-
ментов накопления заряда, и они будут за-
ряжаться до напряжения питания, удерживая
в себе достаточно энергии, способной при
неблагоприятных условиях взорвать непра-
вильно защищенное устройство. Чтобы
не допустить этого, производители FPGA
определяют последовательность отключе-
ния питания, что защищает устройство. Для
Altera Arria 10 такая последовательность по-
казана на рис. 12 [5].
При указанном порядке отключения пи-
тания предполагается, что вся энергия, на-
копленная в конденсаторах, куда-то ухо-
дит и безопасно рассеивается. Существует
несколько способов осуществить это. Самый
простой — подключение резистора к конден-
сатору. Резистор всегда рассеивает мощность
при включенном питании, но его сопротив-
ление можно сделать достаточно большим,
чтобы сравнительные потери были мини-
мальными, а постоянная времени разряда
RC-цепи была достаточно малой. Время,
необходимое для достаточной разрядки ис-
точника питания, кратно постоянной вре-
мени RC-цепи (как правило, кратно пяти
постоянным времени), и его следует опти-
мизировать так, чтобы сделать статическую
мощность, рассеиваемую в резисторе, при-
емлемой (например, менее 0,25 Вт). Для ем-
кости 1 мФ и напряжения питания 1 В значе-
ние сопротивления резистора R = 4 Ом даст
постоянную времени т = 4 мс, при этом ис-
точник питания разрядится до уровня ниже
50 мВ всего за 13 мс. Такой способ достато-
чен, если резистор рассчитан как минимум
на 0,25 Вт и система работает с постоянными
потерями 0,25 Вт и временем разряда 13 мс.
Более сложным, но очень безопасным ва-
риантом является подключение резистора
к конденсатору, когда необходимо разрядить
источник питания. Такой способ позволяет
«вытягивать» заряд из конденсаторов только
тогда, когда это нужно сделать, и безопасно
рассеять заряд на сопротивлении переклю-
чающего полевого транзистора и на допол-
нительном последовательном резисторе, при
этом он предотвращает постоянную утечку
энергии на резисторе. Схема такого способа
показана на рис. 13.
Относительно этого подхода есть несколь-
ко замечаний в плане управления, времени
Обмен информацией
об обработке ошибок
Аналогично линии SHARE_CLK работа-
ет шина FAULT. Каждая из микросхем PSM
в системе подключена к общей линии FAULT
и может либо подтягивать ее к «земле» бла-
годаря выходу с открытым стоком, либо от-
вечать, когда другое устройство подтягивает
линию к «земле». Это обеспечивает простой
и быстрый способ для всех устройств семей-
ства PSM сообщать об ошибках и сбоях и ре-
агировать на них. Поведение полностью на-
страивается и в случае нештатных ситуаций
позволяет организовать скоординированный
ответ как во время реализации последо-
вательности, так и в стационарном состоя-
нии. Система может быть настроена на от-
ключение питания и попытку повторного
Требование
к последовательности
Рис. 12. Последовательный групповой порядок отключения питания Altera Arria 10
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
26
источники и блоки питания
Емкость конденса-	Цепь
Рис. 13. Разрядка емкости источника питания с помощью полевого транзистора
Рис. 14. Область безопасной работы полевого транзистора N-МОП
з,:	j в	A10_VCC R2	R4 J10 кОм	Ю0м	I М1 		, i	1	LT FDMC8878
R1 10 Ом	।— CKI А 4 Л Х/Г'Г4	1	L	L—	М2	nR3	nR5
1_Г\_А1 U_VUU	I I	, FDV305N L|JlOO кОм	L^J 0,5 Ом
Рис. 15. Разрядная цепь на основе полевого транзистора
разряда и рассеяния мощности. В данном
случае должен быть доступный сигнал для
закрытия разрядного ключа в соответству-
ющее время. Коммутирующий полевой
транзистор основан на технологии N-МОП,
поэтому управляющий сигнал должен быть
выше порогового напряжения полевого
транзистора настолько, чтобы перевести его
в состояние насыщения. Для стандартных
полевых транзисторов это напряжение за-
твора может составлять 3-5 В.
Стандартный электролитический конден-
сатор может иметь эквивалентное последо-
вательное сопротивление, равное сотням
миллиом и рассеивающее часть энергии при
разряде конденсатора, но эти конденсаторы
соединены параллельно, поэтому общая па-
раллельная емкость может достигать десят-
ков миллифарад, а эквивалентное сопротив-
ление будет составлять десятки миллиом или
меньше. Это безошибочное предположение,
заключающееся в том, что эквивалентные
последовательные сопротивления конден-
саторов будут рассеивать небольшую долю
накопленной энергии.
Для того чтобы разрядить емкость в тече-
ние разумного промежутка времени, посто-
янная времени RC-цепи должна быть мень-
ше 1/5 требуемого времени разряда (чтобы
напряжение могло упасть ниже нескольких
милливольт). Далее приведен простой рас-
чет (уравнение 1), в котором присутствует
сумма емкостей всех конденсаторов (CN)
и сумма, состоящая из сопротивления по-
левого транзистора (R/7.7L сопротивления
последовательно подключенного резистора
(R) и комбинации параллельно соединен-
ных друг относительно друга эквивалентных
последовательных сопротивлений (RE^),
где N — количество параллельных конден-
саторов:
х [С1+С2+.. .+С^].	(1)
Для более крупной системы с конденса-
торной батареей емкостью 50 мФ и суммой
RDS+R = 500 мОм напряжение упадет ниже
50 мВ примерно через 125 мс. Пиковый ток
(и мощность) в течение этого времени со-
ставит 1 В/500 мОм = 2 А или 2 Вт. Поскольку
большая часть накопленной энергии рас-
сеивается за первые две постоянные вре-
мени, мы можем решить, нужен ли после-
довательный резистор, взглянув на график
области безопасной работы используемого
полевого транзистора, такой как, например,
на рис. 14 [6]. В этом случае наш полевой
транзистор может без каких-либо опасений
выдержать импульс мощностью 2 Вт, по вре-
мени своего существования превышающий
10 с, а потому не будет никакого риска по-
вреждения. Тем не менее этот полевой тран-
зистор имеет сопротивление сток-исток
менее 20 мОм, поэтому подключенный по-
следовательно резистор R должен обладать
сопротивлением 480 мОм. Мы должны вы-
брать размер последовательно подключенно-
го резистора, учитывая теплообмен, так как
он рассеивает большую часть энергии. Как
правило, длительность импульса намного
меньше тепловой постоянной времени рези-
стора. Более подробную информацию мож-
но найти в документации на резистор.
Надежная разрядная цепь может без-
опасно рассеивать энергию при различных
условиях. На схеме рис. 15 показан про-
веренный и верный метод. В нем для раз-
рядки используется полевой транзистор
FDMC8878 компании ON Semiconductor
и крупный резистор в корпусе SMD 1210 со-
противлением 0,5 Ом.
Продолжение следует
Литература
1.	Intel Arria 10 device data sheet. Intel, June 2018.
2.	AN 711: Power Reduction Features in Intel Arria
10 Devices. Intel, July 2018.
3.	Intel Arria 10 Core Fabric and General Purpose I/Os
Handbook. Intel, August 2018.
4.	Virtex UltraScale FPGAs Data Sheet: DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, January 2018.
5.	AN 692: Power Sequencing Considerations for Arria
10 and Stratix 10 Devices. Intel, April 2018.
6.	DMN1032UCB4 data sheet. Diodes Incorporated,
January 2015.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
Arrow Electronics — глобальный
дистрибьютор и стратегический
партнер Analog Devices
Теперь, когда Linear Technology стал частью Analog Devices, разработчики и производители
электронных систем получают преимущества всесторонней технической поддержки
и комплексного обслуживания, обеспечиваемых компанией Arrow.
Arrow Electronics помогает быстрее начать успешный проект с применением аналоговых
микросхем Linear Technology и Analog Devices благодаря мощным и современным сервисам
своего сайта: непревзойдённой on-line технической поддержке и обширной библиотеке
документации по применению компонентов.
Мы рады ответить на Ваши вопросы и предложить профессиональную техподдержку.
Обращайтесь в офис Arrow рядом с Вами:
Реклама
ООО «Арроу Электронике Рус»
123001, г. Москва, Мамоновский пер., д. 6
Телефоны для связи: Москва: +7 495 6265597;
Санкт-Петербург: +7 812 3328232;
Екатеринбург: +7 343 2871112
ЛЛЛПМ
arrow.com
28
источники и блоки питания
Требования
к DC/DC-преобразователям
для медицинской аппаратуры
с монтажом на печатную плату
Стив РОБЕРТС (Steve ROBERTS)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Профессиональное и домашнее здравоохранение представляют собой
довольно-таки быстро растущий рынок. Сегодня электронный мониторинг
используется все чаще, причем для самых разных целей, от контроля по-
казателей жизненно важных функций до датчиков присутствия пациента
в домашней постели. При этом для питания электроники, как правило,
требуется безопасная гальваническая развязка. Статья поясняет, почему
в типичных ситуациях необходима изоляция цепей питания, и описывает
стандарты безопасности, которые следует применять при проектировании
изделий данной группы. Кроме того, в публикации приведены примеры
DC/DC-преобразователей для монтажа на плате и рассмотрены некоторые
действующие на текущий момент международные стандарты.
В Европейском союзе медицинские приборы должны соответ-
ствовать требованиям основной директивы — European Union
Medical Device Directive (MDD) 93/42/EEC, Article 3 (русско-
язычный перевод Директивы приведен в [1]), а продукты, размещае-
мые на рынке, должны соответствовать основным требованиям ана-
лиза риска, приведенным в ст. 3 Директивы (Article 3) и приложениях
к ней — Annex I, ER1, Annex II, Annex III и Annex VII. Все это пред-
принято с единственной целью — обеспечить безопасность и гаран-
тии основных характеристик устройств, в частности защиты опера-
торов и пациентов от поражения электрическим током. Соответствие
требованиям Директивы MDD 93/42/ЕЕС подтверждается в слу-
чае, если продукт отвечает стандарту безопасности IEC 60601-1,
который в настоящее время действует в четвертой редакции
от 2014 года1. Однако необходимо принимать во внимание, что
уже к 2024 году Директива MDD будет заменена на Medical Device
Regulation (Положение о медицинском оборудовании, сокращенно
MDR), которое является еще более строгим в части безопасности.
Требования к изоляции в AC/DC-преобразователях
Вполне понятно, что AC/DC-преобразователи, используемые в ме-
дицинских целях, нуждаются в надежном и гарантированном обеспе-
чении защиты от поражения электрическим током — это, как говорит-
ся, принимается априори. В случае отказа источника питания у вас мо-
жет возникнуть прямое, приводящее к летальному исходу соединение
от источника переменного тока высокого напряжения к проводнику,
находящемуся в непосредственном контакте с пациентом. Причем, что
вполне возможно, даже не с кожным покровом человека, а с его вну-
тренним органом, если речь идет, например, об инвазивных датчиках.
1 В Российской Федерации в настоящее время действует стандарт ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 «Изделия
медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности с учетом основных функцио-
нальных характеристик», идентичный международному стандарту МЭК 60601-1:2005 с правками
второй редакции. Разъяснения для понимания третьей редакции даны в [2].— Прим. пер.
2 Под рабочей частью типа CF (Type CF, Cardiac Floating), согласно ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010
и IEC 60601-1, подразумевается часть оборудования, применяемая в непосредственной связи с паци-
ентом, которая спроектирована и предназначена для снятия/доставки электроэнергии или электро-
физиологического сигнала от/к пациенту и применяется в аппаратах прямого воздействия на сердце
и органы сердечно-сосудистой системы (внешние электрокардиостимуляторы и т.п.).— Прим. пер.
Обратное также верно — медицинское оборудование должно иметь
защиту от «плавающего» заземления (то есть иметь гальваническую
развязку) пациента, который подвергается воздействию внешнего вы-
сокого напряжения, например во время процедур прижигания или
дефибрилляции.
Стандарты медицинской безопасности предельно ясны. Они четко
и однозначно определяют уровни изоляции, или так называемые меры
защиты МОР, необходимые как для оператора (медицинского персо-
нала), они называются МООР, так и для пациента — именуются МОРР.
Для каждой категории медицинского оборудования должно быть пред-
усмотрено не менее двух средств защиты МОР: 2хМООР и 2хМОРР со-
ответственно. Для электрических соединений есть еще три определения
«применяемых частей» (applied part, такой частью может быть даже сам
пациент):
•	Туре В (рабочая часть типа В): нет электрического контакта с па-
циентом и одна часть может быть заземлена;
•	Type BF (рабочая часть типа BF): изолированная («плавающая»)
рабочая часть, электрически связанная с пациентом, но не напря-
мую с его сердцем;
•	Type CF (рабочая часть типа CF)2: изолированная («плавающая»)
рабочая часть, электрически подключенная к сердцу пациента.
Как и во всех стандартах безопасности, здесь также существуют и при-
нимаются во внимание факторы окружающей среды, которые влияют
на требуемые характеристики изоляции. Под ними подразумеваются:
напряжение системы, степень загрязнения, категория перенапряжения
напряжения питания и высота над уровнем моря, наличие или отсут-
ствие и способ подключения функционального (рабочего) заземления
(functional earth, FE) или защитного заземления (protection earth, РЕ);
«земля» в общем понимании является критически важным фактором.
Почему DC/DC-преобразователи
также могут нуждаться в изоляции
В медицинском оборудовании для преобразования одного в другое
напряжение постоянного тока, как правило, предусмотрены импульс-
ные DC/DC-преобразователи. Их применение связано со свойственной
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
29
им высокой эффективностью (КПД), кроме того, они легко могут ис-
пользовать напряжение постоянного тока, полученное от батареи или
от шины, сформированной преобразованием напряжения перемен-
ного тока в постоянное, а также преобразовывать имеющиеся уровни
напряжения постоянного тока к уровням, необходимым для питания
конкретной схемы или для подключенных к базовому оборудованию
тех или иных периферийных устройств, например датчиков. В боль-
шинстве случаев входное напряжение DC/DC-преобразователя пред-
ставляет собой низкое напряжение, в частности 5 или 12 В, а выход-
ное — низкое напряжение, например, ±5 или 3,3 В.
Функционально изоляция здесь не всегда требуется, но она мо-
жет быть включена для размыкания контуров заземления или для
уменьшения перекрестных помех между датчиками, сокращения
электромагнитных помех (ЭМП) или просто создания отрицатель-
ного напряжения от шины положительного источника питания. Тем
не менее даже там, где функциональная изоляция с общей точки
зрения не требуется, она все же может быть абсолютно необходимой,
хотя бы по соображениям безопасности, даже если входное и вы-
ходное напряжения низкие и находятся в пределах определения «без-
опасного» напряжения. Почему так? Для этого есть разные причины.
DC/DC- и AC/DC-преобразователи
как часть общей системы
DC/DC- и AC/DC-преобразователи могут быть частью общей си-
стемы, одобренной с медицинской точки зрения на безопасность.
Медицинское оборудование, работающее от сети напряжения пере-
менного тока, может использовать «медицинский сертифициро-
ванный» источник питания с необходимой системой изоляции для
удовлетворения таких требований, как 2хМООР или 2хМОРР в со-
ответствии с IEC 60601 и его региональными версиями — EN 60601
в Европе и ANSI/AAMI ES 60601 в США.
Эти источники питания следует специально проектировать в соот-
ветствии с установленными требованиями по медицинской безопас-
ности, но, как правило, они стоят дороже, чем индустриальные или
коммерческие источники, которые могут иметь даже более строгие
стандарты безопасности. Чтобы использовать в медицинском обо-
рудовании более дешевое предложение, предназначенное для массо-
вого рынка и сертифицированное согласно стандартам безопасности,
таким как EN 60950-1 или его преемник EN 62368-1, нужно последо-
вательно за ним установить устройство с дополнительным уровнем
изоляции. В этом нет особой хитрости или обмана — стандартами
безопасности допускаются «последовательные» уровни безопасности,
суммированные в одном оборудовании (рис. 1).
Исходя из сказанного изолированный DC/DC-преобразователь мо-
жет быть приемлемой дополнительной мерой защиты МОР между
выходом AC/DC-преобразователя и элементами устройства, доступ-
ными как применяемая часть для операторов в лице медперсонала
или пациентов. Общая стоимость такого решения значительно мень-
ше специального сертифицированного медицинского устройства.
Впрочем, есть одно «но», причем значительное.
Стандартом для медицинского оборудования, помимо мер защиты,
нормируются и токи утечки, которые, например, при использовании
блока питания с выполнением требований для ИТ-оборудования поч-
ти наверняка будут превышены. Они (токи утечки) могут быть сни-
жены, скажем, путем сокращения номинальной емкости или удаления
Рис. 1. Меры защиты МОР при необходимости могут быть последовательно добавлены
и суммированы
помехоподавляющих Y-конденсаторов, которые с целью уменьшения
уровня ЭМП устанавливаются в AC/DC-преобразователях от входа по-
дачи фазы напряжения переменного тока к «земле». Понятно, что это
приведет к повышению уровня ЭМП, который затем должен быть сни-
жен уже другими способами. AC/DC-преобразователь, отвечающий
нормативам стандарта IEC 60950-1, может быть пригоден для средств
защиты оператора сам по себе, но в медицинской среде предохрани-
телями нужно защитить как фазовый провод переменного тока, так
и нейтраль. При этом каждый предохранитель должен быть рассчитан
на 1500 А. Здесь имеется в виду отключающая способность (не путать
с рейтингом предохранителя, который является током, необходимым
для того, чтобы не перегорел предохранитель). Стандарт МЭК 60601-1
в третьей редакции имеет ссылку на стандарт IEC 60127-1, которая
гласит: «Если используются предохранители и ожидаемый ток корот-
кого замыкания превышает 35 А или в 10 раз превышает номинальный
ток предохранителя, в зависимости от того, какое значение больше,
то предохранители должны иметь высокую отключающую способ-
ность (1500 А)»3.
Кроме того, последняя редакция стандарта IEC 60601 (четвертая
редакция) содержит поправки к требованиям по электромагнитной
совместимости (ЭМС), которым должна соответствовать система
в целом, поэтому использование источников питания ИТ-класса
необязательно окажется тривиальной заменой специализированного
медицинского источника питания4.
DC/DC-преобразователи
обрывают цепь возврата тока от пациента
Частью выполнения требований стандартов безопасности для ме-
дицинской системы является то, что при анализе риска должен учи-
тываться отказ и другого оборудования. В худшем случае пациент или
оператор оказывается включенным в цепь прохождения электриче-
ского тока, что вызвано неисправностью подсоединенного оборудова-
ния, при «условии единичного нарушения» (single fault condition, SFC),
и могут быть поражены электрическим током или получить ожоги,
если ток течет от этого источника через человека на «землю»5.
Поэтому необходимо, чтобы соединения с пациентом, например,
были изолированы от «земли» до определенного уровня напряжения.
Изоляция от «земли» (Isolation from ground) — это относительная
мера, поскольку в реальных условиях всегда будет некоторая паразит-
ная или остаточная емкость от пациента к «земле», возможно, через
3 В Российской Федерации в настоящее время действует стандарт ГОСТ IEC 60127-1-2010 «Миниатюрные
плавкие предохранители. Часть 1. Терминология для миниатюрных плавких предохранителей и общие тре-
бования к миниатюрным плавким вставкам», идентичный международному стандарту IEC 60127-1:1999*
Miniature fuses — Part 1: Definitions for miniature fuses and general requirements for miniature fuse-links,
в котором это требование прямо не учтено.— Прим. пер.
4 В Российской Федерации в марте 2015 года введен в действие ГОСТ Р МЭК 60601-1-2-2014 «Изделия
медицинские электрические. Часть 1-2. Общие требования безопасности с учетом основных функ-
циональных характеристик. Параллельный стандарт. Электромагнитная совместимость. Требования
и испытания», который идентичен международному стандарту IEC 60601-1-2:2007 (третья редакция),
включая техническую поправку I-SH 01-2010. Особенности четвертой редакции и отличия доступны
в [3].— Прим. пер.
5 Согласно ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010, «условие единичного нарушения» — это состояние, при котором одно
средство для снижения риска имеет дефект или существует одно ненормальное условие.— Прим. пер.
Таблица 1. Максимально допустимые токи утечки для типов оборудования
Токи утечки	Туре В		Type BF		TypeCF	
	NC	SFC	NC	SFC	NC	SFC
На «землю»	500 мкА	1 мА	500 мкА	1 мА	500 мкА	1 мА
На доступную часть	100 мкА	500 мкА	100 мкА	500 мкА	100 мкА	500 мкА
На пациента	100 мкА	500 мкА	100 мкА	500 мкА	10 мкА	50 мкА
Примечание. NC = в нормальном состоянии; SFC = при условии единичного нарушения.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
30
источники и блоки питания
= ВОР (240 В)
= 2 МООР (240 В)
= 0 МООР (240 В)
= 1 МОРР (240 В)
= 0 МОРР (240 В)
SIP/SOP
= ВОР (240 В)
= 2 МООР (240 В)
= 1 МООР (240 В)
= 2 МОРР (240 В)
= 1 МОРР (240 В)
Рабочая часть (пациент)
Рис. 2. Возможный сценарий подключения оборудования, требующий DC/DC-преобразователя с усиленной изоляцией:
а) Класса II; б) Класса I
многоканальное оборудование, позволяю-
щее протекать току частотой 0/60 Гц. Токи,
текущие по разным путям, как известно, сум-
мируются, именно поэтому для каждого ис-
точника стандарты устанавливают очень низ-
кий допустимый уровень (табл. 1). При этом
стандартом определены и рассматриваются
отдельно ток утечки на «землю», ток утечки
на доступную часть и ток утечки на пациента.
Под током утечки на «землю» (earth leakage
current) подразумевается ток, протекающий
от сетевой части изделия через изоляцию или
по ней на провод защитного заземления. Под
током утечки на доступную часть (enclosure,
буквально: корпус) подразумевается ток утеч-
ки на корпус. Под током утечки на пациента
(patient leakage current) — ток, протекающий
от соединений с пациентом через пациен-
та на «землю», или ток, возникающий из-за
непредусмотренного появления напряжения
от внешнего источника на пациенте и проте-
кающий от соединений с пациентом в рабо-
чей части типа F на «землю».
Как уже было сказано, DC/DC-преобра-
зователи часто используются для обеспече-
ния дополнительного уровня изоляции (до-
полнительной меры защиты МОР) с целью
создания защиты от внешних по отношению
к нему условий единичного нарушения. При
этом оборудование может питаться от сети
напряжения переменного тока и быть изде-
лием класса I или класса II защиты от пора-
жения электрическим током, с батарейным
питанием, портативным и т.п. Однако у лю-
бого типа оборудования бывают те или иные
неопределенные сторонние соединения, та-
кие как сеть через Ethernet или подключе-
ния через USB для регистратора данных или
принтера. Кабели могут иметь или не иметь
экраны, подключенные или нет к «земле».
Поэтому выбор и обеспечение должного
уровня изоляции DC/DC-преобразователя —
задача не из легких. Пример использования
DC/DC-преобразователя для оборудования
класса II (без заземления, пластиковый кор-
пус) показан на рис. 2а.
Здесь основная изоляция AC/DC-преобра-
зователя (В) обеспечивает 2хМООР защи-
ты, а DC/DC-преобразователю, который
поддерживает питание для «рабочей части»
(в нашем случае — пациента), в приложени-
ях типа BF или CF достаточно иметь толь-
ко IxMOPP для общего уровня в 2хМОРР.
Обратите внимание, что изоляция DC/DC-
преобразователя должна быть рассчитана
на системное напряжение (в данном случае
240 В АС), а пластиковый корпус — иметь
толщину не менее 1 мм из подходящего
по электрической прочности диэлектриче-
ского материала, при этом к цепи проме-
жуточной шины низкого напряжения 48 В
не должно быть никаких других внешних
подключений.
Другой пример, встречающийся на прак-
тике, показан на рис. 26. Здесь мы имеем дело
с аппаратурой класса I (заземленная), выпол-
ненной в металлическом корпусе, а устрой-
ство ввода переменного тока обеспечивает пи-
тание для подключения пациента к BF или CF,
как «рабочей части» (в нашем случае — паци-
ента). Имеются также неопределенные под-
ключения входного/выходного сигнала к дру-
гому внешнему оборудованию со стороны
источника питания оборудования низкого на-
пряжения, в роли которого могут выступать
простая система в корпусе (System-in-Package,
SiP) или более сложная многоуровневая систе-
ма (System-on-Package, SOP).
Обратите внимание, что в этом примере,
хотя основная изоляция от сети 240 В АС
(В) и составляет 2хМООР, но в DC/DC-npe-
образователе (D) по-прежнему требуются
2хМОРР. Это связано с тем, что здесь име-
ются неопределенные соединения SIP/SOP
с шиной 48 В, которые должны рассма-
триваться как находящиеся при условии
единичного нарушения под напряжением
системы (240 В АС). Поэтому изоляция D
также должна быть рассчитана на 240 В АС.
Выход DC/DC-преобразователя тоже дол-
жен быть изолирован от металлического
корпуса (Е) с помощью IxMOPP. Если со-
единение с SIP/SOP указано как имеющее
2хМООР-изоляцию по отношению к на-
пряжению системы и этот уровень изоля-
ции не может быть случайно или несанк-
ционированно изменен, то барьер D может
уменьшиться до IxMOPP. Основная изоля-
ция ВОР в обеих представленных схемах яв-
ляется изоляцией между фазой и нейтралью
переменного тока.
Важность остальных характеристик
DC/DC-преобразователей
В медицинских применениях электри-
ческая прочность изоляции и токи утечки
в нормальных условиях и при единичном
нарушении являются главными требова-
ниями к преобразователям постоянного
тока, но здесь также существуют ограниче-
ния по температуре корпуса продукта и его
внутреннего трансформатора, по воспламе-
няемости материалов и всем прочим воз-
можным опасностям, которые необходимо
учитывать и документировать в отношении
анализа рисков, таких как пожар, дым, ожоги
и механические повреждения.
Практическое решение
конструкции изолированного
DC/DC-преобразователя
для медицинских приложений
Включение в конструкцию миниатюрных
DC/DC-преобразователей необходимого
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
31
Рис. 4. Исполнение DC/DC-преобразователей для медицинских применений семейства REMxE
Таблица 2. Основные технические характеристики DC/DC-преобразователей для медицинских применений
семейства REMxE
Характеристика	REM3.5E	REM5E	REM6E
Мощность	3,5 Вт	5 Вт	3 Вт
Вход	5,12,24, 48 (2:1)	5,12, 24,48 (2:1)	12,24,48 (2:1)
Выход	Стабилизированный	Стабилизированный	Стабилизированный
Выходные напряжения	5,9,12,15,24, ±5, ±9, ±12, ±15	5, 9,12,15,24, ±5, ±9, ±12, ±15	9,12,15,24, ±5, ±12, ±15
кпд	До 82%	До 80%	До 85%
Электрическая прочность изоляции	Усиленная, до 10 кВ	Усиленная, до 10 кВ	Усиленная, до 10 кВ
Сертификаты	IEC/EN/UL 60601 с СВ Report (3-е изд., 4-е изд. ЭМС)	IEC/EN/UL60601 сСВ Report (3-е изд., 4-е изд. ЭМС)	IEC/EN/UL 60601 с СВ Report (3-е изд., 4-е изд. ЭМС)
Диапазон рабочих температур	-40...+85 °C	-40...+80 °C	-40...+75 °C
Директивы	REACH, RoHS 2+(10/10)	REACH, RoHS 2+(10/10)	REACH, RoHS 2+(10/10)
Опции	ВКЛ/ВЫКЛ, UVLO	ВКЛ/ВЫКЛ, UVLO	ВКЛ/ВЫКЛ, UVLO
Примечания.
1. UVLO — блокировка питания при пониженном напряжении.
2. Опция ВКЛ/ВЫКЛ для преобразователей в корпусах SMD предусмотрена по умолчанию.
5, 12, 24 и 48 В. Кроме того, имеются вари-
анты со стабилизированным выходом как
для одиночных, так и сдвоенных выходных
напряжений. Все DC/DC-преобразователи
семейства REMxE характеризуются рей-
тингом по изоляции 2хМОРР при 250 В АС
с внутренним/внешним зазором не менее
8 мм и максимальным током утечки 1 мкА.
Преобразователи мощностью до 3,5 Вт работа-
ют без снижения мощности в диапазоне темпе-
ратур -40.. .+85 °C, модели мощностью 5 и 6 Вт
с линейным снижением от +80 и +75 °C соот-
ветственно. На все представленные модели да-
ется гарантия три года. Основные технические
характеристики DC/DC-преобразователей для
медицинских применений семейства REMxE
приведены в таблице 2. Полные специфика-
ции для DC/DC-преобразователей компании
RECOM, в том числе рекомендованные схемы
включения и номиналы элементов для выпол-
нения требований по ЭМС, доступны через ги-
перссылки в [4].
Изолированные DC/DC-преобразователи
для монтажа на печатную плату становят-
ся важным средством для достижения норм
безопасности для медицинских устройств.
Поэтому коммерческие решения таких пре-
образователей от компании RECOM имеют
все нормативные и эксплуатационные харак-
теристики.
пути утечки и воздушных зазоров может
быть очень сложной задачей, особенно во-
круг и внутри трансформатора. Существует
небольшой шанс на успех решить вопрос
зазора с помощью физического разделения
пространства в трансформаторе. Но для
обеспечения правильного решения этой
проблемы в комплексе нужны специаль-
ные методы, включая использование про-
вода с тройной изоляцией (triple insulated
wire, TIW), который с непрерывной намот-
кой образует три перекрывающихся слоя
изоляции провода. Если рассматривать ток
утечки через паразитную емкость, то он,
как правило, достаточно мал, но для соот-
ветствия требованиям стандарта по ЭМС
в части подавления синфазного шума
DC/DC-преобразователям может понадо-
биться дополнительная внешняя емкость
между входом и выходом. Если такая ем-
кость (или емкости) установлена, то эти
конденсаторы оказываются включенны-
ми параллельно изолирующему барьеру.
Соответственно, их следует выбирать долж-
ного типа с требованиями по безопасности,
предъявляемыми для Y-конденсаторов,
и минимально возможной емкостью. Это
необходимо для того, чтобы поддерживать
низкий ток утечки для предполагаемого
медицинского применения. Исходя из все-
го сказанного, для использования в меди-
цинских целях предпочтительны DC/DC-
преобразователи с низким уровнем соб-
ственных электромагнитных помех.
Решения от компании RECOM
Некоторые производители, например ком-
пания RECOM, решили задачу по разработке
DC/DC-преобразователей для медицинских
применений, предоставив широкий ассорти-
мент недорогих преобразователей семейства
REMxE [4]. Номинальная мощность предла-
гаемых DC/DC-преобразователей составляет
3,5; 5 и 6 Вт (рис. 4). До недавнего времени они
были доступны в корпусах DIP24 для монта-
жа на плату в отверстия, но с 2019 года в их
спецификации введено исполнение и под тех-
нологию монтажа на поверхность (SMD).
DC/DC-преобразователи семейства REMxE
имеют широкий диапазон входного напря-
жения и номинальное выходное напряжение
та
Серийное производство электронных
модулей и приборов
«‘Контрактное производство
высокотехнологичной электроники,
в т.ч. монтаж BGA с рентген-контролем
www.graml-vt.ru
e-mail: mail@granit-vt com
Литература
1.	Директива Совета 93/42/ЕЕС от 14 июня
1993 года по вопросу медицинского обору-
дования. Directive 93/42/ЕЕС of 14 June 1993
concerning medical devices, www.icqc.eu/userfiles/
File/directive%2093%2042%20eec%20
medical%20devices.pdf
2.	Бейлис A.-M. Безопасное использование DC/DC-
преобразователей: требования третьей редакции
стандарта IEC 60601-1 // Компоненты и техноло-
гии. 2015. № 11.
3.	Ле Февр П. Электропитание и проблемы элек-
тромагнитной совместимости оборудования
при работе в медицинских средах // Компоненты
и технологии. 2016. № 5.
4.	Medical Power Supplies RECOM.
www.recom-power.com/medical
Электронная аппаратура для
ответственных применений
Контрактная разработка и
инженерное сопровождение
АО ТРАНИТ-ВГ тел /факс. 0 ( 312) 274-04-48
191014, Санкт-Петербург. ул. Госпитальная 3
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
32
источники и блоки питания
Онлайн ИБП с резервированием:
QUINT4-UPS мощностью 1000 В-А
от Phoenix Contact
Илья БАНЩИК
info@phoenixcontact.ru
Phoenix Contact расширяет линейку источников бесперебойного питания
для сетей переменного тока. Новая модель QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA
мощностью 1000 В'А обеспечивает безударное переключение с сети на ба-
тарею и до нескольких часов автономной работы. С помощью восьми ва-
риантов аккумуляторных батарей можно спроектировать решение для
различных условий эксплуатации. ИБП выпускается в промышленном
исполнении: диапазон температур эксплуатации —25...+60 °С9 вибрацион-
ные нагрузки до 0,7g, устойчивость к электромагнитным помехам согласно
промышленным нормам ЭМС.
Экономия пространства
Ширина ИБП (рис. 1) всего 290 мм — это
меньше ширины одного листа А4, а высота
и глубина аналогичны источникам питания
этой же серии QUINT4. Благодаря тому что
все элементы управления и индикации рас-
положены на передней панели, ИБП может
размещаться в неглубоких шкафах с одно-
сторонним обслуживанием (рис. 2).
Устройство имеет штатное крепление
на DIN-рейку, но с учетом массы в 5 кг ре-
комендуется использовать рейку высотой
15 мм, а лучше усиленную (в номенклатуре
Phoenix Contact есть рейка из стали толщи-
ной 2,3 мм NS 35/15-2,3 UNPERF 2000ММ).
Кроме того, можно использовать стандарт-
ный адаптер UWA 130 для крепления непо-
средственно на панель. Батареи использу-
ются внешние, что предоставляет возмож-
ность гибко подходить к проектированию
шкафа. Например, ИБП можно разместить
Рис. 1. Внешний вид ИБП QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA
290
T15A
250V
000000000
I I I I I I I I I
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9
Л?
Link
Master 2 kVA Power
Master
Single III I 1kVA
XiZRedundancy
Slave
#1—1""""
Service^ jPress>es
Input АС 100-240V
LN ©
юза
Output AC 120/230V
LN ©
еяа
2.1 2.2 2.3
120VED #АСОК
230V □ Ж P>Pn/Remote
Battery 1 DC 24V
Рис. 2. Габаритные размеры
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
источники и блоки питания
33
в верхней части шкафа, а батареи в нижней
части, более прохладной. Так же как и все ис-
точники питания Phoenix Contact, этот ИБП
не имеет вентиляторов, пассивное охлажде-
ние осуществляется естественной конвекци-
ей воздуха через кожух.
Чистый «синус» на выходе
QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA спроекти-
рован по схеме с двойным преобразованием
(онлайн ИБП). Это обеспечивает полностью
безударное переключение в режим работы
от батареи при отключении сетевого напряже-
ния (рис. 3). Согласно стандарту IEC 62040-3,
класс этого ИБП — VFI-SS-111, что подраз-
умевает полностью независимое от амплиту-
ды и частоты входного напряжения выходное
напряжение с синусоидальной формой, как
в режиме работы от сети, так и в режиме рабо-
ты от батареи (SS).
Два QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA мож-
но подключить как параллельно, с целью
резервирования «1+1», так и с целью повы-
шения мощности в два раза — до 2000 В-А.
Синхронизируются оба ИБП обычным патч-
кордом, через расположенные на передней па-
нели порты RJ-45, рядом с которыми установ-
лены поворотные переключатели Master/Slave.
Таким образом, настройка параллельного
режима производится без программного обе-
спечения.
Интеллектуальное
управление батареями
Как для модельного ряда QUINT-UPS, так
и для нового QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA
используются те же аккумуляторные мо-
дули UPS-ВАТ, с выходным напряжени-
ем 24 В DC. Отличие состоит в том, что
к QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA аккумулятор-
ные модули UPS-ВАТ подключаются парами,
чтобы обеспечить номинальное входное на-
пряжение инвертора 48 В. При этом более
высокое напряжение позволяет снизить вы-
деление тепла в случае работы с нагрузкой
большой мощности. На блок-схеме можно
увидеть, что внутри ИБП батареи подключа-
ются последовательно (рис. 4).
В основе нового ИБП заложена собствен-
ная разработка Phoenix Contact — IQ-TECH-
NOLOGY, предназначенная для управления
и диагностики состояния батарей. Ключевыми
преимуществами являются определение уров-
ня заряда батареи (State Of Charge) и прогно-
зирование ее срока службы (State Of Health).
Благодаря этой технологии обеспечивается
оптимальное использование аккумулятора.
Его параметры измеряются на основе стати-
стики таких важных данных, как температура
эксплуатации, число и глубина циклов заря-
да/разряда, внутреннее сопротивление бата-
реи, вычисляется оставшийся срок службы
аккумулятора. Также QUINT UPS определяет
текущий уровень заряда батареи, текущую
U в	Сбой электроснабжения						
	Г\	А	L 1/\ /\		U|N	
						
	\ I	1	V 1 1			
	Питание от сети	Чистая синусоида при работе от сети и от батареи	Питание от батареи t, МС					
			1 1 / \ 1 / \ 1 / \ 1 / \ 1 / '		1 Uqut	
	V V	V	1	/ \* 1	/ \|	/			1 1 1
Рис. 3. Онлайн ИБП обеспечивает безударное переключение и стабилизацию выходного напряжения
Вход
АС
Np^
PEQ1'3
+
Батарея .
1 DC -9=^
-14.3
Батарея 14 4
2 DC -?^?7
Параллель-^2
ный порт I
Рис. 4. Блок-схема ИБП
мощность нагрузки и на основании этого
в динамическом режиме вычисляет оставше-
еся время работы в буферном режиме.
Таким образом, в любой момент времени
пользователь осведомлен о состоянии акку-
мулятора и может своевременно спланиро-
вать замену батареи при завершении ее ре-
ального срока службы. ИБП постоянно рас-
считывает оставшийся срок службы батареи,
поскольку данный параметр является вели-
чиной переменной, зависящей в основном
от температуры эксплуатации и интенсив-
ности заряда/разряда аккумулятора. Следует
также отметить, что замену аккумуляторов
можно выполнять в горячем режиме без от-
ключения ИБП и потребителей.
Кроме расширенного мониторинга состо-
яния энергоаккумулятора, QUINT UPS-IQ
обеспечивает оптимальный режим его заряда.
Выход
АС
-^>L
—^9 N
РЕ
—3 1 ।
. — р Alarm
I —6 Bat.-Mode
l3’^A AC OK
13Л? Ready
;3-^ p>pn
j3^ Bat.-Start 230V
|3'^9 Bat.-Start 120V
l3 ^6 Remote
3 9 I
r^9 SGnd
Заряд происходит в три стадии: сначала по-
стоянным током, затем постоянным напря-
жением, потом капельным зарядом для ком-
пенсации саморазряда. Выбор максимального
зарядного тока происходит автоматически,
в соответствии с конкретным типом акку-
мулятора и его емкостью. Эту информацию
ИБП получает от батареи по коммуникаци-
онному интерфейсу. Предлагаемые аккуму-
ляторные модули UPS-ВАТ имеют в своем со-
ставе не только сами батареи, но и небольшой
электронный модуль. Данный модуль про-
изводит измерение параметров аккумулято-
ра и передает их в ИБП. Термокомпенсация
напряжения заряда осуществляется на ос-
новании температуры, измеряемой непо-
средственно около аккумулятора. Во время
разряда ИБП отключает аккумуляторы при
снижении суммарного напряжения ниже
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
34
источники и блоки питания
		Время в буферном режиме																						
		Минуты												Часы										
	Мощность	2	3	4	5	8	10	15	20	25	30	40	50	1	1,5	2	3	4	6	9	10			
	100 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	Fl+1"	1+1	1кЯ		1+1			
	200 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	11+1	1+1	1+1	1+11					
	300 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1		1+1	1+1	1+1					—	2320306 UPS-BAT/VRLA/24DC/3.4AH 2320319 UPS-BAT/VRLA/24DC/7.2AH 2320322 UPS-BAT/VRLA/24DC/12AH 2320335 UPS-BAT/VRLA/24DC/38AH
	400 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	•И 1Н			1+1	1+1						—	
	500 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	|1-1	1+1 1+1		1+1	1+1								
	600 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	11+11	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1									
	700 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	inliPl 1+1			1+1	1+1	1+1									
	800 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	[III	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1										
	900 Вт	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1	1+1										
																								
Рис. 5. Диаграмма времени автономной работы. Стрелками показана комбинация: 30 мин работы при нагрузке 400 Вт обеспечивается двумя аккумуляторами 12 А-ч
определенного уровня, чтобы не допустить
вредного для них глубокого разряда.
Время автономной работы, конечно же,
зависит от мощности нагрузки и емкости
аккумулятора. Например, самый маленький
аккумулятор — UPS-BAT/VRLA/24DC/3.4AH
емкостью 3,4 А-ч обеспечит всего 2 мин авто-
номной работы при номинальной мощности
900 Вт, а самый большой, емкостью 38 А-ч,—
около 1 ч работы (рис. 5).
Кроме стандартных герметичных свин-
цово-кислотных аккумуляторов UPS-ВАТ/
VRLA/, к ИБП могут подключаться литий-
ионные аккумуляторы UPS-BAT/LI-ION,
которые имеют на порядок больший ресурс
циклов заряда/разряда по сравнению с VRLA-
аккумуляторами (до 7000). Кроме того, за счет
более низкого внутреннего сопротивления
они хорошо держат высокие токи нагрузки
и могут в два раза дольше храниться без под-
заряда. Температурный диапазон литий-ион-
ных аккумуляторов составляет -25...+60 °C.
Перечисленные преимущества вкупе с дли-
тельным сроком службы (15 лет) делают их
отличным выбором для систем, где предпо-
лагается частый переход в буферный режим.
Диагностика состояния
Для мониторинга состояния и управления
в QUINT4-UPS/1AC/1AC/1KVA используют-
ся дискретные выходы/входы (рис. 6).

Рис. 6. Диагностические сигналы ИБП
Всего предусмотрено пять выходов: Alarm
(обобщенная авария), Bat-Mode (режим ра-
боты от АКБ), АС ОК (входное напряжение
в норме), Ready (АКБ заряжена), Р>Рп (пре-
вышение номинальной мощности).
Имеется два входа: в отсутствие сетевого
напряжения Bat-Start обеспечивает холодный
запуск от батареи, a Remote отключает ИБП
в режиме работы от батареи.
С помощью mini-USB-интерфейса и бес-
платной программы UPS-CONF (рис. 7)
можно более детально контролировать со-
стояние ИБП и аккумуляторов.
Если подключить ИБП к промышленному
компьютеру через USB-интерфейс, то можно
задействовать режим PC-Mode, предназна-
ченный специально для работы с ПК.
Установленная на компьютере программа
UPS-CONF, через заданное время после пере-
ключения ИБП в буферный режим, автома-
тически даст команду ОС Windows для завер-
шения работы. Это позволяет предотвратить
Рис. 7. Снимок экрана системной информации программы UPS-CONF
потерю данных из-за внезапного отключения
питания ПК. В случае необходимости можно
использовать драйвер для систем на Linux
и передавать данные по Modbus RTU.
Программа UPS-CONF выводит на экран
в удобном виде информацию о заряде батареи,
ее прогнозируемом сроке жизни и режиме ра-
боты UPS в данный момент времени. В слу-
чае пропадания питания или неисправности
появляются аварийные сообщения и ведется
логирование событий. Дополнительно мож-
но посмотреть напряжение, разрядный ток
и температуру батареи. В расширенных на-
стройках задается конфигурация дискретных
входов/выходов, настраиваются временные
интервалы и гистерезис перехода на режим
работы от батареи или от сети.
Таким образом, новый онлайн-ИБП с ре-
зервированием QUINT4-UPS от Phoenix
Contact удовлетворяет самым разным запро-
сам потребителей и обеспечивает высокую
надежность и безотказность в работе.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ЗАО ГРУППА КРЕМНИИ ЭЛ
КТ228_9 + КТ235_9
Комплементарные биполярные транзисторы в SMD-корпусе КТ46 (SOT-23)
В рамках имлортозамещения ЗАО «Группа Кремний Эл» приступило к выпуску ряда
комплементарных пар маломощных высокочастотных биполярных транзисторов,
полных аналогов импортных компонентов серий ВС8хх, в корпусе для поверхностного
монтажа КТ-46 (SOT-23). Транзисторы предназначены для применения в
переключающих и усилительных схемах, генераторах ВЧ-колебаний и в другой РЭА
л роизводственно -технического назначения.
Основные электрические параметры транзисторов
_______при температуре окружающей среды Ькр - (25 ±10)°C_
Обозна- чение	Аналог	1кэтм, В	1нл1*х, А	11213 min-max	Uk3 нк, В	ТГРш!п, МГц	Шифр ТУ	Обозна- чение	Аналог	UxScnaa, В	1кта,, А	11213 min - max	U КЗ нк, В	П"Р mm, МГц
PNP								NPN						
КТ228А9	ВС807	45	0.5	100 - 600	0.70	80	АД КБ.432140.555	КТ229А9	ВС817	45	0.5	100-600	0,70	100
КТ228Б9	ВС807-16			100 - 250				КТ229Б9	ВС817-16			100 - 250		
КТ228В9	ВС807-25			160 - 400				КТ229В9_	ВС817-25			160-400		
КТ22еГ9	ВС607-40			250 - 000				КТ229Г9	ВС817-40			250-600		
КТ233А9	ВС856	65	0.1	125-475	0.65	100	ж Ч" § 1	КТ230А9	ВС846	65	0.1	110-450	0,60	100
КТ233Б9	ВС856А			125-250				КТ23ОБ9	ВС46А			110-220		
КТ233В9	ВС856В			220 - 475				XT230B9	ВС846В			200 - 450		
ХТ234А9	ВС857	45	0,1	125-800	0,65	100		КТ231А9	ВС847	45	0.1	110-800	0,60	100
КТ234Б9	ВС857А			125 - 250				КТ231Б9	ВС847А			110-220		
КТ234В9	ВС857В			220 - 475				КТ231В9	ВС847В			200-450		
КТ234Г9	ВС857С			420 - 800				КТ231Г9	ВС847С			420 - 800		
КТ235А9	ВС858В	30	0.1	220 - 475	0.65	100		КТ232А9	ВС848В	30	0.1	200 - 450	0,60	100
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность (to,р £ 25 flC) s 0.25 Вт
Габаритный чертёж корпуса КТ46
(типовые размеры в мм)
Реклама
Номер быбода	Назначение быбода
1	База
2	Эмиттер
3	Коллектор
241037, г.Брянск
ул. Красноармейская, 103
тел/факс (4832) 41-91-03
E-mail; mark@kremny.032.ru
www.group-kremny.ru
36
рынок
ИТМО и Keysight:
сотрудничество мирового класса
Ольга БЛИНКОВА
В первой половине апреля в Санкт-Петербургском национальном ис-
следовательском университете информационных технологий, механики
и оптики (ИТМО) был подписан меморандум о сотрудничестве с компани-
ей Keysight, производителем измерительных приборов и программного
обеспечения. Основным направлением работы Keysight являются элек-
тронные измерения.
Входе церемонии подписания Владимир НИКИФОРОВ, про-
ректор по научной работе ИТМО, отметил, что вуз надеется
на долгое сотрудничество с компанией Keysight, выходящее
далеко за пределы простой покупки оборудования для лаборато-
рий. Особое внимание будет уделено развитию лабораторий оп-
тики и фотоники. Оптика была первым научным направлением
Университета ИТМО и сейчас является крупным сегментом рын-
ка в сфере ИТ и коммуникаций. Фотоника также относится к ос-
новным направлениям научной деятельности вуза. Как отметил
Никифоров, в перспективе соединение фотоники и ИТ может дать
старт многим интересным технологиям, кроме того, фотоника
может служить базой для «умных городов». Быстрому развитию
в этих сферах будут способствовать качественные измерительные
приборы.
Взгляд ИТМО
— Почему возникла необходимость в соз-
дании фотонной лаборатории? Какие задачи
в ней планируется решать?
— У нас есть факультет фотоники, это основное
направление работы нашего университета, а лабо-
ратория будет заниматься СВЧ-оптоэлектроникой
и радиофотоникой. Направление важное, и оно
активно развивается. Мы сможем не только демон-
стрировать там студентам свои системы, но и вы-
полнять заказы.
— Какое оборудование будет представлено
в лаборатории?
Владимир НИКИФОРОВ,
проректор по научной работе ИТМО
— У нас есть полный комплект оборудования
для измерения электрических и оптических сиг-
налов — осциллографы, измерители оптических
спектров и СВЧ-спектров. Имеющееся оборудова-
ние может работать с частотами до 20 ГГц.
— Почему выбор пал именно на эти прибо-
ры, какими преимуществами они обладают?
— Последний закупленный нами осциллограф
характеризуется крайне низким уровнем шумов.
У Keysight отличное ПО, оно позволяет удобно ра-
ботать с прибором. Для нас это важно. К устрой-
ству прилагается хорошая аналитика. И не только
обработка, но и мощные средства имитации, есть
возможность генерировать любой спектр сигналов
и модуляций.
— Расскажите немного о проекте «Хайпарк
ИТМО».
— В проекте «ИТМО Хайпарк» только что за-
вершился комплекс архитектурных решений, и вы-
брана компания-застройщик. К 2024 году ядро
проекта будет завершено. Сам проект рассчитан
до 2027 года.
— Какое участие в нем планирует принять
компания Keysight?
— Планируется центр экспертизы и ежегодная
конференция.
— Сотрудничали ли вы уже с компанией
Keysight в каких-либо реализованных про-
ектах?
— Это один из основных поставщиков нашего
измерительного оборудования.
— В каких еще проектах вы планируете
задействовать экспертов и оборудование
Keysight?
— Сейчас сотрудничество выходит на новый
уровень — обучение, экспертиза, конференции.
— По вашему мнению, какие специалисты
будут наиболее востребованы в промышлен-
ности в ближайшие годы? Какой подход к их
образованию планирует использовать ИТМО?
Владислав БУГРОВ,
директор мегафакультета фотоники ИТМО
— Мы верим в специалистов в области фото-
ники, верим, что ИИ плюс робототехника «убьют»
рынок труда для людей-операторов, но раз-
работчики будут востребованы, спрос на них
будет нарастать. Специалисты будущего — это
интердисциплинарные специалисты. В целом,
интердисциплинарности все больше, в частности
по направлению «оптика плюс физика плюс ИТ».
Это люди, понимающие спектр задач и разбираю-
щиеся в урбанистике, медицине, финтехе.
Методы обучения также эволюционируют.
Можем отметить два тренда: первый — это уход
из лекционного зала в онлайн, а второй — уход
в лаборатории. Одного только онлайна недоста-
точно. Студенты, которые хотят чего-то добиться,
идут в лабораторию, чтобы получить практические
навыки, без них никуда.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
рынок
37
Владислав БУГРОВ, директор мегафакультета фотоники, обратил
внимание участников церемонии на то, что специалисты лаборатории
СВЧ-оптоэлектроники и оптических телекоммуникациций (Microwave
Optoelectronics and Optical Communications) активно занимаются на-
учной деятельностью: они публикуют около 800 научных статей в год,
а индекс Хирша для десяти ведущих исследователей лаборатории пре-
вышает 35. В лаборатории уже используется оборудование компании
Keysight, в частности четырехканальный осциллограф серии UXR.
В рамках церемонии подписания меморандума состоялось высту-
пление вице-президента компании Keysight Марка УОЛЛЕСА (Mark
WALLACE), который подчеркнул важность сферы образования для
предприятия. В России Keysight уже работает с большим количеством
вузов. По мнению Уоллеса, повышение качества образования по-
зволит улучшить качество жизни людей во всем мире. «Мы внесем
хороший вклад в работу студентов и преподавателей ИТМО — они
смогут использовать самое современное оборудование»,— отме-
Взгляд Keysight
— Насколько оправдалась выбранная
Keysight стратегия с точки зрения глобальных
продаж? За счет чего происходит рост и при-
влекаются новые клиенты, которых довольно
много?
— На самом деле наша стратегия включает
не так много направлений. Прежде всего, важным
является наше лидерство в ключевых отраслях
современных технологий, например телекомму-
никациях по стандарту 5G. Также мы сотрудни-
чаем с другими лидерами отрасли, плодотворно
работая с производителями, в частности, микро-
схем. Наша экспертиза и партнерство с другими
лидерами рынка привлекают клиентов. Кроме
того, мы стремимся увеличить число менеджеров
по продажам. К примеру, в ближайшие четыре
года планируем удвоить число таких специали-
стов. Третьим важным фактором является то, что
компания Keysight прикладывает огромные уси-
лия, стараясь предлагать не только измеритель-
ное оборудование, но и комплексные решения,
включающие ПО и сервис. Четвертое — мы стре-
мимся сотрудничать с нашими клиентами, видя
в них не только потребителей наших продуктов,
но равноправных партнеров, чей успех для нас
чрезвычайно важен.
Еще я хотел бы упомянуть, что мы сместили ак-
цент нашей работы на цифровой маркетинг. Все
наши клиенты сегодня проводят много времени
в Интернете. В результате мы общаемся с нашими
клиентами в режиме онлайн, и проходит намного
больше времени, чем раньше, когда наконец на-
значается личная встреча.
Итак, подчеркну еще раз основные моменты
нашей стратегии в области глобальных продаж.
Прежде всего, это укрепление лидерства на рынке,
затем удвоение числа специалистов по продажам,
а также применение методов эффективного мар-
кетинга, в частности цифрового.
В прошлом году мы привлекли около 2500 но-
вых клиентов, а общее число заказчиков, с кото-
рыми мы работаем, ежегодно составляет приметно
33 тыс. человек. Но мы неустанно ищем новых кли-
ентов, в основном в таких сферах, как «Интернет
вещей», поскольку это направление становится
все более развитым и популярным. Все большему
количеству заказчиков и компаний требуются наши
компетенции.
— А что дальше? Какова бизнес-стратегия
Keysight на последующий период, после
2020 года?
— Как я упомянул, наша компания активно
развивает оба направления — НИОКР и продажи.
В НИОКР мы рассчитываем не на быстрый эффект,
а терпеливо взращиваем результат многолетних
усилий, работая в таких отраслях, как 5G, автомо-
бильные и аэрокосмические технологии, сетевые
технологии, ЦОДы. Мы постоянно высматриваем
«следующую технологическую волну» и стремим-
ся идти в ногу с прогрессом.
— Какой процент выручки вашей компании
идет на исследования и разработки?
— Много лет эта цифра не опускалась в нашей
компании ниже 12%. На текущем этапе мы увели-
чили данный показатель до 15%. Не в последнюю
очередь за счет покупок новых компаний, напри-
мер Ixia. Такое приобретение дало синергетиче-
ский эффект в R&D.
— А что насчет нашей страны? Расскажите
о вашем проекте локализации производства
в Иннополисе. Как локализация производства
в России влияет на бизнес компании?
— Локализация производства в России — часть
нашей стратегии. Но мы только в начале пути, за-
нимаемся сертификацией и лицензированием.
Поэтому пока слишком рано говорить о влиянии
производства в России на бизнес Keysight.
— В 2015 году компанию Keysight называли
самым успешным стартапом года. Сегодня же
впору говорить о том, что Keysight — одна
из наиболее динамично развивающихся ком-
паний в мире. Так, по итогам за второй квартал
2019 года рост прибыли по сравнению с ана-
логичным периодом 2018-го составил 47%.
За счет каких организационных мероприятий,
структурных изменений, стратегических ини-
циатив удалось добиться столь выдающегося
результата? За счет чего происходит привле-
чение новых пользователей?
— Прежде всего, наша компания трансфор-
мировалась из предприятия, которое производит
аппаратное обеспечение, в компанию, ставящую
во главу угла решение, а не продукт. Это и было на-
шей стратегической целью. Такое стратегическое
изменение повлекло за собой изменения в струк-
туре компании, поэтому нам пришлось радикаль-
но ее реорганизовать. Сменив фокус с продукта
на решение, мы изменили стиль нашего бизнеса.
Кроме того, важнейшим изменением было уско-
рение бизнеса, мы быстро меняемся, поспевая
за потребностями клиентов. Наша компания со-
трудничает с заказчиками, а не только продает им,
мы понимаем их проблемы, ставим своей целью
их успех.
Важным элементом нашей стратегии является
модель, которую мы называем "Keysight Leadership
Model” (KLM). И именно ее центром, ее главной
целью становится успех нашего клиента. Мы пол-
ностью фокусируемся на наших заказчиках. Как
только клиент обнаруживает проблемы, мы тут же
прилагаем все усилия, чтобы устранить их.
Резюмируя, отмечу, что краеугольными камня-
ми нашей стратегии являются операционная эф-
фективность предприятия, скорость выхода новых
продуктов на рынок и быстрота реакции на сооб-
щения о проблемах, фокусировка на интересах
заказчика, а также серьезные и систематические
вложения в исследования и разработки.
Марк УОЛЛЕС (Mark WALLACE),
вице-президент компании Keysight
— В 2016 году Рон Нерсесиан среди основ-
ных стратегических задач развития отметил,
что «наша цель — стать компанией № 1 в об-
ласти контрольно-измерительных решений для
беспроводной связи, причем на долгое время».
Какие направления развития телекоммуника-
ционного рынка стали локомотивами роста?
— Говоря о направлениях и трендах в телеком-
муникациях, я бы отметил такое новое явление, как
конкуренция различных стран. Например, в обла-
сти 5G за лидерство борются Китай, США, Южная
Корея, Россия, Япония. Также среди трендов — все
более быстрое появление инноваций на рынке. Я от-
метил бы и то, что в проектах внедрения 5G, на-
пример, речь идет не только о скорости, но и о на-
дежности и комфорте пользователей, технические
подробности все менее интересны заказчикам, все
большее внимание привлекают преимущества от ис-
пользования технологий и решений.
— Каждая страна имеет свои особенности
с точки зрения ведения бизнеса. Как вы под-
страиваетесь под конкретные условия?
— Да, у нас есть глобальная стратегия продаж,
которая предусматривает усиление продаж и сме-
щение фокуса от продуктов к интегрированным
решениям. Но в каждой стране есть свои особен-
ности, все страны в сущности разные: местные
технологии, местная экономика, местные заказ-
чики — мы все это учитываем. Бизнес-стратегия
Keysight в России подразумевает тесное сотруд-
ничество с высшими учебными заведениями.
Мы считаем важным поддерживать развитие науки
и ускорение инноваций для формирования высоко-
технологичной бизнес-среды.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
www.kit-e.ru
38
рынок
НОВОСТИ источники питания
Галина СМИРНОВА,
директор Keysight в России
тил он. Кроме того, Уоллес напомнил о пер-
спективах развития «подключенного мира»
(connected world), в котором будут дей-
ствовать триллионы сенсоров и датчиков,
передавая огромные объемы информации
с помощью беспроводной связи. Компания
Keysight стремится принимать активное уча-
стие в разработке и внедрении современных
технологий.
Галина СМИРНОВА, директор Keysight
в России, отметила, что первое представи-
тельство предприятия появилось 50 лет назад
еще в СССР, и с тех пор компания из нашей
страны не уходила. Сегодня в России распо-
ложено пять офисов Keysight — в Москве,
Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде,
Томске и Ростове-на-Дону, всего в нашей
стране работают более 80 сотрудников.
Смирнова подчеркнула, что Keysight серьез-
но относится к сертификации оборудования
в России: на данный момент у предприятия
есть около 200 действующих сертификатов
на продукты. В прошлом году компания так-
же запустила проект по локализации про-
изводства — в Иннополисе осуществляется
сборка осциллографов на компонентной базе
Keysight.
В завершение церемонии Владимир
Никифоров еще раз подчеркнул, что ИТМО
заинтересован в сотрудничестве с Keysight
не только на уровне покупателя и продавца,
но и на уровне партнеров, ведущих совмест-
ную работу и выполняющих общие проекты.
Марк Уоллес полностью согласился с таким
подходом, отметив, что Keysight и ИТМО
ждет world class cooperation (буквально: «со-
трудничество мирового класса»).
THL 15WI —
новый 15-Вт
DC/DC-
п реоб разо вате л ь
от Тraco Power
НОВОСТИ пассивные элементы
Замена
конденсаторов АТС
на ARC (AERO)
Конденсаторы ARC поставляются под россий-
ским брендом «Аэро» и являются заменой pin-to-
pin продукции АТС (American Technical Ceramics)
серий 100, 600, 700, 800, 900 с теми же техниче-
скими характеристиками.
Конденсаторы обладают:
•	низким эквивалентным сопротивлением;
•	высокой проходной радиочастотной мощно-
стью;
•	высокой надежностью;
•	низким уровнем собственного шума;
•	малыми допусками по точности емкости;
•	высоким рабочим напряжением.
Преимущества:
•	отсутствие минимальной партии для заказа;
•	цены до 30% ниже, чем у американских ана-
логов;
•	продукция материкового Китая, отсутствуют
санкции, нет проблем с поставкой;
•	срок поставки составляет всего 6—8 недель.
www.aerolit.org
Компания Traco Power представляет
новую серию DC/DC-преобразователей
THL 15WI, которая является последним до-
полнением компании к уже существующим
в ее портфеле коммерчески доступным
DC/DC-преобразователям номинальной
рабочей мощностью в 15 Вт.
Преобразователи новой серии поставля-
ются в герметичных экранированных метал-
лических корпусах размером 1х 1x0,4 дюй-
ма и имеют полностью интегрированный
фильтр подавления электромагнитных
помех по стандарту EN 55032 Класса А.
Высокая эффективность (КПД до 91%) по-
зволяет преобразователю работать в диа-
пазоне рабочих температур —40...+70 °C
без ухудшения его характеристик. Все мо-
дели этой серии имеют сверхширокий диа-
пазон входного напряжения 4:1 и изолиро-
ванные выходы с высокой стабилизацией
выходного напряжения.
Серия соответствует последним сертифи-
катам безопасности для ИТ-оборудования
(UL 62368-1) и, таким образом, подходит
для использования в мобильном оборудова-
нии, контрольно-измерительных приборах,
в архитектурах распределенного питания
в коммуникационном оборудовании и про-
мышленной электронике, то есть везде, где
критическими факторами являются высокая
эффективность, качество и надежность.
Основные технические характеристики:
•	15-Вт преобразователь в металлическом
корпусе форм-фактора 1x1 дюйм;
•	экономичный дизайн;
•	сверхширокий диапазон входного напря-
жения 4:1: 9—36 и 18—75 В DC;
•	диапазон рабочих температур: —40...+70 °C
без ухудшения характеристик;
•	внутренний фильтр по EN 55032 Класса А;
•	электрическая прочность изоляции между
входом и выходом 1500 В DC;
•	защита от перегрузки, перенапряжения
и короткого замыкания;
•	дистанционное включение/выключение
и функция подстройки уровня выходного
напряжения;
•	предусмотрена возможность установки
дополнительного радиатора для улучше-
ния тепловых характеристик;
•	трехлетняя гарантия.
www.tracopower.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
MEAN WELL
rower Expert
MEAN WELL
Энергетические решения для LED-освещения
•	Надежный и инновационный дизайн
•	IP67 уровень пыле и влагозащиты
•	Разнообразные варианты диммирования
•	2000+ стандартных решений «с полки»
ГОЛОВНОЙ ОФИС, ТАЙВАНЬ
MEAN WELL ENTERPRISES СО., LTD.
ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВО
MEAN WELL В РОССИИ
ff www.meanwell.com
+886-2-2299-6100
® info@meanwell.com
www.meanwell.com
+7-812-946-0097
® info@meanwellrussia.com
40
рынок
Итоги работы VIII Всероссийской
научно-технической конференции
«Электромагнитная совместимость»
23—24 мая 2019 года в Москве прошла VIII Всерос-
сийская научно-техническая конференция по теме
«Электромагнитная совместимость».
Организатором конференции традиционно выступила компа-
ния «ТЕСТПРИБОР» при поддержке АО «Концерн «Радио-
электронные технологии» (КРЭТ), АО «Российская электро-
ника» и ФГУП «ВНИИФТРИ».
В работе конференции приняли участие более 100 человек с 53 пред-
приятий России и ближнего зарубежья: руководители и ведущие спе-
циалисты Минобороны РФ, компаний — разработчиков радиоэлек-
тронной аппаратуры, авиационных и аэрокосмических предприятий,
испытательных центров, предприятий — изготовителей и разработчи-
ков испытательного и измерительного оборудования.
Приветственным словом к участникам открыл конференцию
технический директор АО «ТЕСТПРИБОР» Николай Алексеевич
ВАСИЛЕНКОВ. Он обратил внимание собравшихся на то, что ис-
пытания на ЭМС сейчас актуальны как никогда, так как помогают
предотвратить сбои и отказы в работе сложной бортовой аппарату-
ры, используемой в различных отраслях промышленности.
Первый блок работы конференции был посвящен метрологиче-
скому обеспечению испытаний на ЭМС, аттестации испытательного
оборудования и нормативно-правовой базе испытаний технических
средств на ЭМС.
Актуальные вопросы метрологического обеспечения испытаний
были представлены в докладах ведущих специалистов головной
организации по вопросам метрологического обеспечения обороны
ФГУП «ВНИИФТРИ» и специалистами АО «ТЕСТПРИБОР».
Доклады по теме анализа электромагнитной обстановки с исполь-
зованием программных средств, предоставляющих возможность
оценить функциональность крупной системы еще на этапе ее раз-
работки и провести мероприятия для устранения потенциальных
проблем, вызвали живой интерес.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
рынок
41
Большое внимание на конференции было
уделено защите радиоэлектронной аппарату-
ры от преднамеренных деструктивных элек-
тромагнитных и электрических воздействий,
а также средствам их обнаружения.
Различные способы защиты РЭА были ос-
вещены в докладах представителей ГНПО
«НПЦ НАН Беларуси по материаловеде-
нию», АО «ТЕСТПРИБОР», ООО «Элемком»
и АО «СКТБ РТ».
Об общих проблемах обеспечения ЭМС
и о необходимости возрождения системы
обеспечения ЭМС на предприятиях КРЭТ го-
ворили представители АО «Российская элек-
троника» и АО «НИИАО».
Вниманию слушателей были представле-
ны доклады специалистов ФГБОУ ВО «НИУ
«МЭИ», ФГУП «ВНИИОФИ», ФГУП «РФЯЦ-
ВНИИЭФ» и НИИ ПМЭ МАИ.
Ряд сообщений об оборудовании для
испытаний на ЭМС сделали сотрудники
предприятий-изготовителей. Помимо тео-
ретической части, участники конференции
могли ознакомиться с представленным обо-
рудованием в демонстрационной зоне.
Особенностью конференции «ЭМС» явля-
ется участие в ней представителей разных об-
ластей промышленности и науки. За восемь
лет проведения форума были рассмотрены
аспекты проектирования и испытаний обо-
рудования транспорта, ВВТ, информацион-
ных технологий, промышленности и других.
Участники конференции выразили удов-
летворение ее организацией, отметили вы-
сокий уровень представленных докладов
и необходимость ежегодного проведения по-
добных мероприятий.
Всероссийская научно-техническая конфе-
ренция «Электромагнитная совместимость»
в очередной раз подтвердила свой статус се-
рьезной площадки для создания конструк-
тивного диалога между профессионалами,
работающими в области ЭМС.
Следующая Всероссийская научно-техни-
ческая конференция «ЭМС» пройдет в Москве
в мае 2020 года.
НОВОСТИ источники питания
Компания Mean Well представляет DC/DC-пре-
образователи SPB/DPB09 на 9 Вт для монтажа
на плату. Малые размеры корпуса и сравнительно
высокая плотность мощности (до 57,7 Вт/дюйм3)
позволяют значительно сэкономить пространство
на плате. Корпус изготовлен из пластика, преду-
DC/DC-преобразователи SPB/DPB09 на 9 Вт
в корпусе SIP8 от компании Mean Well
смотрено стандартное расположение выводов
SIP8 (в один ряд).
Преобразователи SPB/DPB09 имеют входной
диапазон напряжения 2:1, напряжение пробоя изо-
ляции вход/выход 1500 В DC, функцию удаленного
включения/отключения. Рабочий диапазон тем-
пературы составляет —40...+90 °C. Внутри корпус
полностью залит силиконом, благодаря чему сни-
жена степень негативного воздействия пыли и вла-
ги при эксплуатации в жестких условиях. DC/DC-
преобразователи напряжения SPB/DPB09 могут
применяться в таких областях, как оборудование
промышленного управления, телекоммуникация,
системы распределенного питания.
Технические характеристики:
•	Диапазон входного напряжения: 2:1.
•	Напряжение пробоя изоляции вход/выход:
1500 В DC.
•	Расположение выводов: SIP8.
•	Рабочий диапазон температур: —40...+90 °C.
•	КПД: до 89%.
•	Охлаждение: воздушная конвекция.
•	Габариты (ДхШхВ): 24x9,6x11,2 мм.
•	Защита от:
—	короткого замыкания;
—	перегрузки;
—	снижения входного напряжения.
•	Функция удаленного включения/отключения.
•	Соответствие международным стандартам:
СЕ/ЕАС.
www.eltech.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
www.kit-e.ru
42
МР75 одноканальные стабилизирующие ИВЭП с приемкой «ОТК»
разработаны и выполнены в соответствии с военными стандартами РФ
Выходная мощность 75 Вт
Рабочие температуры -60...+85 °C
Высокий КПД — 92%
Расширенный диапазон входного напряжения
Подтвержденная наработка (MTBF) — 2 млн часов
Низкие пульсации выходного напряжения — 50 мВ
Режим Green mode — энергопотребление 5 мА в режиме холостого хода
Импортная элементная база
Низкая цена по сравнению с аналогами
на российской комплектации
ООО «ММП-ИРБИС»
111024, г. Москва,
Андроновское шоссе, д. 26, стр. 2
1«6/
ММП-ИРБИС
+7 (495) 987 10 16
main@mmp-irbis.ru
www.mmp-irbis.ru
Реклама	Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
Генераторы
на СВЧ- и КВЧ-диодах.
Часть 1. Состояние производства.
Принципы построения
Владимир ГЕВОРКЯН,
к. т. н.
GevorkianVM@mpei.ru
Виктор КОЧЕМАСОВ,
к. т. н.
Первая часть статьи знакомит читателей с историей создания диодных
генераторов, принципами построения генераторов на диодах Ганна и ла-
винно-пролетных диодах и с особенностями генераторов на основе этих
активных элементов. Рассмотрены уровни характеристик генераторов
на диодах Ганна и ЛПД различных конструктивных решений, а также пер-
спективы развития диодных генераторов в область крайне высоких частот.
Во второй части будет дан системный анализ предложений от ведущих от-
ечественных и зарубежных производителей диодных генераторов, оценка
и сравнение характеристик устройств различных фирм.
Введение
Генераторы на СВЧ- и КВЧ-диодах функ-
ционируют на эффекте отрицательного
дифференциального сопротивления актив-
ного двухполюсника на рабочей частоте.
Известны три основных типа генераторных
диодов. Первыми [1] в 1956 году за рубежом
появились туннельные диоды (на основе
вырожденного полупроводника, в котором
при приложении напряжения в прямом на-
правлении на вольт-амперной характери-
стике (ВАХ) возникает участок с отрицатель-
ным дифференциальным сопротивлением
за счет туннельного эффекта в тонком слое
р-и-перехода). В 1959 году в СССР (НПО
«Исток», А. С. Тагер) наблюдалось явле-
ние, предсказанное в 1958-м У. Т. Ридом
(W.T. Read), а через год в лаборатории
СВЧ-диодов НИИ «Пульсар» под руковод-
ством В. М. Вальд-Перлова был разработан
лавинно-пролетный диод (ЛПД), принцип
действия которого связан с соизмеримостью
времени «пролета» носителей заряда через
рабочий продольный промежуток полупро-
водника и периода приложенного к этому
полупроводнику переменного напряжения.
Диоды на эффекте Ганна, обусловленном
статической отрицательной проводимостью
полупроводника со сложным (многодолин-
ным) строением зоны проводимости, созда-
ны в 1963 году в США (Дж. Ганн).
В настоящее время диоды Ганна и лавин-
но-пролетные диоды применяются в каче-
стве источников электромагнитных коле-
баний. Ввиду малой мощности сигналов
туннельные диоды практически не использу-
ются для генерации.
Во второй половине прошлого века гене-
раторы на диодах Ганна (ГДГ) наряду гене-
раторами на ЛПД (за рубежом называемы-
ми IMPATT-диодами) разрабатывались для
замещения маломощных генераторов [2]
на отражательных клистронах и их низко-
вольтных модификациях (например, генера-
торах тормозящего поля с напряжением пи-
тания ~50 В). В сравнении с клистронными,
преимущество генераторов на ЛПД (ГЛПД)
заключается в отсутствии цепи накала и луч-
ших энергетических характеристиках, а до-
стоинства генераторов на диодах Ганна — еще
и низкие питающие напряжения менее 10 В.
Более широкое распространение получили
ГДГ как устройства с лучшими шумовыми
(спектральными) характеристиками, хотя ре-
альные КПД таких генераторов составляли
от нескольких долей до нескольких единиц
процента (теоретически до 15%). В диапа-
зоне частот до 40 ГГц их преимущество пе-
ред ГЛПД в уровне фазовых шумов состав-
ляет до 30 дБ/Гц при одинаковых отстройках
от несущей частоты. Достоинства автогенера-
торов на ЛПД заключаются в более высоких
(на порядок) уровнях выходной мощности
и КПД до десятков процентов.
Отличия физических эффектов, на кото-
рых функционируют диоды, определяют
варианты конструктивных решений генера-
торов на их основе. Кратко перечислим эти
особенности.
В зависимости от параметров кристалла,
свойств нагрузки, температуры и питающего
напряжения генератор на диоде Ганна может
работать в одном из нескольких существенно
отличающихся режимов, общим для кото-
рых является формирование импульсов тока
во внешней цепи. Импульс тока формирует-
ся в процессе перемещения в кристалле дио-
да «сгустка» напряженности электрического
поля или носителей заряда — домена. В за-
висимости от особенностей (вида) доменов
теоретически различают доменные режимы
(пролетный, с задержкой и с гашением до-
мена), гибридные режимы, режим с огра-
ничением накопления объемного заряда.
В практике применения диодов Ганна строго
выделить режим работы диода в устройстве
сложно. Очевидно лишь, что пролетный ре-
жим не управляется внешней цепью (КПД
~5%), а остальные доменные режимы кон-
тролируются внешним резонансным конту-
ром, причем частота колебаний может быть
как больше, так и меньше пролетной. В этих
режимах генерируемый сигнал поддается
перестройке внешним контуром и может ле-
жать в пределах от 0,6^р до 1,5-2Др, то есть
на частотах 1-5 ГГц. При этом импуль-
сы тока сильно отличны от гармонического
вида, что уменьшает мощность 1-й гармони-
ки колебаний, и КПД оказывается приблизи-
тельно в 2,5 раза меньше, чем в режиме с за-
держкой домена.
Качественно иной режим ограниченного
накопления объемного заряда (ОНОЗ) ос-
нован на инерционности процесса форми-
рования домена в сравнении со скоростью
изменения переменного напряжения. Для
этого требуются специальные диоды со стро-
го однородным профилем легирования, за-
медляющим формирование домена. Тогда
поле внутри диода равномерно распределит-
ся вдоль длины активной части кристалла.
Динамическая ВАХ диода совпадает с зави-
симостью скорости дрейфа от напряженно-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
44	компоненты
ВЧ /СВЧ-элементы
сти поля. В ОНОЗ-режиме диод Ганна нагру-
жается на параллельный контур, у которого
RH » ^д- Частота генерации в таком режиме
полностью определяется настройкой колеба-
тельной системы и никак не зависит от про-
летной частоты диода.
ОНОЗ-режим применяют для созда-
ния импульсных ГДГ, которые обладают
на -3 порядка большей мощностью, чем
другие твердотельные источники СВЧ-коле-
баний. Максимальный КПД в этом режи-
ме приближается к 15-17% и достигается
при RH « (20-30) х|Дд|.
Практически ГДГ работают в гибридных
режимах, промежуточных между ОНОЗ и до-
менными. В этих режимах в кристалле может
одновременно существовать несколько до-
менов, время формирования которых доста-
точно велико по сравнению с периодом коле-
баний. Домены влияют на ток диода только
на части падающего участка ВАХ. В гибрид-
ных режимах КПД может быть около 15%.
Известны и иные режимы в диодах Ганна,
например статического домена сильного
поля, но в ГДГ они не применяются.
В отличие от диодов Ганна ЛПД форми-
руют СВЧ-колебания на основе эффекта
динамического отрицательного дифферен-
циального сопротивления, возникающего
в результате ударной ионизации атомов по-
лупроводника при лавинном пробое. Лавина
(сгустки электронов) формируется под дей-
ствием переменного напряжения в узком
слое перехода (слое умножения). Если часто-
та переменного напряжения такова, что ла-
вина возникает в период ускоряющей фазы
напряжения, то в последующий полупериод
изменения напряжения (замедляющее элек-
трическое поле) электроны будут отдавать
свою энергию переменному полю.
Впервые генерация наблюдалась на герма-
ниевых обратно смещенных диодах с одним
р-77-переходом, имеющих резкий излом ВАХ.
К настоящему времени созданы кремни-
евые, арсенид-галлиевые и фосфид-индие-
вые лавинно-пролетные диоды в виде ряда
структур (например, диод Тагера с резким
р-и-переходом, диод Рида с переходом типа
p+-n-i-n+, диод Мисавы со слоем однородного
умножения — p-z-и-переход и пр.), отлича-
ющихся ВАХ, условиями лавинного пробоя
и динамическими свойствами, которые за-
висят от геометрии, уровня легирования, ма-
териала диода и т. д.
В ЛПД стандартным считается так назы-
ваемый пролетный, или IMPATT (IMPact
ionization Avalanche Transit-Time diode), ре-
жим. Он отражает основные физические яв-
ления, протекающие в ЛПД при не слишком
высоких амплитудах СВЧ-полей (резонато-
ры средней добротности). Обычно макси-
мальный КПД прибора, примерно равный
25%, достигается на частоте, удовлетворяю-
щей соотношению сот~л, где т — время про-
лета электронной лавины, со — пролетная
частота. В этом режиме носители заряда ге-
нерируются в слое лавинного умножения.
Дырки уходят в p-область, а электроны в про-
летном промежутке участвуют в энерго-
обмене с полем. Процесс соответству-
ет диодам Рида и Тагера. В диоде Мисавы
IMPATT-режим сложнее, чем в диодах Рида
и Тагера, но качественно похож.
Второй тип колебательного режима
ЛПД — TRAPATT-режим (TRApped, Plasma
Avalanche Triggered Transit), или аномальный
режим, рабочая частота в котором намного
ниже пролетной. TRAPATT-режим отлича-
ется относительно высоким значением КПД
и возникает в условиях значительных напря-
жений СВЧ на диоде, размещенном в высоко-
добротной резонансной системе.
Недостатком ЛПД является на порядок бо-
лее высокий уровень амплитудных и фазовых
шумов в сравнении с ГДГ, что демонстрируют
зависимости (рис. 1), приведенные в работе
В.М. Вальд-Перлова, В. В. Вейца, О. А. Рябкова
и Л. С. Сибирцева «Лавинно-пролетные ди-
оды на арсениде галлия серии АА-707» (про-
изводство НИИ «Пульсар»), опубликованной
в 1981 году. Отметим, что этот недостаток
ЛПД «компенсируется» их преимуществом
в сравнении с диодами Ганна в уровнях вы-
ходной мощности на один диод и КПД гене-
ратора в режиме непрерывной генерации.
По частоте лавинно-пролетные диоды спо-
собны перекрыть весь диапазон СВЧ и КВЧ
(0,5-500 ГГц) и характеризуются коэффи-
циентом полезного действия до 20-30%
в сантиметровом и 60-70% в дециметровом
диапазонах. ЛПД способны генерировать
электромагнитные колебания мощностью
до 12 Вт от одного прибора в сантиметро-
вом диапазоне и порядка 0,1-1 Вт в милли-
метровом. В аномальном режиме импульс-
ная мощность ЛПД достигает сотен ватт.
По уровням генерируемой мощности ЛПД
способны заменить лампы обратной волны
и клистроны малой и средней мощности.
Исторически появление СВЧ генератор-
ных диодов предшествовало появлению
СВЧ-транзисторов. С развитием технологии
создания транзисторных структур и появле-
нием биполярных СВЧ-транзисторов (ВТ)
интерес к диодным генераторам малой мощ-
ности уменьшился ввиду того, что АГ на би-
полярных транзисторах обладают на поря-
Таблица 1. Зависимости параметров ГТр от типа транзистора [3]
Тип транзистора	Технология	Частота, ГГ ц	Рвых> М^Т	кпд, %	Фазовые шумы, Гц/дБн*
GaAs MESFET Затвор 0,25x120 мкм	монолитная	23	16	7	-100
Si/SiGe НВТ Эмиттер 1x20 мкм	гибридная	23,2	7	11,4	-92
Galn/GaAs НВТ Эмиттер 1,5x20 мкм	гибридная	21	3	13	-102
InGaAs/GaAs НЕМТ Затвор 0,25x120 мкм	монолитная	35,5	12	7	-97
InGaAs/GaAs НЕМТ Затвор 0,25x120 мкм	монолитная	62,1	1,7	2	-78
InGaAs/GaAs НЕМТ Затвор 0,25x120 мкм	гибридная	81,9	1	1,5	-67
Примечание. *Спектральная плотность фазовых шумов, дБ/Гц при отстройке на 100 кГц от несущей
Рис. 1. Спектральная плотность AM- и ЧМ-шума
в полосе 1 Гц ЛПД на арсениде галлия серии АА-707,
выполненных по меза-эпитаксиальной технологии
на трехслойных л-л+-л++-структурах
для диапазона частот 8—17 ГГц. Шумы измерены
при добротности колебательной системы ~50
док лучшими шумовыми характеристиками
в сравнении с АГ на диоде Ганна при соиз-
меримых мощностях. Этот процесс соответ-
ствовал освоению сантиметрового диапа-
зона длин волн. Однако в коротковолновой
части сантиметрового диапазона длин волн
(начиная примерно с 10 ГГц) возможность
применения биполярных транзисторов
в качестве основы автогенератора исчезла
ввиду физического предела создания таких
структур. Появление полевых транзисторов,
спектральные свойства которых аналогич-
ны шумовым характеристикам диода Ганна,
продолжило процесс вытеснения ГДГ тран-
зисторными автогенераторами (ГТр).
ГТр на полевых транзисторах имеют вы-
раженные преимущества в сравнении с ГДГ
в КПД при практически одинаковых спек-
тральных характеристиках в частотном диапа-
зоне примерно до 20-30 ГГц. С ростом часто-
ты собственные шумы транзисторных струк-
тур растут (табл. 1), и этот рост превосходит
рост шумовых характеристик диодов Ганна
вследствие уменьшения числа р-и-переходов
или переходов на барьере Шоттки и, соответ-
ственно, уменьшения источников дробового
шума [4]. В миллиметровом диапазоне дио-
ды Ганна становятся конкурентны полевым
транзисторам не только по спектральным ха-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
45
Рис. 2. Схематичный частотный план применения АГ
на туннельных диодах (ТД); диодах Ганна (ДГ); ЛПД;
биполярных (БТ) и полевых (ПТ) транзисторах.
«И» — импульсный режим
рактеристикам, но и по уровням выходной
мощности. В этом диапазоне частот по спек-
тральным характеристикам ГДГ обладают на
несколько порядков лучшими шумовыми
характеристиками в сравнении с АГ на ЛПД..
Итак, с освоением миллиметрового диапа-
зона длин волн альтернативе ГДГ в области
малошумящих АГ малой и средней мощно-
сти практически нет. «Конкурентная борьба»
здесь продолжается между АГ на БТ с приме-
нением умножителей частоты и ГДГ.
Современная картина, иллюстрирующая
частотный план применения активных эле-
ментов в качестве АГ, приведена на рис. 2.
Из приведенных оценок следует, что гене-
раторы на ДГ уступают генераторам на ЛПД
по КПД, максимальной рабочей частоте
и по уровню отдаваемой мощности в непре-
рывном режиме. Тем не менее преимуще-
ствами ГДГ являются: высокая (в сравнении
с вакуумными приборами) надежность (срок
службы до 105 ч), широкий диапазон ча-
стотной перестройки, высокая стабильность
и малый уровень амплитудных и фазовых
шумов. Это определяет нишу применения
в миллиметровом диапазоне, в котором ис-
пользование транзисторов ограничено.
Основными областями применения гене-
раторов на ДГ являются: источники малой
и средней мощности и гетеродины в связных
системах и в измерительной аппаратуре, свип-
генераторы на гиромагнитных резонаторах для
панорамных анализаторов цепей, генераторы
для портативных импульсных радаров и гене-
раторы с линейной частотной модуляцией для
радаров квазинепрерывного действия.
Современное
состояние производства
генераторных диодов
В настоящее время в России производ-
ство генераторных диодов сосредоточено
практически на двух предприятиях. Это
АО «НПП «Исток» им. Шокина», г. Фрязино,
Московская область [5], и научно-исследова-
тельский институт полупроводниковых при-
боров (АО «НИИПП»), г. Томск [6]. Причем
НПП «Исток» специализируется на производ-
стве генераторных устройств и не рекламирует
поставки СВЧ-диодов. АО «НИИПП» предла-
гает диоды Ганна с широкой номенклатурой
по мощности, частоте и полосе генерации, ха-
рактеризуемые низким уровнем амплитудных
и фазовых шумов, разнообразным конструк-
тивным исполнением (как корпусных прибо-
ров, так и бескорпусных изделий для поверх-
ностного монтажа), высокой надежностью,
обеспеченной 100%-ными технологическими
испытаниями, а также возможностью изготов-
ления по специальным требованиям потреби-
теля. Здесь рекламируются диоды Ганна сан-
тиметрового диапазона (4-30 ГГц) как малой
и средней (<100 мВт), так и большой мощно-
сти (>100 мВт), а также диоды Ганна миллиме-
трового диапазона (30-150 ГГц), причем малой
и средней мощности (<100 мВт) на частотах
30-150 ГГц и большой мощности (>100 мВт)
до 30 ГГц. В каталоге предприятия представ-
лено 225 различных узкополосных (с полосой
частот в единицы процентов) и широкополос-
ных (с полосой до 25%) СВЧ генераторных ди-
одов Ганна, предназначенных для работы в ка-
честве активного элемента в радиоэлектрон-
ной аппаратуре (РЭА) для создания АГ малой
и средней мощности, используемых в качестве
передатчиков и гетеродинов.
Зарубежные производители предлагают
широкий спектр генераторных СВЧ-диодов
различного конструктивного исполнения.
Например, фирма Microsemi RFIS Integrated
Solusion [7] наряду с элементами различного
функционального назначения предлагает ди-
оды Ганна серии MG1001-MG1060 непрерыв-
ной мощности от 10 мВт в V (60,5-85 ГГц)
и W (85-95 ГГц) частотных диапазонах
и до 500 мВт в С-диапазоне (5,4-6,9 ГГц);
X (8-12,4 ГГц) и Ku (12,4-18 ГГц) диапазо-
нах, а также до 10 Вт импульсной мощности
в Х-диапазоне. Эти диоды с отводом тепло-
вой мощности от катода рекламируются
производителем как элементы с высокими
характеристиками, малым уровнем фазовых
шумов и низким уровнем фликкер-шума
(пропорционален 1//). Серию MG1041-
MG1058 представляют диоды Ганна с отво-
дом рассеиваемой мощности от анода, ре-
кламируемые как элементы со сверхнизким
уровнем фазовых шумов и фликкер-шума.
Устройства выпускаются для дискретных
частот X- и К-диапазонов при уровнях вы-
ходной мощности до 30 мВт (Х-диапазон).
Тип применяемого АШ BV полупроводника
диодов, вероятно, GaAs. Рекомендуемая про-
изводителем область применения диодов —
приемопередатчики, радары, радиометры,
доплеровские системы и пр.
Фирма Linwave Electronic Manufacturing
Services [8] рекламирует диоды Ганна для
частот до 94 ГГц, повторяющие параме-
тры, предлагаемые фирмой Microsemi RFIS
Integrated Solusion. Конструктивное ис-
полнение рекламируемых диодов показано
на рис. 3. Размеры керамической области (из-
лучательного пространства), соответствую-
щий керамическому цилиндру (белого цвета),
уменьшаются с ростом частоты. В 3-см диа-
пазоне длин волн (Х-диапазон) продольный
размер керамической вставки меньше 3 мм.
Фирма Microwave Technology Centre
Teledyne-e2v [9] предлагает корпусные и бес-
корпусные диоды Ганна (рис. 4) в диапазоне
частот до 125 ГГц, на основе которых она
производит генераторы различного функци-
онального назначения. Рекламируются дио-
ды как с катодным, так и с анодным принци-
пом теплоотвода.
Компания Microwave Device Technology [10]
предлагает корпусные и бескорпусные эпитак-
сиальные арсенид-галлиевые диоды Ганна ком-
мерческого и военного назначения для диапа-
зона частот 5-110 ГГц. В таблице 2 приведены
характеристики диодов Ганна с теплоотводом
от анода в непрерывном режиме. Диоды Ганна
для работы в импульсном режиме практически
не рекламируются.
Основное направление современного про-
цесса развития структур диодов Ганна — по-
вышение частотного диапазона на основе
варизонных структур, например AllnN в ва-
риантах И+-77-И+; п+-п-п-п+\ п+-п-п+\ п-п+ [11].
Структуры обеспечивают генераторные дио-
ды с предельными частотами 0,9-1,3 ТГц.
Кроме того, стимулируются исследования
возможности повышения уровней выход-
ной мощности и КПД диодов при сохране-
нии высоких и расширении диапазонных
характеристик [12,13]. Так, исследование
длин активной области и свойств материа-
лов варизонных структур позволило достичь
увеличения частотных полос отрицательных
Рис. 3. Корпусные герметичные диоды Ганна для различных частот
Рис. 4. Варианты корпусных герметичных диодов Ганна для различных частот
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
46
компоненты вч/свч -элементы
Таблица 2. Характеристики диодов Ганна для работы в непрерывном режиме,
фирма Microwave Device Technology [10]
Диапазон частот (*Е1А)	с	X	Ku	К	Ка	и	V	W
Диапазон частот, ГГц	5,4-6,9	9-11	13-16	18-26,5	26,5-40	40-60	50,5-85	75-110
Выходная мощность, мВт	50-500	50-500	50-500	50-400	50-250	50-150	10-50	10-50
Диапазон рабочих напряжений, В	12	10	8	6	4,5-5,5	4	4,5-5,5	4,5-5,5
Примечание. *Electronic Industries Alliance (EIA) Standards.
сопротивлений c 27%, свойственных однородным полупроводникам,
до 97% (60-172 ГГц) в диапазоне питающих напряжений 52-80 В.
На рис. 5 приведен пример исследования зависимости КПД п+-п-п+
GaN-диода при разном напряжении смещения.
Итак, современное направление развития ГДГ связано с освоением
высокочастотной части (выше 100 ГГц) миллиметрового диапазона
длин волн и, соответственно, разработкой и внедрением в устройства
более высокочастотных диодов Ганна на основе новых материалов
группы AinBv: InP, GaN, SiC и др.
Выпускаемые в настоящее время диоды Ганна позволяют произ-
водить автогенераторы (АГ) с непрерывной выходной мощностью
от единиц ватт (в сантиметровом диапазоне длин волн) до единиц
милливатт в миллиметровом диапазоне. Относительная стабильность
частоты таких АГ легко обеспечивается на уровне 10-4... 10“5 при уровне
амплитудных шумов, свойственном для коммерческой продукции
(на уровне -140.. .-150 дБ/Гц), и фазовых шумов -100.. .-ПО дБ/Гц при
отстройках от несущей на 10-100 кГц.
Область применения современных ГДГ — гетеродины приемопе-
редающих модулей в верхней области СВЧ- и КВЧ-каналов передачи
данных в радиорелейных линиях, а также традиционные автодинные
и (реже) гомодинные модули систем ближней радиолокации.
Фирм, производящих ЛПД, существенно меньше, чем фирм, вы-
пускающих диоды Ганна, причем изготовителей только ЛПД практи-
чески нет. Конструктивно ЛПД внешне повторяет диоды Ганна.
Здесь можно заметить, например, что производитель АО «НИИПП»,
выпуская ЛПД индексов АА-742 А,Б (бескорпусной); АД-530 А,Б (кор-
пусной), предназначает их для формирования импульсных токов на-
носекундной длительности для работы в качестве быстродействующе-
го электронного ключа малой мощности, а диод ЗА-801А-6 (бескор-
пусной) — для управления внешним оптическим излучением.
В советское время ведущим производителем ЛПД было московское
предприятие НПО «Пульсар», однако в последние годы рекламные
предложения такой продукции предприятия отсутствуют. Сегодня
тоже не рекламирует ЛПД другое ведущее предприятие твердотель-
ных СВЧ-приборов — АО «НПП «Исток» им. Шокина».
Фирма QwinStar Technology, Inc (QwinStar Impatt diode — QID),
США [14], предлагает линейку мощных ЛПД (IMPATT diodes)
для работы в непрерывном (табл. 3) и импульсном (диапазон частот
75-110 ГГц; пиковая мощность 20 Вт при длительности импульса
100 нс) режимах. Габариты диодов с теплоотводом ~3х4 мм, внешне
(конструктивно) повторяет диод Ганна на рис. 4 слева.
Фирма Microwave Device Technology [10] предлагает несколько ЛПД
для создания, по мнению производителя, высокоэффективных ав-
тогенераторов непрерывной и импульсной мощности, предназна-
ченных для применения в авиационных системах, системах радио-
электронной борьбы и антенных решетках (smart antennas). Для ге-
нерации непрерывной мощности рекламируется ЛПД марки MI5022,
который в диапазоне частот 9,5-10,2 ГГц при напряжении питания
50 В обеспечивает выходную мощность 3,5 Вт с КПД 20%. Для работы
в импульсном режиме предлагаются ЛПД, приведенные в таблице 4.
Фирма Terahertz Imaging Systems (Terasense Group, Inc.), имеющая
представительства в России, г. Черноголовка, Московская область, и в де-
сятке стран Европы, Азии и Америки, рекламирует источники КВЧ-
Частота, ГГц
Рис. 5. КПД п+-п-п+ GaN-диода при разном напряжении смещения
колебаний на силиконовых ЛПД-диодах с пролетной длиной 0,6 нм, си-
стематизированные в таблице 5. ЛПД предназначены для комплектации
конических и прямоугольных рупорных антенн источников, выпуска-
емых фирмой, включающих (опционно) вентили и ТТЛ-модуляторы.
Завершая раздел, заметим, что диоды Ганна и ЛПД имеют каче-
ственные различия не только в характеристиках, но и в режимах
питания. Диоды Ганна запитываются источником напряжения.
Величины напряжений питания убывают с ростом частоты (умень-
шением промежутков дрейфа домена) от -10-15 В на частотах еди-
ниц ГГц до единиц вольт в КВЧ-диапазоне в режиме непрерывной
мощности. Рабочие токи диодов Ганна составляют единицы ампер.
Напряжение на диод подается скачком.
ЛПД требуют питания от источника тока, то есть источника с боль-
шим, например 1000 Ом, внутренним сопротивлением. Кроме того,
источник питания должен обеспечивать возможность превышения
тока в режиме запуска над силой тока в рабочем режиме, в некоторых
случаях до 1,5 раза. Рабочие напряжения ЛПД составляют до полу-
тора сотен вольт в непрерывном режиме генерации. В этом ЛПД
подобны низковольтным клистронам, но в отличие от клистронов
не требуют накальных цепей, что на порядки повышает их функцио-
нальный временной ресурс.
Таблица 3. Характеристики ЛПД (IMPATT diodes)
для работы в непрерывном режиме фирмы QwinStar Technology, Inc (QID) [14]
Диапазон частот (EIA)	Ка	Q	V	W	D
Диапазон частот, ГГц	26,5-40	33-50	50-75	75-110	110-170
Выходная мощность, мВт	1000	800	800	400	20
Диапазон рабочих напряжений, В	35-50	30-42	24-34	16-22	7-12
Таблица 4. Характеристики ЛПД (IMPATT diodes)
для работы в импульсном режиме фирмы Microwave Device Technology [10]
Модель	Диапазон частот, ГГ ц	Импульсная выходная мощность, Вт	Длительность импульса, мкс	Рабочее напряжение, В	Рабочий ток, А	кпд
MI5001	5,1-5,4	10	0,5-10	95	1,2	13
MI5003	9,1-9,6	15	0,5-10	65	1,8	15
MI5004	9,1-9,6	12	1-2	58	1,2	18
Таблица 5. Характеристики ЛПД (IMPATT diodes) фирмы Terahertz Imaging Systems [15]
Частота, ГГ ц	Выходная мощность, мВт
100	80/180/400
140	30/90
200	50
280	25/50
290	10
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
Рис. 7. Схематичный вид коаксиальной конструкции диодного СВЧ-генератора.
Пример генератора на диоде Ганна (ГДГ), Хг — длина генерируемой волны
Рис. 6. Эквивалентная схема генератора на СВЧ-диоде
Рис. 8. Схематичный вид волноводной конструкции СВЧ диодного генератора.
Пример генератора на диоде Ганна
ФНЧ цепи
питания Короткозамыкатель
Ввод питания
Поглотитель
Волновод вывода
мощности
Контакт с выводом уц-щ
ЛПД
Рис. 9. Схематичный вид волноводной конструкции СВЧ-генератора
при ортогональном положении ЛПД в центре широкой стенки
Область применения ЛПД — генераторные и усилительные устрой-
ства средней мощности коммерческих и оборонных систем.
Принципы построения генераторов на диодах
Генераторные СВЧ-диоды (и диоды Ганна, и ЛПД) в эквивалент-
ном схемном представлении — активные двухполюсники с участком
отрицательного сопротивления вольт-амперной характеристики или
с падающим участком ВАХ, то есть ВАХ с N- или S-образными участ-
ками, определяющими отрицательное дифференциальное активное
сопротивление.
Расчетные соотношения высокочастотных колебаний в электродина-
мических структурах с СВЧ-диодами, как правило, базируются на ква-
зисосредоточенных эквивалентных схемах описания процессов в диоде.
Эквивалентные схемы содержат реактивные элементы, связанные с вре-
менным запаздыванием процессов распространения импульсов в по-
лупроводниковом теле диода, а также конструктивными элементами
крепления полупроводника, СВЧ-цепей съема сигнала, цепей питания
и т.п. За период с 60-х годов прошлого века предложено большое чис-
ло вариантов таких расчетных схем, качественно не различающихся.
Пример такого представления (рис. 6) описан в [4]. Колебательная си-
стема и нагрузка в эквивалентной схеме представляют приведенные к за-
жимам диода эквивалентные сопротивления цепи.
Конструктивное исполнение диодного генератора в общем случае
представляет колебательную систему (резонатор), возбуждаемую
проводником, последовательно соединенным с диодом (рис. 7, 8),
то есть антенной-возбудителем (элементом связи). При этом каче-
ственно исполнение генератора не зависит от типа диода. Различие
связано лишь с необходимым положением точки «включения» ак-
тивного элемента в резонатор. Это определяет требуемое для воз-
Ввод питания
Диэлектрическая
гайка
1
Волноводный тракт
Диафрагма
Пружина
контакта
ФНЧ цепи
питания
Коаксиальный
трансформатор
ЛПД
Гайка теплоотвода
Рис. 10. Схематичный вид волноводной конструкции СВЧ-генератора на ЛПД (ГЛПД). Техническое решение Куракавы
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
48
компоненты вч/свч -элементы
Рис. 11. Схематичное изображение генератора на диоде Ганна с варакторной
перестройкой частоты генерации при последовательной схеме включения диодов
Рис. 12. Схематичное изображение генератора на диоде Ганна с варакторной
перестройкой частоты генерации при параллельной схеме включения диодов
Рис. 13. Схематичный вид волноводного диодного
генератора с варакторной перестройкой частоты
и колебательной системой
на открытом диэлектрическом резонаторе (ДР)
Рис. 14. Фотография ГДГ 3-см диапазона длин волн
с размерами 42x42x9 мм на основе диода Ганна АА-703
в волноводном фланце 23x10 мм [17]:
диод Ганна (1) в поперечном держателе (2),
связанном электромагнитным полем
с открытым диэлектрическим резонатором (3)
буждения колебаний сопротивление внеш-
ней цепи, приведенное к зажимам активного
элемента.
Более детальное представление конструк-
тивного исполнения СВЧ диодного авто-
генератора иллюстрируют устройства на ЛПД,
приведенные на рис. 9, 10. Здесь показаны
варианты реализации фильтров питания
и конструктивное исполнение теплоотводов.
На рис. 10 представлен вариант возбуждения
волноводного резонатора антенным шты-
рем, смещенным к боковой стенке, что обе-
спечено применением согласующего коакси-
ального трансформатора. Такое включение
генераторного диода позволяет реализовать
включение в резонатор нескольких диодов,
то есть создать сумматор мощности.
При изменении резонансной частоты ко-
лебательной системы — например, при ме-
ханическом изменении размеров резонатора
или за счет включения в него неоднородно-
стей, а также при изменении реактивностей,
подключенных к резонатору (связанных
с ним), в частности управляемых емкостей,
как видно на рис. 11, 12 [16], меняется и ча-
стота генерируемых колебаний.
На рис. 13, 14 показаны ГДГ с колебатель-
ной системой, образованной открытым ди-
электрическим резонатором (ДР).
Устройства аналогичного функциональ-
ного назначения представляют микро-
полосковые варианты построения СВЧ-
генераторов, отличающиеся лишь тем, что
в качестве элемента связи выступает участок
основного проводника микрополосковой ли-
нии (МПЛ). Микрополосковые автогенера-
торы СВЧ имеют некоторые преимущества
в размерах, но добротность колебательной
системы на основе МПЛ более чем на поря-
док меньше добротностей волноводных ре-
зонаторов. Это определяет ухудшение спек-
тральных характеристик микрополосковых
СВЧ-генераторов. Решение проблемы было
найдено в 1960-е годы с применением в каче-
стве основы колебательной системы АГ-ДР
[18] (рис. 15). Такая колебательная система
эффективна за счет на порядок большей соб-
ственной добротности (несколько тысяч),
чем добротность системы на основе микро-
полоскового резонатора.
Помимо твердотельных резонансных
структур на основе ДР, СВЧ-генераторы соз-
дают с применением перестраиваемых маг-
нитным полем ферритовых резонаторов.
Чаще всего эти резонаторы образуют моно-
кристаллические шары из железо-иттриево-
го граната (ЖИГ), помещенные в воздуш-
ный зазор магнитопровода электромагнита
[19]. Схематично конструктивное исполне-
ние автогенератора с ЖИГ иллюстрирует
рис. 16, а на рис. 17 представлен внешний вид
генератора с ЖИГ-перестройкой частоты.
Генераторы обеспечивают перестройку ча-
Рис. 15. Схематичное изображение топологий
микрополосковых диодных (1)
автогенераторов с ДР (2):
а) ДР в линии (3) вывода мощности; б) диодный
генератор с реактивно отражающим резонатором (4)
стоты в широком диапазоне (больше октавы)
и применяются в основном до сантиметрово-
го диапазона длин волн. ЖИГ-генераторы
используют при создании измерительных
устройств, например свип-генераторов ана-
лизаторов цепей, где не требуется быстрого
сканирования. Достоинства таких генерато-
ров по перестройке частоты сопровождаются
увеличением размеров, определяемых маг-
нитной системой, что иллюстрирует рис. 17.
Объем электромагнита на порядок превыша-
ет размеры генератора с механической или
электрической (варакторной) перестройкой
Рис. 16. Схематичное изображение ЖИГ
генератора Ганна
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
49
Рис. 17. ЖИГ-генератор Ганна 3-см диапазона
длин волн (перестройка 8—12 ГГц). Электромагнит
50x50x60 мм, диод 03 мм и длиной 5 мм
частоты. С ростом частоты генерации напря-
женность магнитного поля, необходимая для
работы ЖИГ-резонатора, линейно возрас-
тает, что пропорционально увеличивает раз-
мер электромагнита. В миллиметровом диа-
пазоне длин волн соотношение электронной
части генератора уже на два порядка меньше
размеров электромагнита генератора.
С ростом частоты технические решения
СВЧ-генераторов трансформируются в на-
правлении применения волноводных труб.
Это объясняется снижением (ввиду дис-
персии свойств диэлектриков) добротно-
сти МПЛ и ДР, что ухудшает спектральные
характеристики генераторов. Кроме того,
уменьшение выходной мощности диодов
на более высоких частотах (определяемое
физическими явлениями в полупроводни-
ковых средах диодов) указывает на важность
формирования систем суммирования мощ-
ности на диодах. Особенно актуальна эта за-
Рис. 19. Схематичное изображение сумматора мощностей генераторных диодов (1)
в открытом резонаторе с зеркалами (3) и (5), с возбудителями резонатора (2) и выходного волновода (4)
Рис. 18. Схематичное изображение сумматора
мощностей волноводных генераторов (1),
связанных с открытым резонатором (2)
через антенные возбудители (3)
дача при создании генераторов крайне высо-
ких частот (КВЧ-генераторов).
Известны три варианта построения сумма-
торов мощности диодных генераторов (ГД,
чтобы не путать с диодом Ганна — ДГ):
•	с помощью многополюсных схем-сумма-
торов;
•	со сложением сигналов в общем резонаторе;
• со сложением сигналов в пространстве с по-
мощью фазированной антенной решетки.
Чаще всего суммируются сигналы одно-
типных ГДГ [20, 21]. При этом эффект по-
вышения выходной мощности сложения п
автогенераторов сопровождается к ~Ап раз
улучшением соотношений сигнал/шум вы-
ходного сигнала сумматора. В миллиме-
тровом диапазоне длин волн, с переходом
от полых волноводных труб к структурам
диэлектрических волноводов, меняется
и тип резонансных систем. Колебательные
системы ГДГ образуют открытые резонато-
ры Фабри — Перо, дифракционные решетки
Брегга и т.п. При этом применяют два типа
диодных генераторов. В первом — в от-
крытом резонаторе суммируют мощно-
сти нескольких волноводных генераторов
(рис. 18), а во втором — происходит сум-
мирование мощностей нескольких диодов,
размещенных внутри резонатора, например
на поверхности его зеркала (рис. 19), и элек-
тромагнитно связанных с ним.
Классификация
диодных генераторов
Приведенные сведения по построению
СВЧ- и КВЧ-генераторов на эффекте от-
рицательного дифференциального сопро-
тивления активного двухполюсника лишь
качественно описывают многообразие кон-
кретных технических решений по созданию
таких устройств. Условно решения на основе
генераторных диодов в западной литературе
разделяют на следующие виды:
•	автогенераторы непрерывной мощности
фиксированных частот;
•	автогенераторы непрерывной мощности
с механической перестройкой (настрой-
кой) частоты;
•	автогенераторы непрерывной мощности
с перестройкой (настройкой) частоты
по напряжению питания диода;
•	автогенераторы непрерывной мощности
с электрической перестройкой (настрой-
кой) частоты с применением варикапа (ва-
ракторного диода);
•	автогенераторы непрерывной мощности
с комбинированной (одновременно и с ме-
ханической и с электрической) перестрой-
кой частоты;
•	импульсные генераторы;
•	синхронизируемые генераторы;
•	генераторы с фазовой автоподстройкой;
•	генераторы с автоподстройкой частоты;
•	генераторы с температурной подстройкой
частоты генерации.
Однако подобное деление генераторных
устройств весьма условно. Например, про-
изводство (даже малой серией) генераторов
требует введения технологических подстро-
ек, компенсирующих разброс параметров
комплектующих. Такие подстройки, как
правило, обеспечивают введением элемен-
тов механической подстройки частоты резо-
наторов, согласующих элементов и пр. Реже
подстройки реализуют вариацией питания
активного элемента, которая обеспечивается
введением резистивных делителей напряже-
ния. С другой стороны, в генераторах с элек-
трической перестройкой частоты принципи-
ально присутствует элемент механической
подстройки частоты генерации в начальную
(рабочую) точку. Все сказанное относится
и к импульсным диодным генераторам.
Зарубежные производители генераторных
устройств часто активно рекламируют какие-
либо небольшие отличия моделей. Например,
в устройствах с механической перестройкой ча-
стоты особо выделяют наличие микрометриче-
ского винта перемещения элемента перестрой-
ки частоты (обычного элемента перестройки
частоты резонатора колебательной системы ге-
нератора). С точки зрения особенностей генера-
тора такая опция не принципиальна, но на ней
часто акцентируется внимание.
Особый класс генераторов с электрической
перестройкой частоты представляют устрой-
ства с варикапной (варакторной) перестрой-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
50
компоненты вч/свч -элементы
кой частоты. Эти генераторы называют ге-
нераторами, управляемыми напряжением
(ГУН). Выделение их базируется на специ-
альном функциональном назначении — ос-
нове генераторов с частотной подстройкой
частоты и фазовой автоподстройкой частоты
относительно опорного сигнала (это может
быть «опорный генератор», чаще всего гар-
моника кварцевого генератора, или частот-
ная точка на характеристике резонансной
кривой стабильного резонатора).
Синхронизируемые генераторы условно
можно отнести к усилительным устрой-
ствам, в которых мощный выходной каскад
выступает в роли регенеративного усилителя
маломощного источника СВЧ-сигнала.
Относительно особенностей генераторов
с температурной компенсацией сдвигов ча-
стоты заметим, что такой опцией в той или
иной мере снабжены любые генераторы.
Другое дело, каким образом эффект темпе-
ратурной компенсации реализован. Так, если
частота генерации контролируется частотой
резонатора (при очень высокой нагружен-
ной добротности последнего), то достаточ-
но обеспечить высокую термостабильность
последнего. Однако реально (ввиду «ко-
нечной» добротности резонаторов) самый
простой вариант реализуется при взаимной
компенсации температурных уходов пара-
метров компонентов цепи, определяющих
частоту генерации. Часто процесс термоком-
пенсации формируется противоположным
смещением частоты генерации вследствие
изменения частоты резонатора и смещения
частоты за счет температурных изменений
параметров активной области генераторного
диода. Проще всего такой прием осущест-
вляется при применении диэлектрических
резонаторов, с широким спектром возмож-
ных значений температурных коэффициен-
тов относительной диэлектрической прони-
цаемости [22]. Все перечисленные варианты
построения систем термокомпенсации сме-
щений частоты генерации относятся к пас-
сивным вариантам систем термокомпенса-
ции. Лучшие варианты таких систем обеспе-
чивают нестабильность частоты генераторов
не выше 1 х lO^lAC.
Помимо пассивных систем термокомпен-
сации частоты автоколебаний, возможна реа-
лизация температурной стабилизации часто-
ты на основе генератора с автоподстройкой
частоты. При этом в качестве опорного сиг-
нала можно применить отражение от термо-
стабильного ДР [23].
К числу опций генераторных устройств
можно отнести и различные вспомогатель-
ные узлы, например умножители частоты,
системы управления питанием, системы
управления термокомпенсаторами и т. и.
Комплектующие опции
Анализируя варианты построения ди-
одных генераторов, обратим внимание
на растущее многообразие устройств, рас-
сматриваемое научным сообществом и воз-
никающее в результате появления на рынке
предложений различных комбинаций гене-
раторов с опциями, расширяющими и улуч-
шающими характеристики автогенераторов.
В числе таких опций в первую очередь следу-
ет упомянуть вентили в линии вывода мощ-
ности. Такие узлы могут быть как встроен-
ным, так и внешним элементом генератора
(рис. 17).
В качестве опции можно рассматривать
и внешние устройства умножения частоты
сигнала АГ, если умножитель не встроен
в основной корпус генератора.
Кроме того, в качестве опции можно пред-
ставить любой узел, подключенный к разъе-
му АГ, обладающий специальными свойства-
ми, ориентированными на применение имен-
но с данным устройством АГ. К таким узлам
можно отнести АГ опорного сигнала в случае
построения системы подстройки частоты или
фазы генератора, умножители и делители ча-
стоты, подключаемые к выходу АГ, и т. д.
Заключение
Проведенный обзор состояния рынка ди-
одных генераторов позволяет определить ос-
новное направление усилий научной и тех-
нической мысли по развитию СВЧ и КВЧ
активных устройств на основе диодов Ганна
и ЛПД. Надо отметить видимое преимуще-
ство зарубежных производителей по широте
спектра проводимых работ и предлагаемой
продукции. Тем не менее в этом направле-
нии электронной техники отставание оте-
чественной промышленности может быть
восполнимым, конечно, при определенных
вложениях, которые представляются относи-
тельно умеренными.
Литература
1.	Электроника. Энциклопедический словарь. Гл.
ред. Колесников В. Г. Советская энциклопедия,
1991.
2.	Голант М.Б., Бобровский Ю. Л. Генераторы СВЧ
малой мощности. Вопросы оптимизации пара-
метров. М.: Советское радио, 1977.
3.	Guttich U. Active Elements Used in Microstrip Di-
electric Resonator Oscillators // Microwave Journal.
April 1996.
4.	Повышение надежности и качества ГИС и МИС
СВЧ. Книга 2. Под ред. Гудкова А. Г. и Попова В. В.
М.: Автотест, 2013.
5.	НПП «Исток» им. Шокина». www.istokmw.ru
6.	Научно-исследовательский институт полупро-
водниковых приборов (АО НИИПП).
www.niipp.ru
7.	Microsemi RFIS Integrated Solusion.
www.microsemi.com
8.	Linwave Electronic Manufacturing Services.
www.linwave.co.uk
9.	Microwave Technology Centre Teledyne-e2v.
www.teledyne-e2v.com
10.	Microwave Device Technology.
www.mdtcorp.com
11.	Стороженко И. П., Ярошенко А. Н.,
Кайдаш М. В., Аркуша Ю. В. Моделирование
варизонных ALINN-диодов Ганна. 22-я Между-
народная Крымская конференция «СВЧ-тех-
ника и телекоммуникационные технологии».
Севастополь, 10-14 сентября 2012.
12.	Гончарук Н.М., Карушкин Н. Ф. Нитрид-
галлиевый диод Ганна миллиметрового диа-
пазона. 22-я Международная Крымская конфе-
ренция «СВЧ-техника и телекоммуникацион-
ные технологии». Севастополь, 10-14 сентября
2012.
13.	Животова Е. Н., Стороженко И. П. Резонансная
частота диодов Ганна на основе варизонных
полупроводников АЗ В5. 22-я Международная
Крымская конференция «СВЧ-техника и теле-
коммуникационные технологии». Севастополь,
10-14 сентября 2012.
14.	QwinStar Technology, Inc (QID).
www.qwinstar.com
15.	Terahertz Imaging Systems (Terasense Group,
Inc.), www.terasense.com
16.	Deen S. Designing Compact V/W-Band Gunn
Sources 11 Microwaves&RF. 2011. No. 4.
17.	Алексейчик Л. В., Бурков В.Д., Геворкян B.M.,
Казанцев Ю. А. Авторское свидетельство
№ 633411. Сверхвысокочастотный генератор //
Бюллетень изобретений. 1978. № 42.
18.	Алексейчик Л. В., Бродуленко И. И., Гевор-
кян В.М. и др. Состояние и перспективы
применения миниатюрных диэлектрических
резонаторов в радиоэлектронике. Часть II.
Пассивные и активные СВЧ-устройства с ми-
ниатюрными диэлектрическими резонатора-
ми. Обзоры по электронной технике. Серия 1 //
Электроника СВЧ. 1982. Вып. 2.
19.	Кувшинов В. В., Майстренко А. ЖИГ-
генераторы и синтезаторы частот компании
Micro Lambda Wireless // Компоненты и тех-
нологии. 2015. № 9.
20.	Геворкян В. М., Ковтунов Д. А. Состояние
и перспективы создания сумматоров мощно-
стей полупроводниковых генераторов. Обзоры
по электронной технике. Серия 1 // Электро-
ника СВЧ. 1989. Вып. 18.
21.	Згуровский М. 3., Ильченко М. Е., Кравчук С. А.
и др. Микроволновые устройства телекомму-
никационных систем. Т. 2. Устройства прием-
ного и передающего трактов. Проектирование
устройств и реализация систем. 11олi rcxнii<a,
2003.
22.	ВЧ и СВЧ керамические материалы и микро-
волновые элементы. Каталог продукции
ООО «Керамика», 2004.
23.	Gorevoy A. A Low Noise Oscillator Based on
a Conventional Dielectric Resonator 11 Microwave
lornal. Nov. 2013.
24.	Геворкян В. M., Кочемасов В. Н. Объемные ди-
электрические резонаторы. Основные типы.
Характеристики. Производители. Часть 1 //
Электронная техника. Наука. Технология.
Бизнес. 2016. № 4.
25.	Ducommun Technologies.
www.ducommun.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
Широкая линейка
демо-образцов,
доступных для
тестирования!
Отправьте
свою заявку на
ps@yeint.ru
TDK-Lambda
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
ПИТАНИЯ СЕРИИ GENESYS+
TDKLambda
YE INTERNATIONAL
RUSSIA
Партнер года
2018/2019
GENESYS
TDKLambda
НАПРЯЖЕНИЕ	G+1.7KW	G+5KW	GSP10KW	GSP15KW
0-10 В	G10-170	G-10-500	GSP-10-1000	GSP-10-1500
0-20 В	G20-85	G-20-250	GSP-20-500	GSP-20-750
0-30 В	G30-56	G-30-170	GSP-30-340	GSP-30-510
0-40 В	G40-42	G-40-125	GSP-40-250	GSP-40-375
0-60 В	G60-28	G-60-85	GSP-60-170	GSP-60-255
0-80 В	G80-21	G-80-65	GSP-80-130	GSP-80-195
0-100 В	G100-17	G-100-50	GSP-100-100	GSP-100-150
0-150 В	G150-11.2	G-150-34	GSP-150-68	GSP-150-102
0-300 В	G300-5.6	G-300-17	GSP-300-34	GSP-300-51
0-600 в	G600-2.8	G-600-8.5	GSP-600-17	GSP-600-25.5
Сводная таблица модельного ряда источников питания серии GENESYS+
О^ЮЕ'ИНТЕРНЕЙШНЛ
ГРУППА ЮЕ
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
Реклама
Санкт-Петербург [812] 313-34-40
Москва (495) 150-52-21
www.yeint.ru
Екатеринбург(343)365-90-40
Новосибирск (383) 319-17-09
yesupport@yeint.ru
Нижний Новгород (831) 220-59-64
52
компоненты
Фильтры ЭМП ТЕКО
для промышленного применения
Артемий СКРЕБНЕВ
Применение фильтров электромагнитных помех (ЭМП) — один из ос-
новных способов защиты от кондуктивных помех, вследствие чего такие
устройства используются в цепях электропитания практически всех типов
оборудования. В статье представлены фильтры ЭМП ТЕКО, предлагаемые
АО «ТЕСТПРИБОР».
ЗМП возникают в результате работы устройств, предназна-
ченных для генерации или преобразования электроэнергии,
таких как электродвигатели, генераторы, преобразователи
(например, инверторы), газоразрядные лампы, реле. Помимо тех-
нических средств, помехи также могут создаваться и атмосферными
явлениями — грозовыми разрядами.
При разработке технических решений по защите оборудования
ЭМП подразделяют на два типа: противофазные и синфазные.
Противофазные помехи возникают между прямыми и обратными
проводами электрических цепей. Токи противофазных помех имеют
то же направление, что и токи полезного сигнала. В симметричных элек-
трических контурах (незаземленные цепи или цепи, у которых заземле-
на средняя точка) противофазные помехи проявляются как симметрич-
ные напряжения (либо помехи дифференциального типа — differential
mode interference), а в несимметричных электрических контурах (одно-
сторонне заземленные контуры) — как несимметричные напряжения.
Чаще всего напряжения противофазных помех возникают из-за на-
личия магнитной связи и преобразования синфазных помех в противо-
фазные. Они суммируются с полезным сигналом и приводят к сбоям,
погрешностям измерений и т.д. Так, напряжение противофазной по-
мехи вызывает в электрических контурах ток, который создает паде-
ния напряжения на полных сопротивлениях передатчика и приемника.
Синфазные помехи обусловлены источниками мешающих на-
пряжений, которые появляются между проводниками и «землей»,
обладающей нулевым потенциалом,— например, в форме кратко-
временного повышения потенциала «земли».
Синфазные напряжения, появляющиеся в симметричных элек-
трических контурах, называются несимметричными напряжениями
(помеха общего типа — common mode interference). Несимметричные
напряжения прямых и обратных проводов отличаются на величину
полезного сигнала.
Рис. 1. Фильтр ТЕКО ФП-4100
Рис. 2. Принципиальные электрические схемы фильтров ФП-4100:
а) с номинальным током до 150 А;
6) с номинальным током 200 А;
в) с номинальным током свыше 200 А
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
компоненты
53
Рис. 3. Зависимость величины вносимого затухания от частоты.
Пунктирной линией показано подавление противофазной помехи, сплошной — синфазной помехи
Высокие синфазные напряжения могут
стать причиной пробоя между проводника-
ми и корпусом прибора (или массой), что
может привести к серьезным последствиям.
Однако при различных сопротивлениях
синфазное напряжение вызывает в прямых
и обратных проводах различные по значе-
нию токи, которые создают на них падения
напряжения. Прямой и обратный провода
приобретают различные напряжения от-
носительно «земли», и происходит преоб-
разование синфазной помехи в противо-
фазную.
В силовых цепях преобладает несимме-
тричная нагрузка, однако источники высоко-
частотных помех, в частности преобразо-
ватели на IGBT-транзисторах, могут гене-
рировать несимметричные (синфазные)
помехи.
Фильтры ЭМП ТЕКО позволяют значи-
тельно ослаблять как симметричные, так
и несимметричные помехи. Устройства
обычно представляют собой фильтры ниж-
них частот (ФНЧ), характеризующиеся
частотой среза. Фильтры могут устанавли-
ваться непосредственно сразу за источни-
ком помех или перед приемником.
Основные параметры фильтров ТЕКО:
•	число проводов сети (обычно 2 или 4);
•	номинальное напряжение:
-	переменное (250/440 В или другое),
-	постоянное (до 1200 В);
•	номинальный ток, А;
•	частотный диапазон подавления помех, Гц;
•	величина вносимого затухания, дБ;
•	тип помех, подавляемых фильтром:
синфазные/противофазные.
Конструкция и устройство фильтров мо-
гут различаться в зависимости от указанных
параметров. Например, для подавления сим-
метричных помех применяется dultit-фильтр
НЧ, состоящий из цепочек катушек индуктив-
ности и конденсаторов, а также специальных
помехоподавляющих Х-конденсаторов, кото-
рые включаются между проводниками линии
и «замыкают» контур для ВЧ-помех через себя.
Благодаря большому числу доступных
параметров перечень областей применения
фильтров ТЕКО предусматривает:
•	источники бесперебойного питания;
•	электродвигатели и приводы;
•	генераторы и преобразователи;
•	медицинское оборудование;
•	производство;
•	экранированные и безэховые камеры;
•	системы защиты информации;
•	системы хранения данных.
Типовые модели
фильтров ЭМП ТЕКО
ТЕКО ФП-4100
Предназначен для защиты от ЭМП в трех-
фазной сети электропитания с максималь-
ным линейным напряжением до 440 В и то-
ком до 600 А. Основные технические характе-
ристики фильтра представлены в таблице 1.
Внешний вид показан на рис. 1. На рис. 2
приведены принципиальные электрические
схемы фильтров ФП-4100, а на рис. 3 — за-
висимость величины вносимого затухания
от частоты.
Таблица 1. Технические характеристики
Номинальное напряжение (линейное)	440 В, трехфазное
Номинальный ток	до 600 А
Количество проводов	4 (3L, N)
Частотный диапазон подавления помех	150 кГц-30 МГц
Вносимое затухание	до 85 дБ
Габаритные размеры модели ФП-4100-50 (ДхШхВ), 50 А	180x152x66 мм
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
компоненты
Рис. 4. Фильтр ТЕКО ФП-5300
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема фильтра ФП-5300
Таблица 2. Технические характеристики
Номинальное напряжение	1200 В, постоянное
Номинальный ток	до 1500 А
Количество проводов	2
Частотный диапазон подавления помех	10 кГц-30 МГц
Вносимое затухание	до 100 дБ
Габаритные размеры модели ФП-5300-100 (ДхШхВ), 100 А	201x96x81 мм
ТЕКО ФП-5300
Фильтр ТЕКО ФП-5300 (рис. 4) рассчитан на работу в цепях по-
стоянного тока с напряжением до 1200 В и током до 1500 А (табл. 2).
Может применяться для подавления ЭМП на входе мощных инвер-
торов энергии солнечных батарей, а также любого другого обору-
дования постоянного тока. Принципиальная электрическая схема
фильтра ФП-5300 приведена на рис. 5, а зависимость величины вно-
симого затухания от частоты — на рис. 6.
25А
10k	зом
Частота, МГц
50А
10k	ЗОМ
Частота, МГц
Частота, МГц
Частота, МГц
Частота, МГц
250А
10k	ЗОМ
Частота, МГц
Частота, МГц
Частота, МГц
Рис. 6. Зависимость величины вносимого затухания от частоты. СП — синфазная помеха, ПП — противофазная
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
компоненты
55
Рис. 7. Фильтр ТЕКО ФП-2-250
ТЕКО ФП-2-250
ТЕКО ФП-2-250 (рис. 7, 8, табл. 3) — типо-
вая модель фильтра ЭМП для экранирован-
ных помещений. Специальная конструкция
корпуса обеспечивает герметичный ввод про-
водов через экран и удобный монтаж. Фильтр
гарантирует ослабление помех в частотном
диапазоне 10 кГц - 40 ГГц на уровне не ниже
100 дБ, что соответствует требованиям I клас-
са экранирования по ГОСТ Р 50414-92.
Литература
1.	ГОСТ Р 55055-2012 «Радиопомехи индустриаль-
ные. Термины и определения».
2.	ГОСТ 13661-92 «Совместимость технических
средств электромагнитная. Пассивные помехо-
Частота, МГц
Рис. 8. Зависимость величины вносимого затухания
от частоты
Таблица 3. Технические характеристики
Номинальное напряжение	250 В
Номинальный ток	до 1000 А
Количество проводов	2(L,N)
Частотный диапазон подавления помех	10 кГц-40 ГГц
Вносимое затухание	не менее 100 дБ
Габаритные размеры модели ФП-2-250/32 (ДхШхВ), 32 А	760x165x200 мм
подавляющие фильтры и элементы. Методы
измерения вносимого затухания».
3.	MIL-STD-220C. Military standard: method of inser-
tion loss measurement.
Компактные
высоковольтные
преобразователи
напряжения
НОВОСТИ блоки питания
Недорогие компактные
40/60-Вт АС/DC-источники питания
для оборудования информационной технологии
и медицинской аппаратуры
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ
И СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ
Компания ХР Power представила две новые
серии низкопрофильных AC/DC-источников
питания для малобюджетных применений в ме-
дицинских и ИТ-секторах.
Новые серии источников питания FCS40
и FCS60 включают одноканальные модели с вы-
ходными напряжениями 12, 15, 18, 24, 36 и 48 В
с КПД до 86%. Встроенный потенциометр по-
зволяет регулировать выходное напряжение
в пределах ±10% для оптимизации напряжения
для конкретной нагрузки или компенсации паде-
ния напряжения на соединительных проводни-
ках. Работа в диапазоне температур —25...+70 °C
предусматривает применение источников питания
в различных окружающих средах.
Обе серии FCS40 и FCS60 соответствуют тре-
бованиям стандартов IEC/EN/ECS60601 к ме-
дицинской аппаратуре и включают два средства
защиты пациента от поражения электрическим
током (2хМОРР). Модули питания также имеют
два предохранителя на входе и могут использо-
ваться в оборудовании с защитой от поражения
электрическим током по классу II.
Кроме того, источники питания сертифици-
рованы для промышленного и ИТ-оборудования
согласно требованиям стандартов IEC60950-1
и IEC/EN/cllL62368-1. Соответствие регламентам
стандарта IEC60335-1 позволяет эксплуатировать
новые источники питания в домашних применениях.
Способность работать до температур +70 °C
при конвекционном отводе тепла без понижения
мощности исключает потребность в охлаждаю-
щем вентиляторе, что экономит мощность, снижа-
ет стоимость и вес, а также повышает надежность
системы.
www.prosoft.ru
Технические параметры
•	Входное напряжение 5,12, 24 В
•	Выходные напряжения
от 2 до 10 кВ
•	Мощность от 2 мВт до 15 Вт
•	Диапазон температур
от -55 до +70°С
•	Длительный ресурс
Применение
•	Медицинская диагностика
•	Научное оборудование
•	Авиационно-космическая техника
ProSoft
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
(495) 234-0636 - IN FO@ PROSOFT.RU - WWW. PROSO FT. RU
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
56
на правах рекламы

В ИНТЕГРАЛ
Кремниевый эпитаксиально-планарный
с барьером Шоттки диод
категории качества «ВП» 2ДШ157А9
Завершена ОКР «Такт», в рамках которой разрабо-
тан кремниевый эпитаксиально-планарный с ба-
рьером Шоттки диод категории качества «ВП» —
2ДШ157А9, предназначенный для применения
в источниках вторичного электропитания и дру-
гой преобразовательной аппаратуре специаль-
ного назначения.
Диод изготавливается в малогабаритном металлокера-
мическом корпусе типа КТ-99-1 (рисунок) и функци-
онирует при температуре -60.. .4-125 °C.
Функциональным аналогом диода 2ДШ157А9 является
диод 10BQ040 компании International Rectifier.
Технические условия — АЕЯР.432120.831ТУ.
Электрические параметры диода приведены в таблице 1,
а предельно допустимые электрические режимы эксплуата-
ции — в таблице 2.
Диод 2ДШ157А9 имеет стойкость к воздействию специаль-
ных факторов 7.И, 7.С и 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характе-
ристиками 7.И1 — 4Ус; 7.И6 — 4Ус; 7.И7 — 4Ус; 7.Q — 5Ус;
7.С4 — 5х5Ус; 7.Kt — 2К; 7.К4 — 1К; 7.К9 (7.К10) — является
стойкой; 7.КП (7.К12) — до уровня 60 МэВ см2/мг по катастро-
фическим отказам и тиристорному эффекту.
В январе 2019 года подано предложение для включения
диода 2ДШ157А9 в перечень ЭКБ 03.
Возможна передача образцов диодов 2ДШ157А9 заинтере-
сованным в их опробовании предприятиям для проведения
тестирования.
Таблица 1. Значения электрических параметров диода при приемке и поставке
Наименование параметра, единица измерения (режим измерения)	Буквенное обозначение параметра	Норма параметра не менее не более		Температура среды, °C
Постоянное прямое напряжение диода, В (1пр=1АДи<2мс,О>50)	ипр	—	0,49	+25 ±10
		—	0,49	+125 ±5
		—	0,68	-60 ±3
Постоянный обратный ток диода, мА (Uo6p = 40 В)	'обр	—	0,03	+25 ±10
		—	15	+125 ±5
		—	0,03	-60 ±3
Таблица 2. Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации
Наименование параметра, единица измерения (режим измерения)	Буквенное обозначение параметра	Норма параметра
Повторяющееся импульсное обратное напряжение диода, В (tk < 10 мс, Q > 2)	'“'обр. и. п	40
Постоянный прямой ток диода, А (при R0nep_OKp < 50 °С/Вт)	'пр	1
Постоянный прямой ток диода, А (при R0nep_OKp < 20 °С/Вт, Токр = -60...+85 (±5) °C)	'пр	3
Максимально допустимый повторяющийся импульсный прямой ток диода, А (при tM < 10 мс, Q > 2, R0nep_OKp < 50 °С/Вт)	'пр. и. п. max	1
Максимально допустимый средний прямой ток диода, А (при Renep.0Kp < 50 °С/Вт)	'пр. ср. max	0,71
Прямая рассеиваемая мощность диода, Вт (R©nep_0Kp < 50 °С/Вт, Токр = +125 ±5 °C)	Рпр	0,5
Прямая рассеиваемая мощность диода, Вт (R©nep_0Kp < 20 °С/Вт, Токр = +85 ±5 °C)	Рпр	2,1
Тепловое сопротивление переход — окружающая среда, °С/Вт	р Чи) пер-окр	156
Предельно допустимое значение частоты, кГц	f	200
Максимально допустимая температура перехода, °C	"Гер. max	150
Рисунок. Общий вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры диода в корпусе КТ-99-1
ОАО
«ИНТЕГРАЛ» —
управляющая
компания
холдинга
«ИНТЕГРАЛ»
г. Минск,
Республика Беларусь
integraLby
E-mail:
ATitov@in tegral. by
Тел,:
(+37517)298-97-43
Факс:
(+37517)398-72-03
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
элементы защиты КОМПОНеНТЫ
Элементы BOURNS для защиты
от статического электричества
и переходных процессов
Владимир РЕНТЮК
Rvk.modul@gmail.com
Несмотря на широкое внедрение беспроводных технологий и оптоволо-
конных систем передачи информации, обычные проводные линии связи
не только остаются востребованными, но и не собираются сдавать свои
позиции в будущем. Для них не требуется дорогая инфраструктура, они
не зависят от особенностей распространения радиоволн, не ограничены
каналами в выделенном частотном спектре и, если это замкнутая сеть,
менее подвержены стороннему вмешательству. В индустриальной сфере
такие линии часто уже проложены, менять их не только нецелесообразно,
но часто и невозможно. Однако у проводных систем есть своя ахиллесова
пята — подключенное к ним оборудование требует защиты от воздействия
внешних электромагнитных помех, статического электричества и наведен-
ных перенапряжений. В предлагаемой статье основное внимание будет
сосредоточено на элементах компании BOURNS, обеспечивающих защиту
от статического электричества и переходных процессов.
Системы связи подвержены повреждениям от скачков напряже-
ния на линиях, порожденных теми или иными причинами —
разрядами статического электричества, наводками от внеш-
них источников или переходными процессами, например при вклю-
чении/выключении мощных индуктивных нагрузок, в том числе
и наведенными. Поскольку такие системы постоянно усложняются
в части используемых протоколов интерфейсов, они становятся и бо-
лее уязвимыми (рис. 1). Для того чтобы найти оптимальное решение,
разработчику приходится балансировать между стоимостью системы
защиты, выполнениями требований стандартов и надежностью за-
щиты данных систем в местах эксплуатации. Не следует забывать
и тот факт, что устойчивость к внешним электромагнитным воздей-
ствиям — это часть требований по электромагнитной совместимости
(ЭМС) [1] и обеспечению целостности сигнала (в англ, терминоло-
гии — Signal Integrity, под этим термином понимается наличие до-
статочных для безошибочной передачи качественных характеристик
электрического сигнала). Все это является как коммерческой, так
и технической проблемой, которая усугубляется дополнительными
ограничениями, связанными с все возрастающей производительно-
стью современных цифровых сетей.
Рис. 1. Типовые интерфейсы современной аппаратуры, где защита
от электростатического разряда и наведенных ЭМП имеет решающее значение
То, что мы называем «скачок»,— это временное увеличение на-
пряжения, тока или того и другого. Такие события, как правило, про-
исходят через прямой контакт, но могут быть следствием наводки
по полю или через резистивную связь, что приводит к широкому
спектру угроз [2].
Опасности воздействия высоких напряжений и больших токов
очевидны, но важно учитывать и время их воздействия, что также
влияет на выбор компонента защиты. Если время воздействия мало,
то нагрев элемента защиты не станет критическим, но для более дли-
тельных воздействий это может иметь опасные последствия в виде
деградации или выхода элемента защиты из строя. Это окажет нега-
тивное влияние на сохранение работоспособности и безопасность
не только в системе защиты (она, как правило, не ограничивается од-
ним элементом, причина будет пояснена позже), но и, что естествен-
но, непосредственно на функционирование защищаемого устрой-
ства в целом.
Защита выполняет несколько ключевых функций. Во-первых, она
должна предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный
скачком напряжения, затем мы должны быть уверенными, что си-
стема возвращается в рабочее состояние с минимальным перерывом
в обслуживании. Кроме того, чрезвычайно важно, чтобы в нормаль-
ных условиях защита не мешала сигналу и не создавала особые про-
блемы для передачи информации, в том числе и для цифровых тех-
нологий. И не забываем о том, что во время перенапряжения защита
должна срабатывать безопасным способом. В практике автора статьи
был забавный случай, когда один из его инженеров спроектировал
устройство с такой развитой защитой (как говорится, на все случаи
жизни) — буквально с защитой от срабатывания защиты, — что оно
просто не включалось. Вывод: всего должно быть в меру, кроме того,
считать деньги тоже необходимо, капитализм — это еще больший
учет и контроль, чем социализм.
При выборе защиты от перенапряжения следует рассмотреть,
от чего нужно защищать оборудование. Интегральные схемы (ИС)
обычно рассчитаны на контактное напряжение 1-2 кВ, чтобы за-
щитить их от возможных инцидентов при сборке печатной платы.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
58
КОМПОНеНТЫ элементы защиты
Таблица 1. Степени жесткости испытаний
по ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
Контактный разряд		Воздушный разряд	
Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ	Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ
1	2	1	2
2	4	2	4
3	6	3	8
4	8	4	15
X*	Специальное	X*	Специальное
Примечание.
X* — открытая степень жесткости испытаний.
Испытательное напряжение должно быть указано
в технической документации на ТС конкретного вида.
Если установлено более высокое испытательное
напряжение, чем указано для степеней жесткости,
необходимо использовать специальное
испытательное оборудование.
Стандарт IEC 61000-4.2 определяет модели
человеческого тела до 8 кВ для электроста-
тического разряда, которые могут иметь ме-
сто в переносном оборудовании. Защита ИС
со степенью жесткости 1 является вторичной
ступенью защиты — там, где требуется пер-
вичная защита от импульсов со степенью
жесткости 8 кВ. К тому же устройство за-
щиты от электростатического разряда име-
ет определенное время реакции, связанное
с ним, при испытаниях в условиях высоко-
го dVdt (8 кВ/нс), что, в свою очередь, может
определить повышение требований, предъ-
являемых к защитному устройству. Поэтому
важно убедиться, что схема защиты микро-
схемы, входа (порта) или устройства в целом
может поддерживать те или иные пиковые
напряжения и токи.
Исходя из сказанного, мы, как инженеры,
первым делом обращаемся к нормативам.
Основными в данной сфере для нас будут
стандарты и, конечно же, проведение анализа
рисков, соответствующего проектируемой
продукции или системе:
•	ГОСТ IEC 60950-1 -2014 «Оборудование ин-
формационных технологий. Требования
безопасности. Часть 1. Общие требова-
ния». Настоящий стандарт идентичен меж-
дународному стандарту IEC 60950-1:2013
Information technology equipment —
Safety — Part 1: General requirements.
•	ГОСТ IEC 60950-21-2013 «Оборудование
информационных технологий. Требования
безопасности. Часть 21. Удаленное
электропитание». Настоящий стандарт
идентичен международному стандар-
ту IEC 60950-21:2002 Information technology
equipment — Safety — Part 21: Remote
power feeding. Важность этого стандарта
возрастает в связи с расширением исполь-
зования технологии РоЕ — питания через
Ethernet, что особенно актуально в инду-
стриальной сфере, применяется совместно
со стандартом ГОСТ IEC 60950-1.
•	ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
«Совместимость технических средств
Таблица 2. Параметры импульса разрядного тока при контактном разряде по ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
Степень жесткости испытаний	Испытательное напряжение, кВ	Ток первого максимума (±15%), А	Время tr нарастания (±25%), нс	Ток разряда при 30 нс (±30%), А	Ток разряда при 60 нс (±30%), А
1	2	7,5	0,8	4	2
2	4	15	0,8	8	4
3	6	22,5	0,8	12	6
4	8	30	0,8	16	8
электромагнитная. Устойчивость к элек-
тростатическим разрядам. Требования
и методы испытаний». Настоящий стан-
дарт модифицирован по отношению
к международному стандарту IEC 61000-
4-2:2008 Electromagnetic compatibility
(EMC) — Part 4-2: Testing and measurement
techniques — Electrostatic discharge
immunity test, однако в части установлен-
ных требований — идентичен. Этот стан-
дарт определяет требования по степени
жесткости.
•	ГОСТ IEC 61000-4-4-2016 «Электро-
магнитная совместимость (ЭМС).
Часть 4-4. Методы испытаний и измере-
ний. Испытание на устойчивость к элек-
трическим быстрым переходным про-
цессам (пачкам)». Настоящий 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.
•	ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 Электро-
магнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5.
Методы испытаний и измерений.
Испытание на устойчивость к выбро-
су напряжения. Настоящий стандарт
идентичен международному стандарту
IEC 61000-4-5:2014 Electromagnetic
compatibility (EMC) — Part 4-5: Testing and
measurement techniques — Surge immunity
test, IDT.
•	ГОСТ IEC 61643-21-2014 «Устройства за-
щиты от перенапряжений низковольтные.
Часть 21. Устройства защиты от перена-
Рис. 2. Форма разрядного тока испытательного генератора (контактный разряд, испытательное напряжение 4 кВ)
по ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
пряжений, подсоединенные к телеком-
муникационным и сигнализационным
сетям. Требования к эксплуатационным
характеристикам и методы испытаний».
Настоящий стандарт идентичен между-
народному стандарту IEC 61643-21:2012
Low voltage surge protective devices —
Part 21: Surge protective devices connected
to telecommunications and signalling
networks — Performance requirements and
testing methods.
Если рассматривать устойчивость
к электростатическим разрядам, то для ис-
пытаний оборудования на устойчивость
к электростатическим разрядам стандартом
ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
установлена степень жесткости испытаний,
указанная в таблице 1.
Параметры импульса разрядного
тока при контактном разряде согласно
ГОСТ 30804.4.2-2013 (IEC 61000-4-2:2008)
представлены в таблице 2.
При этом форма контактного разряда,
например, для степени жесткости 2 (на-
пряжение 4 кВ) имеет вид, представленный
на рис. 2.
Кроме того, в остальных стандартах уста-
навливаются дополнительные или специфи-
ческие требования, например, как модель че-
ловеческого тела или модель оборудования
реагирует на внешние воздействия. И не за-
бываем, что у ответственного разработчи-
ка будут учтены все факторы и риски. Как
можно видеть, требований много, и это еще
раз подчеркивает то, что было сказано выше:
решение для защиты на базе одного устрой-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
элементы защиты КОМПОНеНТЫ
Таблица 3. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения
Параметр	Газовые разрядники	Защитные тиристоры	Варисторы, объемные	Обычные TVS-диоды	Специальные TVS-диоды
Уровень пиковых токов	высокий	средний	высокий	средний	средний
Минимальное напряжение включения, В	75	8	6	6	-3
Точность напряжения включения	низкая	высокая	низкая	высокая	высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения	средняя	высокая	средняя	высокая	высокая
Типовая емкость, пФ	-1,5	~30	-1400	-100	0,2
Соотношение «пиковый ток/габариты»	низкое	среднее	высокое	среднее	высокое
Время срабатывания	большое	среднее	большое	малое	сверхмалое
ства возможно далеко не всегда. Если рассма-
тривать основные доступные нам защитные
элементы, здесь мы можем выделить четыре
основных вида с типовыми характеристика-
ми, которые представлены в таблице 3 [4].
Что касается компании BOURNS, то она
с этой целью освоила и предлагает целый ряд
продуктов. Среди них можно выделить сле-
дующие.
Устройства защиты от перенапряжения:
•	Семейства газовых разрядников (Gas
Discharge Tubes, GDT), которые создают
квазикороткое замыкание по линии, когда
при перенапряжении достигается иони-
зация наполняющего их газа, потом они
опять возвращаются к состоянию высоко-
го импеданса. Эти надежные устройства
имеют самый высокий рейтинг по им-
пульсному току в сочетании с малой соб-
ственной емкостью, что делает их очень
привлекательными для защиты как линий
«старых» технологий, так и современных
высокоскоростных цифровых линий.
•	Семейство устройств на основе тиристоров
TISP, которые сначала ограничивают на-
пряжение в линии, а затем переключаются
в проводящее состояние при низком на-
пряжении. После скачка напряжения, когда
ток падает ниже тока удержания, устрой-
ство возвращается в исходное состояние
высокого импеданса.
•	Семейство диодов подавления переходных
напряжений (Transient Voltage Suppressor,
TVS), которые работают за счет быстрого
перехода от высокого импеданса к нели-
нейной характеристике сопротивления,
ограничивающей скачки напряжения.
TVS-диоды являются универсальными
продуктами широкого назначения — они
малогабаритные, обеспечивают быстрое
и хорошо контролируемое напряже-
ние ограничения, однако (большинство
из них) обладают относительно высокой
емкостью и низким уровнем поглощения
и энергозатратами, что ограничивает мак-
симальный импульсный ток. Тем не ме-
нее эти устройства находят самое широкое
применение и выигрывают по сравнению
с обычными диодами и тем более с рас-
пространенными стабилитронами. Что
касается ограничения по емкости, компа-
ния BOURNS предлагает двунаправленные
TVS-диоды с типовыми емкостями 1 пФ,
например серию CDSOD323-TxxLC Series
[3], специально созданную для защиты вы-
сокоскоростных цифровых линий переда-
чи данных, а по току компания предлагает
диоды, способные принять токи, превы-
шающие 100 А [2].
Устройства защиты от недопустимых токов:
• Хорошо известные разработчикам
и не нуждающиеся в особой рекламе по-
лимерные самовосстанавливающиеся пре-
дохранители Multifuse. Они представляют
собой полимерные термисторы с положи-
тельным коэффициентом (Polymer Positive
Temperature Coefficient, РРТС) и имеют
самое широкое применение. В условиях
большого тока сопротивление такого пре-
дохранителя будет увеличиваться на много
порядков и оставаться в таком состоянии,
обеспечивая непрерывную защиту цепи
до устранения неисправности. После
устранения неисправности и некоторого
времени остывания предохранитель вер-
нется в свое нормальное состояние с низ-
ким сопротивлением.
•	Там, где нужно срабатывание без восста-
новления, хорошим выбором будет семей-
ство Telefuse (Telecom Fuses — предохрани-
тели для телекоммуникационных линий),
они представляют собой обычные плавкие
предохранители, но заключены в керами-
ческий корпус. Предохранитель нагрева-
ется со скоростью, описываемой интегра-
лом Джоуля (I2t). Как только температура
элемента превышает температуру плав-
ления, он испаряется и размыкает цепь.
Для разработчиков преимуществом здесь
становится низкое сопротивление таких
предохранителей.
Защита от разрядов статического электри-
чества и наведенных перенапряжений:
•	Семейство защитных устройств от раз-
рядов статического электричества ESD
ChipGuard состоит из многослойных ва-
ристоров (multilayer varistor, MLV). Эту
серию отличают низкие токи утечки,
которые делают устройства незаметны-
ми при нормальной работе. Переходные
электростатические разряды приводят
к тому, что устройство ограничивает на-
пряжение, уменьшая свое эффективное
сопротивление, и переходит в состояние
высокого импеданса после подавления
помех. Семейство продуктов ChipGuard
разработано для защиты оборудования,
такого как порты связи, в соответствии
с требованиями стандарта IEC61000-4-2,
Level 4. Кроме того, варисторы этой тех-
нологии имеют емкости до 0,05 пФ, на-
пример CG0402MLU/CG0603ML [6], что
позволяет использовать их для защиты са-
мых высокоскоростных цифровых линий.
Портативные беспроводные устройства,
в частности сотовые телефоны, ноутбуки
и планшетные компьютеры, часто имеют
порты данных и/или аудио, в которых для
защиты от электростатического разряда
используются именно многослойные ва-
ристоры ChipGuard. Кроме того, компания
BOURNS предлагает интегрировать рези-
сторы, конденсаторы, катушки индук-
тивности, диоды и транзисторы в единое
монолитное устройство с минимальными
накладными расходами.
•	Для защиты от электростатических разря-
дов компания BOURNS предлагает также
семейство диодных матриц. Используя
технологию тонких пленок на кремниевых
пластинах в сочетании с упаковкой в мас-
штабе кристалла (Chip Scale Packaging), та-
кие устройства обычно находят примене-
ние в приложениях для портативной элек-
троники, где заказчик указал конкретную
характеристику электрического отклика.
•	Объемные силовые металлооксидные
(Metal Oxide Varistor MOV) варисторы, вы-
полненные на основе оксида цинка (ZnO)
с небольшим содержанием висмута, кобаль-
та, магния и других элементов, образующих
микрогранулы. В местах соприкосновения
микрогранул варистора возникает эффект
проводимости. Так как количество гранул
в объеме варистора очень велико, абсорби-
руемая варистором энергия значительно
превышает энергию, которая может прой-
ти через единичный р-и-переход в диодах.
В процессе протекания тока через варистор
весь проходящий заряд равномерно рас-
пределяется по всему объему. Таким обра-
зом, количество энергии, которую может
абсорбировать варистор, напрямую зависит
от его объема и может достигать больших
величин. Однако такие варисторы подвер-
жены временной деградации.
•	Гибридный компонент защиты от пере-
напряжения GMOV, сочетающий ком-
пактный газовый разрядник с металлоок-
сидным объемным варистором [12]. Это
улучшенное решение для защиты, которое
помогает преодолеть проблемы деградации
и катастрофических сбоев, возникающих
в дискретных MOV в том случае, если они
подвержены кратковременным скачкам на-
пряжения или более длительному перена-
пряжению, превышающему их максималь-
ные номинальные значения. Гибридные
варисторы отличаются малой собствен-
ной емкостью и могут использоваться
не только для защиты линий питания,
но и на высокоскоростных линиях данных.
Задача данной статьи не объять необъят-
ное (а именно такова номенклатура защит-
ных устройств, предлагаемых компанией
BOURNS), а сосредоточиться на двух наибо-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
60
компоненты элементы защиты
лее широко используемых компонентах — TVS-диодах и обычных
варисторах. Рассмотрению инновационных гибридных элементов
будет посвящена отдельная публикация.
TVS-диоды
Уже много лет кремниевые TVS-диоды используются в качестве
стандартных защитных устройств, часто их путают со стабилитро-
нами, что в корне неверно. TVS-диоды представляют собой твердо-
тельные устройства, выполненные на базе р-и-перехода, специально
разработанные для защиты входов аппаратуры от разрушающего
воздействия переходных и наведенных напряжений (рис. 3).
Рис. 3. Структура двухполярного TVS-диода
Электрические характеристики устройства определяются такими
факторами, как площадь перехода, концентрация легирующих до-
бавок и удельное сопротивление подложки. Уровень поглощаемой
мощности и импульс тока TVS-диода пропорциональны площади
его перехода, поэтому для поглощения высоких переходных токов
TVS-диоды сознательно сконструированы с большими поперечными
сечениями. Хотя вольт-амперная характеристика (ВАХ) TVS-диода
в общем виде аналогична характеристике стабилитрона, он специ-
ально разработан с учетом своего предназначения — подавление
бросков напряжения и имеет хоть и неярко, но выраженный участок
с отрицательным сопротивлением (рис. 4) [4]. Кроме того, есть вари-
анты TVS-диодов, у которых по сравнению со стабилитронами соб-
ственная емкость меньше и не так модулируется внешним напряже-
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика двухполярного TVS-диода
Таблица 4. Коммерчески доступные серии TVS-диодов компании BOURNS
Наименование серии	Пиковая мощность, Вт	Рабочее пиковое обратное напряжение Vrmm> В	Минимальное напряжение пробоя VBR, В	Типовая емкость Ст при частоте 1МГц, пФ	Корпус
SMF4L	400	12-58	13,3-64,4		SOD-123FL
SMF4L-Q	400	12-58	13,3-64,4		SOD-123FL
SMAJ	400	5-495	6,4-522		SMA
SMAJ-Q	400	8,5-58	9,44—64,4		SMA
SMBJ	00	5-495	6,4-522		SMB
SMBJ-Q	600	12-58	13,3-64,4		SMB
SMCJ	1500	5-495	6,4-522		SMC
SMCJ-Q	1500	12-58	13,3-64,4		SMC
SMLJ	3000	5-170	6,4-189		SMC
SMLJ-Q	3000	12-58	13,3-64,4		SMC
5.0SMDJ	5000	5-170	6,4-189		SMC
5.0SMDJ-Q	5000	12-43	13,3-52,8		SMC
SM8S-Q	6600	16-43	17,8-47,8		DO-218
SM8SF-Q	7000	24-36	26,7-40		DFN
P4SMA	400	5,8-495	6,8-550		SMA
P6SMB	600	5,8-495	6,8-550		SMB
1.5SMC	1500	5,8-495	6,8-550		SMC
CD0201-T20C		20	22,8	10	0603
CDDFN2-T3.3B		3,3	4 В при 1 мА	13,5	DFN2
CDDFN2-T5.0LC		5	7	0,5	SOD323
CDSOD323-TxxC		3,3-24	4-26,7	3	SOD323
CDSOD323-T12C-DSLQ		12	13,3	3	SOD323
CDSOD323-T24C-DSLQ		24	26,7	3	SOD323
CDSOD323-TxxC-DSL		12-24	13,3-26,7	3	SOD323
CDSOD323-TxxLC		5-24	6-26,7	1	SOD323
CDSOD323-TxxSC		3,3-36	4-40	40-500	SOD323
CDSOD323-T05S-Q		5	6	250	SOD323
Примечание. Назначение суффиксов: С — двунаправленный диод;
DSL — низкий ток утечки; Q — соответствует требованиям AEC-Q101
(дискретные полупроводниковые компоненты для автомобильного оборудования).
нием. Хотя в этом они проигрывают диодам Шоттки, но выигрывают
по напряжению ограничения. Компания BOURNS предлагает диоды
для подавления переходных напряжений для защиты от импульсных
перенапряжений и защиты от электростатических разрядов, соответ-
ствующие стандартам IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 и IEC 61000-4-5.
Поскольку основными потребителями TVS-диодов являются рынки
устройств портативной связи, вычислительной и видеоаппаратуры,
они бросают вызов полупроводниковой промышленности для раз-
работки все более компактных электронных компонентов. Однако
проблема в том, что сегодня разработчики таких компактных элек-
тронных систем сталкиваются с ограниченным пространством на пла-
те, что обусловливает потребность в альтернативных технологиях
корпусирования. Чтобы занять свою нишу на рынке с учетом акцента
на миниатюризацию, компания BOURNS предложила собственные
варианты чин-диодов с минимальными затратами на корнусирование
и обработку. Естественно, все TVS-диоды компании соответствуют
директиве RoHS, как бы мы, разработчики, к ней ни относились [5],
и стандартам JEDEC, так что с ними легко работать на стандартном
оборудовании для их захвата и размещения, а плоская конфигурация
сводит к минимуму опрокидывание при установке.
В настоящее время коммерчески доступны следующие серии TVS-
диодов (табл. 4), а полные данные представлены в соответствующих
спецификациях, доступных через гиперссылки в [7].
Кроме дискретных TVS-диодов, компанией BOURNS предлагают-
ся, как уже было сказано, диодные TVS-матрицы [8], но их рассмо-
трение выходит за рамки настоящей статьи. Практический пример
использования TVS-диода как элемента защиты от разрядов статиче-
ского электричества и ЭМП можно посмотреть в [4].
Варисторы
Защита от электростатического разряда портов аппаратуры,
предлагаемая компанией BOURNS, основана на технологии мно-
гослойного варистора (MLV) из оксида цинка ChipGuard (рис. 5).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
элементы защиты КОМПОНеНТЫ
61
Рис. 5. Многослойный варистор — металлооксидный варистор серии ChipGuard
компании BOURNS
Таблица 5. Коммерчески доступные варисторы серии ChipGuard компании BOURNS
Наименова- ние серии	Технология	Номинальное рабочее напряжение, В	Область применения	Стандарты
CG0201MLA	Многослойный варистор	5,5	Общего назначения	IEC 61000-4-2
CG0201MLC	Тонкопленочный, полимерный	5	Общего назначения, высокоскоростные порты, требующие низкой емкости	IEC 61000-4-3
CG0402MLA/ CG0603MLA	Многослойный варистор	5,5; 14; 8; 26	Общего назначения	IEC61000-4-2
CG0402MLC/ CG0603MLC	Тонкопленочный, полимерный	3,3; 5; 12; 24	USB 3.0/USB OTG, HDM11.4, DVI или1ЕЕЕ1394	IEC61000-4-2
CG0402MLD/ CG0603MLD	Многослойный варистор	12	10/100 b Ethernet, LAN	IEC61000-4-2
CG0402MLE/ CG0603MLE		12	RS232, RS485, USB 1.0, USB 1.1	IEC61000-4-2
CG0402MLU/ CG0603MLU	M-GAP	3,3; 5; 12; 24	USB 3.0/USB OTG, HDM11.4, DVI или1ЕЕЕ1394	IEC61000-4-2
CG0805MLA	Многослойный варистор	5,5; 18	Общего назначения	IEC61000-4-2
CG1206MLC	Тонкопленочный, полимерный	12	USB 3.0/USB OTG, HDM11.4, DVI или1ЕЕЕ1394	IEC61000-4-2
CGA0402MLC/ CGA0603MLC	Тонкопленочный, полимерный	5; 12; 24	Автомобильные: камеры, датчики, сенсорные экраны и панели, GPS, антенны, USB 3.0, High-Speed высокоскоростные шины	IEC 61000-4-3, AEC-Q200
CGA0603MLA/ CGA0805MLA/ CGA1206MLA	Многослойный варистор	16-56		
Эта технология обеспечивает отличные элек-
трические характеристики и конкурентное
решение для многих приложений, требую-
щих защиты от ESD. Многослойные вари-
сторы соответствуют самым высоким нор-
мативам стандартов в части обеспечения
помехоустойчивости к высокочастотным
наводкам благодаря присущей им высокой
линейности вольт-амперных характеристик.
Они не оказывают воздействия на систем-
ные шины, которые их просто не замечают,
в то время как полупроводниковые диоды-
супрессоры могут вызывать потерю мощно-
сти полезного сигнала из-за нелинейности их
вольт-амперной характеристики [4] и в неко-
торых случаях оказать влияние на помехо-
устойчивость.
Дело в том, что многослойный варистор
имеет пороговое напряжение, до достиже-
ния которого его начальное сопротивление
высокое, например 120 МОм для семейства
CG0603MLC. По мере увеличения напряже-
ния сопротивление уменьшается с резуль-
тирующим экспоненциальным повыше-
нием тока. Это позволяет устранить пере-
напряжение в цепи, которую он защищает,
а вся энергия рассеивается в таком защит-
ном устройстве. Как только электрическое
возмущение прошло, варистор вернется
в свое выключенное состояние с высоким
сопротивлением.
Что касается линий передачи, здесь про-
блемой становится емкость защитного
устройства. Последовательное сопротив-
ление с емкостью нагрузки создает фильтр
первого порядка, который замедляет рост
и спад фронтов импульсов. Снижению
эффективного последовательного сопро-
тивления помогает разводка печатной пла-
ты с более широкими размерами дорожек
и утяжелением меди, но максимальное по-
ложительное влияние оказывает снижение
эффективной емкости. Многослойный
варистор CG0603MLC-xxE разработан для
обеспечения сверхнизкой емкости 0,05 пФ
при минимальном токе утечки. С таким
варистором можно строить защиту линий
со скоростью передачи 1 Гбит/с и выше.
А для коммуникационных приложений
с более низкими скоростями до 480 Мбит/с
можно рассмотреть использование эконо-
мичного семейства CG0603MLD-xxE, кото-
рое отличается более высокой максималь-
ной емкостью 5 пФ.
Варисторы серии ChipGuard, предназначен-
ные для защиты входов аппаратуры от ESD,
обеспечивает высокую мощность импульс-
ного тока 20 А при воздействии 8/20 мкс даже
в сверхмалом форм-факторе 0402. Перечень
таких варисторов приведен в таблице 5, а пол-
ные данные представлены в соответствующих
спецификациях, доступных через гиперссыл-
ки в [12].
Примеры типового использования вари-
сторов серии ChipGuard для защиты порта
HDMI, USB 2.0 и коаксиального VHF/UHF-
порта приведены на рис. 6-8 соответственно,
а информация по защите шин CAN и FlexRay
доступна в [11].
Что касается ассортимента продукции
в части силовых металлооксидных вари-
сторов MOV, которые большей частью ис-
пользуются для защиты линий питания,
компания BOURNS предлагает объемные
выводные варисторы диаметром 7 и 10 мм,
предохраняющие устройства от воздействия
таких наведенных перенапряжений, как удар
молнии, контакт с цепью электропитания
и переходные процессы, связанные с комму-
тацией индуктивных нагрузок. Эти устрой-
ства имеют высокую управляемость по току,
высокую способность к поглощению энер-
гии и быстрое время отклика для защиты
от кратковременных неисправностей до уста-
новленных для них номинальных пределов
нагрузок. Перечень таких варисторов при-
веден в таблице 6, а полные сведения — в со-
ответствующих спецификациях, доступных
VCC +5V
TMDS_D2+
TMDS D2-
TMDS D1 +
TMDS D1-
TMDS GND
HDMI-коннектор
TMDS D0+
TMDSDO-
TMDS DCLK+
TMDS DCLK-
TMDS GND
MF-FSMF020X-2
Ж
CG0402MLU-05G
ss
CG0402MLU-05G
HDMI
ASIC
Многослойный варистор
CG0402MLU-05G
HEC+
HEC-
CG0402MLU-05G
Полу-
дуплексный
Ethernet
Самовосстанавливающийся
предохранитель
MF-FSMF020X-2
Рис. 6. Типовая организация ESD-защиты интерфейса HDMI на элементах CG0402MLU-05G серии ChipGuard
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
компоненты элементы защиты
Самовосстанавливающийся Многослойный
предохранитель
MF-NSMF075-2
варистор
CG0603MLC-05LE
Рис. 7. Типовая организация ESD-защиты интерфейса USB 2.0 на элементах CG0603MLC-05LE серии ChipGuard
ВЧ-вход,
50 Ом
Многослойный
варистор
CG0402MLU-12G
Многослойная
индуктивность
CS160808-68NK
Рис. 8. Типовая организация ESD-защиты VHF/UHF порта на элементе CG0402MLU-12G серии ChipGuard
Таблица 6. Коммерчески доступные серии силовых объемных MOV-варисторов компании BOURNS
Наименование серии	Номинальное напряжение, В	Допустимое отклонение, %	Макс, напряжение срабатывания, длительное, В		Рассеиваемая мощность, Вт	Макс, время срабатывания, нс
			АС	DC		
MOV-07DxxxK	18-820	±10	11-510	14-675	0,25	25
MOV-WDxxxK	18-820	±10	11-510	14-675	0,4	25
M0V-14DxxxK	18-1800	±10	11-1100	14-1465	0,6	25
MOV-20DxxxK	18-1800	±10	11-1100	14-1465	1	25
через гиперссылки в [9]. На линиях данных
они, из-за присущей им высокой емкости,
могут использоваться только в ограничен-
ных случаях.
Компания BOURNS стремится постоянно
развивать каждую линию продукции в своем
портфеле устройств, предназначенных для
защиты аппаратуры от повреждений, вы-
званных скачками напряжения, порожден-
ными теми или иными причинами — разря-
дами статического электричества, наводками
от внешних источников или переходными
процессами, например при включении/вы-
ключении мощных индуктивных нагрузок.
Москва,105275
ул. Уткина Дом 40
ОАО ТЕХНО
Реклама
X
XKTRONIC
Продукты компании предоставляют новую
интегрированную компонентную техноло-
гию высокой плотности в небольших раз-
мерах для высокоскоростных коммуникаци-
онных приложений. Важные преимущества
для клиентов включают расширенные воз-
можности снижения затрат и повышения
производительности для широкого спектра
рынков и приложений.
Литература
1.	Рентюк В. Что нужно знать об испытаниях
на выполнение требований по ЭМС для изде-
Тел.: (495)735-44-29
Факс: (495)735-44-28
http://www.techno.ru
Новая паяльная станция LF-3300
Микропроцессорное управление
Сенсорный экран управления
Температурный диапазон +100...+500 °C
Мощность паяльника -180 Вт
Температурная стабильность ±2 °C
Энергосберегающий режим
Антистатическое исполнение
Оптимальный выбор для ремонтных работ
лий коммерческого назначения // Компоненты
и технологии. 2017. № 7.
2.	Circuit Protection Selection Guide, 2005. BOURNS.
www.pdf.directindustry.com/pdf/boums/circuit-
protection-selection-guide/11910-40717.html
3.	CDSOD323-TxxLC — TVS Diode Series,
REV. 01/18. www.bourns.com/docs/product-
datasheets/cdsod323-txxlc.pdf?sfvrsn=e844056f8
4.	Рентюк В. Преимущества, особенности при-
менения и проблема выбора кремниевых за-
щитных элементов для высокоскоростных
интерфейсов // Компоненты и технологии.
2017. № 10.
5.	Рентюк В. RoHS-директива: защита экологии
или рынков? // Технологии в электронной про-
мышленности. 2013. № 5.
6.	ChipGuard MLU Series — ESD Protectors,
REV. К 11/18. www.bourns.com/docs/product-
datasheets/mlu.pdf?sfvrsn= 1940d498_26
7.	TVS Diodes, www.bourns.com/products/diodes/
tvs-diodes
8.	Diode Arrays, www.boums.com/products/diodes/
diode-arrays
9.	Metal Oxide Varistors (MOV), www.bourns.com/
products/circuit-protection/metal-oxide-varistor-
smov
10.	ChipGuard ESD Suppressors, www.boums.com/
products/circuit-protection/chipguard-esd-
suppressors
11.	Рентюк В. Керамические ограничители бро-
сков напряжения TDK-EPCOS для шин CAN
и FlexRay // Компоненты и технологии. 2018.
№4.
12.	Bourns Introduces GMOV Overvoltage Protection
Line Engineered to Address Reliability and Safety
Limitations of MOVs Alone, www.bourns.com/
news/press-releases/pr/2019/04/29/bourns-
introduces-gmov-overvoltage-protection-line-
engineered-to-address-reliability-and-safety-
limitations-of-movs-alone
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
₽OURNS‘
qjviov
тм
Инновационный гибридный дизайн
На защите ваших устройств

GM0V™ представляет собой компактный компонент
для защиты входных цепей питания по напряжению.
Компонент создан путём комбинирования запатенто-
ванной Bourns технологии FLAT™GDT (Gas Discharge
Tube — газоразрядник) и дискового варистора
размерами 14 и 20 мм. Технически, компонент
представляет собой последовательно соединённые
металлооксидный варистор и газовый разрядник,
изготовленный по технологии FLAT™ GDT, собранные
в корпусе, который сопоставим по размерам
с корпусом варистора 14 или 20 мм соответственно.
Реклама
Symmetron
МОСКВА	САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
Ленинградское шоссе, д. 69, к. 1 ул. Таллинская, д. 7
Тел.: +7 495 961-20-20	Тел.: +7 812 449-40-00
moscow@symmetron.ru	spb@symmetron.ru
www.symmetron.ru
www.symmetron.ru/GMOV
Техподдержка: bourns@symmetron.ru
НОВОСИБИРСК
ул. Блюхера, д. 716
Тел.: +7 383 361-34-24
sibir@symmetron.ru
МИНСК
ул. В. Хоружей, д. 1а, оф. 403
Тел.: +375 17 336-06-06
minsk@symmetron.ru
64
КОМПОНеНТЫ элементы защиты
Комбинированный варистор
компании BOURNS —
эффективное решение проблемы
защиты оборудования
Владимир РЕНТЮК
Rvk.modul@gmail.com
Проводные системы в индустриальной сфере останутся еще долгое время
востребованными, причем для передачи не только питания, но и данных.
В случае последних это связано с простотой их инсталляции, несложной
инфраструктурой и с тем, что такие линии в консервативной по отношению
к новшествам индустриальной среде уже зачастую проложены и менять их
нецелесообразно. Дополнительным аргументом в их пользу стало внедре-
ние технологии передачи питания по сигнальному кабелю — PoL (Power
of Ethernet). Однако при использовании проводных систем, особенно про-
тяженных и проходящих вне зданий, разработчики сталкиваются с необ-
ходимостью организации должной защиты для конечного оборудования.
Причем кроме традиционной защиты от воздействия внешних электромаг-
нитных помех (ЭМП), статического электричества, часто необходима и за-
щита от ударов молний. В предлагаемой статье основное внимание будет
сосредоточено на элементах компании BOURNS, обеспечивающих защиту
от высокоскоростных наведенных переходных процессов.
Подключенное оборудование, тем бо-
лее индустриальное, работающее
в жестких условиях окружающей
среды, подвержено самым разнообразным
негативным воздействиям. В их числе воз-
можность повреждения от скачков напря-
жения, вызванных разрядами статического
электричества, наводками от внешних источ-
ников или переходными процессами — на-
пример, при включении/выключении мощ-
ных индуктивных нагрузок или наведенной
помехи от удара молнии.
Что касается молний, в этом случае мы
имеем ситуацию, показанную на рис. 1.
При этом оборудование подвергается воз-
действиям на уровне кА/кВ. И хотя время
воздействия молнии слишком коротко и со-
ставляет микросекунды, такое влияние мо-
сггура
Коммуникация ввода
силовых
цепей
цепей
заземления
сигнальных
цег
Сигнальная линия
низковольтной
электрической сети
полный L1
L2
L3
PEN

Сигнальная
_____линия
технической
информационной
сети
Рис. 1. Характерный пример различных причин повреждения здания и распределения тока молнии внутри системы по ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 (IEC 62305-4:2010).
Причина повреждения: S1 — удар в здание; S2 — удар вблизи здания; S3 — удар в коммуникации, связанные со зданием; S4 — удар вблизи коммуникаций, связанных со зданием
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
элементы защиты КОМПОНеНТЫ
65
жет привести к катастрофическим последствиям [1]. Например, по-
следствия отказа линии передачи, вызванного молнией, могут быть
даже более угрожающими для телекоммуникационной системы или
полевых датчиков, чем сама молния, ударившая в здание.
Задача защиты — предотвращать или сводить к минимуму ущерб,
вызванный скачком напряжения, сама система должна срабатывать
безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое обо-
рудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее со-
стояние с минимальным перерывом по времени. При этом при от-
сутствии возмущающих воздействий защита не должна мешать нор-
мальному функционированию системы, то есть должна сохраняться
целостность сигнала.
Основными стандартами, на которые необходимо ориентировать-
ся при проектировании продукции и анализе рисков в рассматривае-
мом контексте, являются ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 «Защита от мол-
нии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри
зданий и сооружений» (стандарт идентичен международному стан-
дарту IEC 62305-4:2010 Protection against lightning — Part 4: Electrical
and electronic systems within structures, IDT) и ГОСТ IEC 60950-21-2013
«Оборудование информационных технологий. Требования безо-
пасности. Часть 21. Удаленное электропитание» (идентичен меж-
дународному стандарту IEC 60950-21:2002 Information technology
equipment — Safety — Part 21: Remote power feeding).
Если рассматривать основные доступные нам защитные элементы,
то мы можем выделить два их основных вида с типовыми характери-
стиками, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения
Параметр	Газовые разрядники	Варисторы, объемные
Уровень пиковых токов	высокий	высокий
Минимальное напряжение включения, В	75	6
Точность напряжения включения	низкая	низкая
Эффективность ограничения выбросов напряжения	средняя	средняя
Типовая емкость, пФ	~1,5	-1400
Соотношение «пиковый ток/габариты»	низкое	высокое
Время срабатывания	большое	большое
Если рассмотреть эти типы защитных элементов, то мы увидим
следующее.
Газовые разрядники (Gas Discharge Tubes, GDT) создают квазикорот-
кое замыкание по линии, когда при перенапряжении достигается иони-
зация наполняющего их газа, потом они снова возвращаются к состоя-
нию высокого импеданса. Эти надежные устройства имеют самый вы-
сокий рейтинг по импульсному току в сочетании с малой собственной
емкостью, что делает их весьма привлекательными для защиты линий
любых типов, в том числе и современных высокоскоростных цифро-
вых линий. Последнее благодаря минимально вносимой емкости.
Объемные силовые металлоксидные (Metal Oxide Varistor MOV)
варисторы выполнены на основе оксида цинка (ZnO) с небольшим
содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов, обра-
зующих микрогранулы. В местах соприкосновения микрогранул ва-
ристора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул
в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия
значительно превышает энергию, которая может пройти через еди-
ничный р-и-переход в диодах или поглотиться в газовом разряднике.
В процессе прохождения тока через варистор весь протекающий заряд
равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, коли-
чество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую
зависит от его объема и может достигать больших величин. Однако
такие варисторы подвержены временной деградации и имеют очень
высокую собственную емкость, которая не позволяет использовать их
для защиты современных высокоскоростных цифровых линий.
Деградация и связанный с ней катастрофический отказ могут про-
изойти, если MOV подвергается переходным скачкам или условиям
временного перенапряжения (temporary overvoltage, TOV), превыша-
ющим его максимально допустимые характеристики. Срок службы
Покрытие: эпоксидная смола
Рис. 2. Гибридный компонент для защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS
MOV определяет время разгона, необходимое для достижения усло-
вия теплового равновесия. Нарушение этой характеристики приво-
дит к катастрофическому отказу — короткому замыканию, обрыву
цепи или некоторому остаточному линейному сопротивлению, на-
гружающему защищаемую им линию. В отдельных случаях MOV
может стать пожароопасным, что потребует дополнительных компо-
нентов в виде плавких или самовосстанавливающихся предохраните-
лей. Такие события, как скачки напряжения вследствие близкого уда-
ра молнии или переходные процессы, превышающие номинальные
значения тока MOV, могут начать снижать напряжение ограничения
варистора. Это в свою очередь приводит к увеличению тока утечки
в режиме ожидания/выключения, нагреву и росту потерь. Кроме
того, повышенные скачки напряжения в системе (TOV), применя-
емые в течение периодов времени, превышающих микросекунды,
могут привести к физическим и химическим изменениям в пределах
границ зерен MOV. С уменьшенным напряжением варистора, по-
вышенной утечкой и сниженной способностью рассеивать тепло,
вызванное этими событиями, MOV с большой долей вероятности
начнет перегреваться, тем самым заканчивая свой срок эксплуатации.
Компания BOURNS смогла найти решение проблем, связанных
с использованием традиционных объемных варисторов. Ее инжене-
рам удалось соединить в одном устройстве положительные свойства
газового разрядника и объемного варистора. Это проприетарное ре-
шение было представлено в апреле 2019 года в виде инновационной
линейки гибридных двунаправленных компонентов защиты от пере-
напряжения под торговым названием GMOV [2]. В этом продукте
инженеры компании объединили инновационную и компактную
газоразрядную трубку (GDT) Bourns с технологией FLAT с MOV [3].
Результаты можно увидеть на рис. 2.
Эта линейка продуктов дает разработчикам компактную и улуч-
шенную защиту от перенапряжения, а сам новый элемент являет-
ся заменой для стандартных 14- и 20-мм объемных варисторов [4],
но по сравнению с традиционными технологиями предлагает целый
ряд преимуществ (табл. 2).
Новое семейство GMOV — это наилучшее в настоящее время реше-
ние для защиты, которое может поглощать высокую энергию, прак-
Таблица 2. Сравнение доступных технологий защиты
с комбинированной GMOV (GDT + MOV)
Технология	Напряжение ограничения	Ток утечки	Старение/ деградация	Реакция на 30% перенапряжение
130 В MOV	340	Большой	Значительная	Возможно возгорание
275 BMOV	710	Хороший	Небольшая	Повышение тока утечки
130 В MOV + полимерный предохранитель	340	Большой	Значительная	Возможно возгорание
GDT + MOV	-360	Минимальный	Минимальная	Незначительная
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
66
КОМПОНеНТЫ элементы защиты
Рис. 3. Характеристика срабатывания GMOV
Таблица 3. Коммерчески доступные гибридные устройства защиты от перенапряжения GMOV компании BOURNS
Наименование серии	Максимальное напряжение срабатывания, длительное, В		Собственная емкость, пФ (макс., 1 МГц)	ТОК» 'max (8/20 мкс), кА	Поглощаемая энергия, Дж	Диаметр, мм
	переменного тока	постоянного тока				
GMOV14D	45-320	56-415	4	6	24-180	14
GMOV20D	45-320	56-415	4	10	49-360	20
тически не вносит емкость и сопротивление
в линию, а кроме того, позволяет преодолеть
проблемы деградации и катастрофических
сбоев, способных возникнуть в дискретных
MOV в том случае, если они подвержены кра-
тковременным скачкам напряжения, превы-
шающего их максимальные номинальные
значения, или более длительному по времени
воздействию допустимого перенапряжения.
Газоразрядная трубка GDT используется
для изоляции MOV от напряжения в линии,
поэтому он срабатывает лишь по мере необ-
ходимости и защищает аппаратуру от пере-
ходных процессов и скачков временного пере-
напряжения, которые обычно со временем
приводят к его повреждению. Еще одним пре-
имуществом объединения обеих технологий
является то, что устройство GMOV обеспечи-
вает сверхнизкий ток утечки, не превышаю-
щий 0,1 мкА, тем самым уменьшая энергети-
ческие потери, и не вносит рассогласования
в линию. Что касается емкости, в этой по-
следовательной конфигурации компоненты
MOV и GDT имеют емкостную связь; учиты-
вая малую собственную емкость газоразряд-
ной трубки, общая емкость такого гибридно-
го варистора не превышает 4 пФ. Результатом
является более надежное защитное решение
практически с нулевым энергопотреблением
в режиме ожидания и гарантией целостности
высокоскоростных сигналов.
В условиях низких частот ограничение на-
пряжения компонента GMOV будет равно
сумме ограничения напряжения отдельных
компонентов MOV и GDT. В условиях вы-
сокоскоростного линейного изменения на-
пряжения ситуация иная. При воздействии
высокоскоростного линейного изменения
напряжения, подобного тому, что происхо-
дит во время удара молнии или переходного
Таблица 4. Электрические характеристики продуктов GMOV
Артикул	Рабочие характеристики				Защитные характеристики				
	Макс, рабочее напряжение, В		Макс, ток утечки, мкА	Макс, емкость, пФ	Номин. ток, А	Макс, ток, А	Класс защиты по току (1) IEC 61051-1	Время сраба- тывания, мкс	Энергия, Дж
	V wrms	vdc	Arms	1МГц	15 Ops.	Юр.	Тип.		8/20 мкс
GMGV-14D450K	45	56	<1	4	3000	6000	150	0,3	24
GMGV-14D500K	50	65	<1	4	3000	6000	150	0,3	27
GMGV-14D650K	65	85	<1	4	3000	6000	185	0,3	33
GMGV-14D950K	95	125	<1	4	3000	6000	270	0,3	53
GMOV-14D111K	115	150	<1	4	3000	6000	320	0,3	60
GMOV-14D131K	130	170	<1	4	3000	6000	360	0,3	70
GMOV-14D141K	140	180	<1	4	3000	6000	380	0,3	78
GMOV-14D151K	150	200	<1	4	3000	6000	420	0,3	84
GMOV-14D171K	175	225	<1	4	3000	6000	470	0,3	99
GMOV-14D231K	230	300	<1	4	3000	6000	620	0,3	130
GMOV-14D251K	250	320	<1	4	3000	6000	675	0,3	140
GMOV-14D271K	275	350	<1	4	3000	6000	730	0,3	155
GMGV-14D301K	300	385	<1	4	3000	6000	800	0,3	175
GMOV-14D321K	320	415	<1	4	3000	6000	875	0,3	180
GMGV-20D450K	45	56	<1	4	5000	10000	150	0,3	49
GMGV-20D500K	50	65	<1	4	5000	10000	150	0,3	56
GMGV-20D650K	65	85	<1	4	5000	10000	185	0,3	70
GMGV-20D950K	95	125	<1	4	5000	10000	270	0,3	106
GMGV-20D111K	115	150	<1	4	5000	10000	320	0,3	130
GMGV-20D131K	130	170	<1	4	5000	10000	360	0,3	140
GMGV-20D141K	140	180	<1	4	5000	10000	380	0,3	155
GMGV-20D151K	150	200	<1	4	5000	10000	420	0,3	168
GMGV-20D171K	175	225	<1	4	5000	10000	470	0,3	190
GMGV-20D231K	230	300	<1	4	5000	10000	620	0,3	255
GMGV-20D251K	250	320	<1	4	5000	10000	675	0,3	275
GMGV-20D271K	275	350	<1	4	5000	10000	730	0,3	305
GMGV-20D301K	300	385	<1	4	5000	10000	800	0,3	350
GMGV-20D321K	320	415	<1	4	5000	10000	875	0,3	360
процесса, связанного с коммутацией индук-
тивной нагрузки, большая часть линейно-
го изменения напряжения сначала появля-
ется на GDT из-за его относительно низкой
емкости по сравнению с MOV. Когда GDT
ионизируется, он заряжает емкость MOV,
который начинает ограничивать напряже-
ние и входить в зону проводимости. Когда
варистор полностью перейдет в проводимое
состояние, то объединенное ограничение на-
пряжения пары будет приблизительно равно
напряжению ограничения MOV. Тем не ме-
нее во время полной проводимости сопро-
тивление MOV все еще достаточно, чтобы
ограничить последующий ток для GDT, что
позволяет отключать и сбрасывать GMOV.
Процесс включения и удержания GMOV
представлен на рис. 3.
Характеристики защиты компонен-
тов GMOV определяются защитой перед-
него уровня Vfp (Front Protection Level)
и уровнем ограничения напряжения (Vc).
Напряжение Vfp измеряется с 10% пикового
тока в соответствии с IEC 61051-1. Следует
отметить, что Vfp является событием очень
короткой продолжительности, его длитель-
ность не превышает 0,3 мкс и представля-
ет собой короткое время, необходимое для
включения GDT. В свою очередь, напряже-
ние Vc (Clamping Voltage) определяется как
уровень напряжения ограничения GMOV,
который является суммой напряжения огра-
ничения MOV и напряжения GDT во вклю-
ченном состоянии. Напряжение Vc возникает
после перехода компонента GMOV в полно-
стью включенное состояние.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
элементы защиты КОМПОНеНТЫ
67
В настоящее время продукты GMOV предлагаются в 14- и 20-мм вер-
сиях со среднеквадратичным значением в диапазоне 45-320 В. Сегодня
доступны две серии указанных приборов (табл. 3). Развернутые харак-
теристики приведены в табл. 4, а полные данные указаны в соответ-
ствующих спецификациях, доступных через гиперссылки в [5].
Области применения GMOV компании BOURNS: защита линии
напряжения переменного тока, бытовая техника, линии связи, си-
стемы дымовой сигнализации, дорогостоящие потребительские то-
вары, в качестве стандартных защитных устройств для выполнения
требований UL1449, для защиты линии напряжения постоянного
тока, в солнечных инверторах, источниках питания, в системах рас-
пределения питания.
Гибридные устройства защиты от перенапряжения GMOV ком-
пании BOURNS можно использовать во всех основных сегментах
рынка, таких как промышленные, потребительские, медицинские
(низкий/средний уровень риска)1 и связь. Примеры применения ком-
понентов GMOV включают устройства защиты от импульсных пере-
напряжений, сетевые фильтры, бытовые приборы, зарядные устрой-
1 Примите во внимание, что продукты компании BOURNS не рассчитаны на использование в критических
для жизни человека медицинских приложениях, а также в любых других приложениях, где отказ или
неисправность продукта компании может привести к травме или смерти.
ства, оборудование для солнечной энергетики, устройства с питани-
ем через линии передачи данных, например технологии РоЕ. Таким
образом, практически любое приложение, работающее от источни-
ков напряжения переменного или постоянного тока, может исполь-
зовать компонент GMOV для защиты от перенапряжения.
Литература
1.	Circuit Protection Selection Guide 2005, BOURNS, www.pdf.directindustry.
com/pdf/bourns/circuit-protection-selection-guide/11910-40717.html
2.	Bourns Introduces GMOV Overvoltage Protection Line Engineered to Address
Reliability and Safety Limitations of MOVs Alone, www.bourns.com/news/
press-releases/pr/2019/04/29/bourns-introduces-gmov-overvoltage-
protection-line-engineered-to-address-reliability-and-safety-limitations-of-
movs-alone
3.	GMOV Hybrid Overvoltage Protection Component Introduction, www.boums.
com/docs/technical-documents/technical-library/gmov/Bourns_GMOV_
Brochure.pdf
4.	10. Metal Oxide Varistors (MOV), www.bourns.com/products/circuit-
protection/metal-oxide-varistor-smov
5.	GMOV Components, www.bourns.com/products/circuit-protection/gmov
КОМПОНЕНТЫ ЗАЩИТЫ
ИНДУКТИВНОСТИ
ДАТЧИКИ И ЭНКОДЕРЫ
РЕЗИСТОРЫ
MOURNS
Reliable Electronic Solutions
ПОДСТРОЕЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Реклама
Офисы в Москве: м. Молодежная, ул. Ивана Франко, 40, стр. 2, (495) 97 000 99, info@platan.ru;
м. Электрозаводская, Семеновская наб., д. 3/1, к. 5 (495) 744 70 70, platan@platan.ru
Офис в Санкт-Петербурге: ул. Зверинская, 44, (812) 232 88 36, baltika@platan.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
68
компоненты интерфейсы
Новая микросхема
приемника разовых команд
ОАО НПО «Физика»
Андрей ВЛАСОВ
fizikapribor@gmail.com
НПО «Физика» имеет большой опыт выпуска микросборок 16-каналь-
ных приемников разовых команд с гальванической развязкой в метал-
лостеклянных корпусах. Однако не для всех применений требуется галь-
ваническая развязка, иногда наиболее важным критерием при выборе
электронного компонента становятся его габаритные размеры. Поэтому
предприятие выпустило микросхему 8-канального приемника разовых
команд в миниатюрном металлокерамическом корпусе.
На современном летательном аппарате помимо интерфейсов
по стандартам ARINC-429, MIL-STD-1553b и Ethernet для
управления и приема данных от различных механизмов
применяются дискретные сигналы «27 В/обрыв» и «корнус/обрыв»
(discrete-to-digital в зарубежной литературе). По ГОСТ 18977, данные
сигналы называются разовыми командами (РК). Они свидетельству-
ют о наличии или отсутствии контакта борта самолета с управля-
Рис. 1. Схема входной цепочки и настройки порога
емым механизмом или могут использоваться для инициирования
какого-либо события.
Микросхема 1582ВЖ1Б-0049 имеет восемь входов, индивиду-
ально настраиваемых на тип разовой команды «27 В/обрыв» или
«корпус/обрыв». Особенностью микросхемы также является настра-
иваемый порог срабатывания, чье значение можно задать в соот-
ветствующем регистре. Значения уровней компарации приведены
в таблицах 1, 2. Порог срабатывания настраивается при помощи ре-
зистивного делителя, схема входной цепочки и настройки порога
приведена на рис. 1. Интерфейс микросхемы последовательный —
SPI, состояние аналоговых входов фиксируется во внутреннем сдви-
говом регистре в момент перехода сигнала SS из верхнего положения
в нижнее. Допускается каскадное подключение нескольких микро-
схем на один SPI-канал.
Сопротивление по аналоговым входам не менее 20 кОм. Питание
микросхемы 5 В, при этом цифровые входы допускают управление
сигналами с верхними логическими уровнями от 2,5 В. Ток потребле-
ния не превышает 3 мА.
Таблица 1. Установка порога
компаратора для РК «27 В/обрыв»
Значения полей регистра		Порог срабатывания, В
Н1	Н2	
0	0	7,5
1	0	12,5
0	1	17,2
1	1	21,2
Таблица 2. Установка порога
компаратора для РК «корпус/обрыв»
Значения полей регистра		Порог срабатывания, В
L1	L2	
0	0	0,4
1	0	1,3
0	1	2
1	1	2,8
ПК
Рис. 2. Структурная схема отладочной платы Discrete-to-Digital-001
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
интерфейсы КОМПОНеНТЫ
69
Микросхемы выпускаются в 16-контакт-
ных корпусах QFP Н04.16-1В (7,4x7,8x3 мм)
и LCC 5119.16-А (7,62x2,42 мм). Цоколевки
микросхем совпадают.
Для облегчения ознакомления с работой
новой микросхемы фирмой ООО «Физика-
Прибор» совместно с НПО «Физика» раз-
работана отладочная плата Discrete-to-
Digital-001, подключаемая к ПК по USB.
Плата позволяет управлять регистрами ми-
кросхемы приемника РК и считывать с нее
информацию. На плате установлено две
микросхемы 1582ВЖ1Б-0049, каскадно под-
ключенные по шине SPI, структурная схема
платы приведена на рис. 2. Приборная часть
устройства полностью гальванически развя-
зана от ПК: для формирования изолирован-
ного питания применяется преобразователь
TracoPower TMR 0511, а для развязки цифро-
вых сигналов — микросхема ADUM1201BRZ.
Такая схема применена для дополнительной
защиты USB-порта ПК от высоких напряже-
ний, которые теоретически могут появляться
по питанию «27 В» по ГОСТ 19705.
Платы предоставляются с прошитыми
микроконтроллерами Atmega328P и с про-
граммным обеспечением для ПК, разрабо-
танным в среде Lab VIEW. Связь с вирту-
альным COM-портом, который реализует
микросхема FT232RL, осуществляется драй-
вером VISA. Интерфейс программы взаимо-
действия с микросхемой проиллюстрирован
на рис. 3. Он позволяет настраивать пороги
срабатывания, тип принимаемой РК и на-
глядно наблюдать изменение состояния ана-
логовых входов на световых индикаторах.
Отечественная интегральная микросхема
1582ВЖ1Б-0049 должна стать удобным ана-
логом микросхем иностранных производи-
телей HI-8429, DD-03201 или вариантов при-
ема РК на большом количестве дискретных
компонентов, а отладочная плата (рис. 4) по-
может разработчику оценить возможности
данной микросхемы и принять решение о ее
применении.
Реклама
Рис. 3. Скриншот ПО взаимодействия с микросхемой
Рис. 4. Фотография отладочной платы Discrete-to-Digital-001
@ ОАО НПО "ФИЗИКА"
-	Приемопередатчики и контроллеры мультиплексного канала по ГОСТ Р 52070
-	Приемники и передатчики ARINC-429
-	Гальваническая развязка цифровых сигналов
-	Компоненты разовых команд
-	12-разрядные АЦП и ЦАП с последовательными и параллельными интерфейсами
-	16-разрядные преобразователи «угол-код» для СКВТ
-	Генераторы синуса	www.npofizika.ru
Тел. +7 (495) 381-34-22
117587, Россия, Москва, Варшавское шоссе, 125Ж, стр. 1
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
70
НОВОСТИ телекоммуникации
Первые в отрасли кристаллы с терабитной пропускной способностью,
поддержкой 400 GbE и FlexE
Компания Microchip заявила о том, что ее дочерняя фирма Microsemi впер-
вые в отрасли представила устройства Ethernet Physical-Layer (PHY) семей-
ства META-DX1 с уникальным набором функций. С помощью этих устройств
поставщики телекоммуникационных услуг получают возможность развора-
чивать сети, используя платформы для установления межсоединений и ком-
мутации, что снижает расходы, оптимизирует ширину полосы пропускания,
повышает пропускную способность, безопасность и гибкость.
В одном кристалле устройства META-DX1 объединены порты с пропускной
способностью 1—400 Gigabit Ethernet (GbE). Устройство поддерживает тех-
нологию Flexible Ethernet (FlexE), шифрование Media Access Control Security
(MACsec) и формирует метки времени с наносекундной точностью при тера-
битной емкости. В условиях роста трафиков гипермасштабируемых ЦОДов
отрасль переходит от использования стандарта 100 GbE на 400 GbE. Согласно
отчету Global Cloud Index компании Cisco, к 2021 году объем облачного тра-
фика ЦОД увеличится в четыре раза при среднегодовом темпе роста (CAGR)
выше 30%. Устройства META-DX1 позволят повысить емкость линейных
плат в четыре раза с 3,6 до 14,4 Тбит/с с помощью 36 портов 400 GbE или
144 портов 100 GbE при поддержке ключевых функций, необходимых по-
ставщикам услуг.
Механизм META-DX1 MACsec поддерживает безопасную отправку данных
из ЦОДа или помещений предприятий. Поставщики облачных и телекомму-
никационных услуг обеспечивают выполнение требований к производитель-
ности с помощью технологии FlexE. Как следствие, уменьшаются капитальные
вложения в производство оптоволоконных кабелей за счет оптимальной
конфигурации, преодолевающей недостатки современных Ethernet-каналов
с фиксированной скоростью передачи, и появляется возможность использо-
вать более экономичные решения. Водном решении META-DX1 объединены
функции MACsec и FlexE, что позволяет выйти на новый уровень масштаби-
рования межсоединений в ЦОДе (Data Center Interconnect, DCI).
Еще одно отличие новых устройств META-DX1 — наличие встроенного
гибкого матричного переключателя, благодаря чему ОЕМ-производители
могут вместо оборудования стандартов 25 Гбит/с NRZ и 56 Гбит/с РАМ выпу-
скать единое решение с поддержкой оптических модулей 100 GbE (QSFP28)
и 400 GbE (QSFP-DD). Поскольку формирование меток времени обеспечива-
ется с наносекундной точностью на каждом порту высокопроизводительного
устройства META-DX1, выполняются строгие требования, предъявляемые
к временному режиму мобильных базовых станций 5G.
www.microchip.com
£XILINX □ DEVICES ^7
LE/ПП,
CYPRESS
О Mini-Circuits
£3
УИУ.Х.УИ fe™SNTs
Комплексные поставки электронных компонентов максимально широкой номенклатуры. Мы работаем с
крупнейшими мировыми независимыми складами и поставляем продукцию любых производителей. Нашими заказчиками
являются ведущие промышленные предприятия России и СНГ, которые всегда получают:
-	возможность заказать практически любые электронные компоненты, в том числе труднодоступные и снятые с производства
-	лучшие цены на партию электронных компонентов благодаря регулярным и налаженным поставкам
-	минимальные сроки поставки (стандартно 1-2 недели)
-	взаимовыгодное сотрудничество на постоянной основе
Дистрибуция и информационная поддержка:
-	разъёмы Lemo, E-tec
-	высокочастотные приборы Mini-Circuits, Tai-Saw
-	фильтры и дуплексеры Tern well
-	трансформаторы Taehwatrans
-	реле Mors Smitt, Hongfa
-	оборудование для RFID технологий
-	силовая электроника Filtran
RFID технологии:
-	поставка комплектующих
-	установка, обучение и обслуживание
-	консультации
IT услуги:
-	разработка и внедрение CRM систем (www.icdbs.com)
-	создание и поддержка веб-сайтов
WTAL-fC
ООО «Витал Электронике»
web: www.vital-ic.com
mail: main@vital-ic.com
Санкт-Петербург
ул. Матроса Железняка 57-А
тел.: +7 (812) 325-97-92
факс: +7 (812) 325-97-93
Москва (представительство)
Лужнецкая наб., 2/4, стр. 19, оф. 119
тел.: +7 (495) 747-75-90
тел./факс: +7 (495) 540-67-82
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019

ПОВЫСИТЬ УДЕЛЬНУЮ
МОЩНОСТЬ БОЛЕЕ ЧЕМ НА 50%
ВЕСОМ POWER MODULES подходят для компактных разработок
	1,2, 3 и 6 Ампер
	Высокая удельная мощность
	Низкопрофильный корпус
	Малая площадь на плате
	Широкий диапазон рабочих температур
от-40 до 107 °C без снижения мощности
	КПД до 99%, радиатор не нужен!
	Сделаны в Европе
Доступны
отладочные
платы
контакт:
info@recom-power.com
телефон: +7(812)929 4990
Реклама
WE POWER YOUR PRODUCTS
www.recom-power.com/rpm
RECOM
72
компоненты плис
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 9.
Алгоритмические умножители
Валерий СОЛОВЬЕВ,
д. т. н.
valsol@mail.ru
Рассмотренные в предыдущей статье подходы к построению умножите-
лей относятся к структурным методам проектирования на языке Verilog.
При таком проектировании разработчик вручную выполняет синтез схе-
мы, а язык Verilog используется только для описания компонентов схемы
и соединения их между собой. Рассмотрим другой подход, предоставляе-
мый языком Verilog, для проектирования умножителей, когда поведение
устройства (алгоритм его функционирования) описывается с помощью
процедурных операторов.
Алгоритмические методы
реализации умножителей
Пусть необходимо построить умножи-
тель, реализующий операцию умножения
Р = А*В, где Ли В имеют одинаковую раз-
мерность N битов. Из литературы [1] из-
вестно четыре основных алгоритмических
метода построения умножителей (рис. 1).
В первом из них (рис. 1а) на каждой итера-
ции выполняется суммирование с накопле-
нием Р := Р+А' или Р := Р+0 в зависимости
от значения младшего разряда множителя,
где А' — частичное произведение, получае-
Рис. 1. Структурные схемы умножителей:
а) сдвиг множителя вправо, множимого влево, анализируется младший разряд множителя;
б) сдвиг множителя влево, множимого вправо, анализируется старший разряд множителя;
в) сдвиг множителя влево, аккумулятора влево, анализируется старший разряд множителя;
г) сдвиг множителя вправо, аккумулятора вправо, анализируется младший разряд множителя
мое сдвигом А влево на один разряд в каждой
итерации.
Функционирование умножителя со струк-
турой, показанной на рис. 1а, описывается
с помощью следующего алгоритма.
Алгоритм 1. «Школьный» метод умножения:
сдвиг множителя вправо, множимого влево,
анализируется младший разряд множителя:
1. Полагается i - О, Р = 0.
2.	Если i = N, то переход к и. 5.
3.	Если В[0] = 1, то выполняется Р := Р+А,
иначе выполняется Р := Р+0.
4.	Полагается В = В» 1, А := А « 1, i := z+1.
Переход к п. 2.
5.	Конец.
Данный алгоритм полностью соответ-
ствует школьному алгоритму умножения
«в столбик» двух чисел. Описание алгорит-
ма 1 на языке Verilog имеет следующий вид:
module algorithm_mult_a
#(parameter N=4)
(input [N-l:0] a,b,
output [2*N-l:0] p);
reg [N-l:0] rb;	//объявление промежуточных переменных
reg [2*N-l:0] ra,rp;
integer i;
// объявление переменной цикла
always @(*)
begin
га = a; // инициализация промежуточных переменных
rb = b;
rp = 0;
for (i=0; i<N; i=i+l) // основной цикл алгоритма умножения
begin
if (rb[O]) rp = rp + ra;
else	rp = rp + {2*N{ 1ЪО}};
rb = rb » 1; // сдвиг промежуточных переменных
га = га « 1;
end
end
assign p = rp; // формирование результата
endmodule
Процедурные операторы языка Verilog
работают только с переменными типа reg.
Поэтому здесь объявлены промежуточные
переменные га, rb и гр типа reg. Отметим,
что переменная га имеет размер 2N, посколь-
ку первоначальное содержимое множимо-
го А должно N раз сдвигаться влево на один
разряд. В блоке always вначале выполняет-
ся инициализация переменных га, rb и гр.
Затем циклически выполняется N итераций.
П,иклы реализуются с помощью операто-
ра for. На каждой итерации в зависимости
от значения rb[0] к аккумулятору гр либо до-
бавляется га, либо добавляются нули. Здесь
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
73
□ pt
Рис. 3. Результаты моделирования модуля algorithm_mult_a
нельзя опускать конструкцию else из-за опас-
ности автоматического введения синтезато-
ром защелок. Можно также записать
else
гр = гр;
но при этом появляется опасность введе-
ния обратных связей в комбинационную
схему. В конце каждой итерации выполня-
ется логический сдвиг множителя гр впра-
во и множимого га влево на один разряд.
Результаты синтеза и моделирования про-
екта algorithm_mult_a показаны на рис. 2, 3
соответственно.
Функционирование умножителя со струк-
турой, показанной на рис. 16, описывается
с помощью следующего алгоритма.
Алгоритм 2. Сдвиг множителя влево, мно-
жимого вправо, анализируется старший раз-
ряд множителя:
1.	Полагается i = О, Р = 0.
2.	Если i = N, то переход к и. 6.
3.	Полагается А := А » 1.
4.	Если B[N-1] = 1, то выполняется Р := Р+А,
иначе выполняется Р := Р+0.
5.	Полагается В = В « 1, i := z+1.
Переход к п. 2.
6.	Конец.
Отметим, что в данном алгоритме сдвиг
множимого А вправо на один разряд выпол-
няется до его добавления к произведению Р.
Описание алгоритма 2 на языке Verilog имеет
следующий вид:
module algorithm_mult_b
#(parameter N=4)
(input [N—1:0] a,b,
output [2*N-l:0] p);
reg [N-l:0] rb;
reg [2*N-l:0] ra,rp;
integer i;
always @(*)
begin
ra = {a,{N{l'bO}}}; 11 инициализация переменной га
rb = b;
rp = 0;
for (i=0; i<N; i=i+l)
begin
ra = ra » 1;
if (rb [N-l ]) rp = rp + ra;
else	rp = rp + {2*N{ I'bO}};
rb = rb « 1;
end
end
assign p = rp;
endmodule
Отметим особенности инициализа-
ции переменной га: в старшие разря-
ды помещается значение множимого,
а младшие разряды заполняются нулями.
Результаты синтеза и моделирования про-
екта algorithm_mult_b показаны на рис. 4, 5
соответственно.
Функционирование умножителя со струк-
турой на рис. 1в описывается с помощью сле-
дующего алгоритма.
Алгоритм 3. Сдвиг множителя влево, ак-
кумулятора влево, анализируется старший
разряд множителя:
1.	Полагается i = 0, Р = 0.
2.	Если i = N, то переход к и. 6.
3.	Полагается Р = Р « 1.
4.	Если B[N-1] = 1 , то выполняется Р = Р+А,
иначе выполняется Р = Р+0.
5.	Полагается В = В « 1, i := z+1.
Переход к п. 2.
6.	Конец.
В алгоритме 3 сдвиг произведения Р влево
выполняется перед добавлением к нему мно-
жимого А. Описание алгоритма 3 на языке
Verilog имеет следующий вид:
module algorithm_mult_c
#(parameter N=4)
(input [N-l:0] a,b,
output [2*N-l:0] p);
reg [N-l:0] ra,rb;
reg [2*N-l:0] rp;
integer i;
always @(*)
begin
ra = a;
rb = b;
rp = 0;
for (i=0; i<N; i=i+l)
begin
rp = rp « 1;	11 сдвиг произведения влево
if (rb[N-l]) rp = rp + {{N{l'b0}},ra};
else	rp = rp + {2*N{ 1 ’b0}};
rb = rb « 1;
end
end
assign p = rp;
endmodule
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
Результаты синтеза модуля algorithm_mult_c
на уровне регистровых передач полностью
совпадают с рис. 4.
Функционирование умножителя со струк-
турой на рис. 1г описывается с помощью сле-
дующего алгоритма.
Алгоритм 4. Сдвиг множителя вправо, ак-
кумулятора вправо, анализируется младший
разряд множителя:
1.	Полагается i = О, Р = 0.
2.	Если i = N, то переход к и. 5.
3.	Если В[0] = 1, то выполняется
P[2*N:N] := P[2*N-1:N]+A,
иначе выполняется Р := Р+0.
4.	Полагается В = В » 1, Р := Р » 1, i := z+1.
Переход к п. 2.
5.	Конец.
Особенностью структуры на рис. 1в явля-
ется то, что в ней применен сумматор на N
разрядов (в других структурах на рис. 1 ис-
пользуются сумматоры на 2*N разрядов).
Отметим, что в алгоритме 4, в результате
сложения части произведения P[2*N-1:N]
с множимым А, образуется сигнал перено-
са. Поэтому вектор P[2*N:N] левой части
от знака равенства имеет длину на едини-
цу больше. Описание алгоритма 4 на языке
Verilog имеет следующий вид:
module algorithm_mult_d
#(parameter N=4)
(input [N-l:0] a,b,
output [2*N-l:0] p);
reg [N-l:0] ra,rb;
reg [2*N:0] rp;
integer i;
always @(*)
begin
ra = a;
rb = b;
rp = 0;
for (i=0; i<N; i=i+1)
begin
if (rb[O])	rp[2*N:N] = rp[2*N-l:N] + ra;
else	rp = rp + {2*N{ 1'bO}};
rb = rb » 1;
rp = rp » 1;
end
end
assign p = rp[2*N-l:0];
endmodule
Результаты синтеза модуля algorithm_mult_d
на уровне регистровых передач полностью
совпадают с рис. 2.
Умножитель Бута
Умножитель Бута (Booth) — один из клас-
сических методов ускорения операции ум-
ножения и основан на следующем соотно-
шении:
(1)
В справедливости равенства (1) можно
убедиться, подставляя различные целочис-
ленные значения вместо тик, где к < т.
Например, пусть т = 2 и к = 0, тогда левая
сторона (1) равна 22+21+2° = 4+2+1 = 7, пра-
вая сторона (1) равна 23-2° = 8-1 = 7.
При умножении двоичных чисел соот-
ношение (1) позволяет уменьшить число
частичных произведений, когда множитель
содержит цепочки единиц длиной больше
двух. Другими словами, благодаря спра-
ведливости равенства (1) можно заменить
последовательное добавление к произведе-
нию Р сдвинутых значений множимого А
(частичных произведений) только двумя ча-
стичными произведениями, которые соот-
ветствуют степеням 2W+1 и 2к.
В алгоритме умножения Бута анализируются
пары бит (Ь^Ь^) множителя, начиная с млад-
ших разрядов, i = 0,..., N-1. Несуществующий
разряд множителя Ь_х принимается равным 0.
Если (b^b^) = «10», это означает начало цепоч-
ки единиц и к Р прибавляется значение (—А),
которое соответствует степени -2к в (7). Если
(bpb^) = «01», это означает конец цепочки еди-
ниц и к Р прибавляется значение А, которое со-
ответствует (с учетом выполняемых сдвигов)
степени 2га+1 в (7). Если (Ь^Ь^) равняется «00»
или «11», то к Р ничего не добавляется. С уче-
том вышеизложенного алгоритм умножения
Бута имеет следующий вид.
Алгоритм 5. Алгоритм умножения Бута:
1. Полагается / = 0, Р = 0.
2.	Проверяется пара (Ь^Ь^).
-	Если (b^b^) = «10»,
то выполняется Р := Р+(-А).
-	Если (Ь^Ь^) = «01»,
то выполняется Р := Р+А.
-	Если (Ь^Ь^) = «00» или (ЬрЬ^) = «11»,
то Р остается без изменений.
3.	Полагается i := z+1, А := А « 1.
4.	Пункты 2 и 3 повторяются N раз.
5.	Конец.
Работу алгоритма Бута продемонстрируем
на примере умножения 4x3 = 12. Пусть А и В
имеют равную разрядность, равную 4 бит.
Шаги выполнения алгоритма Бута приведе-
ны в таблице 1.
Таблица 1. Выполнение алгоритма Бута при вычислении
410х310 = 1210 или 01002х00112 = 000011002
Шаги	1	2	3	4
В	0011.0	0011.0	0011.0	0011.0
Действие	Р := Р+(—А)	р:=р	Р := Р+А	р = р
А	0100	01000	010000	0100000
Р	00000000	11111100	11111100	00001100
Добавляемое значение	11111100		00010000	
Результат	11111100	11111100	00001100	00001100
В таблице 1 анализируемые биты множите-
ля В выделены полужирным шрифтом; допол-
нительный бит множителя Ь_} отделен от зна-
чащих бит точкой. На первом шаге (^LJ =
«10», поэтому к Р добавляется (-А) в допол-
нительном коде, то есть значение «11111100».
На втором шаге (^,^0) “ «И», поэтому к Р
ничего не добавляется. На третьем шаге
(Ь2,Ь|) - «01», поэтому к Р добавляется значение
А, сдвинутое на два разряда (А сдвигается влево
на один разряд в конце выполнения каждого
шага). На последнем шаге (Ьг,Ь0) = «00», поэто-
му к Р ничего не добавляется. Окончательный
результат: Р= 000011002 = 1210.
Особенность алгоритма Бута состоит в том,
что для чисел со знаком в дополнительном
коде он позволяет автоматически учитывать
знаки сомножителей, формируя верный знак
результата. В этом легко убедиться на при-
мере умножения чисел 4 и -3, как показано
в таблице 2.
Таблица 2. Выполнение алгоритма Бута при вычислении
410х(-310) = -1210 или 01002х11012= 111101002
Шаги	1	2	3	4
в	1101.0	1101.0	1101.0	1101.0
Действие	Р = Р+(—А)	Р = РА	Р := Р+(—А)	р = р
А	0100	01000	010000	0100000
Р	00000000	11111100	00000100	11110100
Добавляемое значение	11111100	00001000	11110000	
Результат	11111100	00000100	11110100	11110100
Читателю предлагается самостоятельно
убедиться в правильности формирования
знака результата после выполнения алго-
ритма Бута при вычислении (-4)хЗ = -12
и (-4)х(-3) = 12.
Ниже приводится код на языке Verilog па-
раметризованного умножителя Бута, когда
множимое А и множитель В имеют равную
длину N (по умолчанию N = 4).
module booth
#(parameter N=4)
(input signed [N-l:0] a,b,
output signed [2*N-l:0] p);
reg signed [2*N-l:0] ra, rp;
reg signed [N:0] rb;
integer i;
always @(*)
begin
ra = a;
rb = b «< 1;
rp = 0;
for (i=0; i<N; i=i+1)
begin
case ({rb[i+1 ],rb[i]})
2'b01: rp = rp + ra;
2'blO: rp = rp - ra;
default:;
endcase
ra = (ra «< 1);
end
end
assign p = rp;
endmodule
Поскольку алгоритм Бута позволяет умно-
жать числа со знаком в дополнительном коде,
сомножители а и Ь, а также результат р объяв-
лены как знаковые значения. В приведенном
коде применяется алгоритмический стиль
описания проекта с помощью процедурных
операторов. Поэтому используются проме-
жуточные переменные ra, rb и гр типа reg.
Размер переменной rb увеличен на единицу
для возможности работы с дополнительным
разрядом множителя Ь_х. Перед выполнени-
ем итераций осуществляется инициализация
промежуточных переменных. Отметим, что
переменная rb инициализируется сдвинутым
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
75
Рис. 6. Результат синтеза умножителя Бута на уровне регистровых передач
влево на один разряд значением множителя Ь.
Дальнейшее содержание кода полностью со-
ответствует алгоритму 5. Обратим также вни-
мание на запись конструкции default, в кото-
рой ничего не выполняется.
Результаты синтеза и моделирования проек-
та booth показаны на рис. 6,7 соответственно.
Анализ рис. 6 показывает, что алгоритмиче-
ская реализация умножителя Бута требует до-
статочно много логических ресурсов. Читателю
предлагается выполнить структурное описание
на языке Verilog умножителя Бута 4x4 бит.
Модифицированный
умножитель Бута
Несмотря на красивую идею, умножитель
Бута не совсем подходит для аппаратной реа-
лизации операции умножения по следующим
причинам: необходимо выполнять N прове-
рок значений пар битов (ДД.Д используется
два представления частичных произведений
А и (-А), алгоритм Бута плохо работает при
частом чередовании нулей и единиц и т. д.
На практике для аппаратной реализации опе-
рации умножения чаще используется модифи-
цированный метод умножения Бута. В основе
этого метода лежит следующее соотношение:
b-x2z = b-x2z+1-2b-x2z h (2)
В справедливости (2) легко убедиться, вы-
полнив соответствующие преобразования
правой части равенства.
Пусть
p = AxB = Ax(bN_1x2N-1+...
... -I- b4 х 24+Ь3 х 23+b2 х 22+ Ь{ х 21+bQ х 2°).
Применим соотношение (2) к слагаемым
с четными степенями двойки:
Р = Ax(bN_ix2N 1+...+b4x25-2b4x23+b3x
x23+b2x23-2b2x21+b1x2l+b0x21-2b0x2“1).
Рис. 7. Результаты моделирования умножителя Бута
Теперь множитель представлен слагаемы-
ми только с нечетными степенями двойки.
Перепишем предыдущее выражение следую-
щим образом:
Р = Ах (bN_r x2N-1+...+b4 х 25+
+(-2 b4 х 23+b3 х 23+b2 х 23)+
+(-2b2x21+b1x21+b0x21)+
+(-2b0x2 1+L1x2 1+L2x2 1))-
Здесь в последние скобки для регуляр-
ности представления добавлены слагаемые
fr_1x2“1 и fr_2x2-1. Это всегда можно сделать,
поскольку b-i = Ь-2 = 0.
Введем следующие обозначения для ча-
стичных произведений:
Ri = А(.-2ЬМ+Ь,+Ь^х2\	(3)
Теперь операцию умножения можно пред-
ставить следующим образом:
р = Ах В = Ядм+^-з+-.	(4)
Отметим, что в выражении (4) частичных
произведений стало в два раза меньше.
Если множитель имеет нечетное число
разрядов, то соотношение (2) следует при-
менить к нечетным степеням двойки.
В модифицированном алгоритме умноже-
ния Бута частичные произведения опреде-
ляются выражениями (3). При выполнении
этого алгоритма в каждой итерации прове-
ряется тройка битов множителя (^z+1,^,^_1),
Таблица 3. Операции, выполняемые
в модифицированном алгоритме Бута
bi+1	bi	bi-1	Выполняемые действия
0	0	0	ii
0	0	1	Р = Р+А
0	1	0	Р = Р+А
0	1	1	Р = Р+2А
1	0	0	Р = Р-2А
1	0	1	Р = Р-А
1	1	0	Р = Р-А
1	1	1	ii
и в зависимости от их значения формиру-
ются необходимые частичные произведения.
Возможные частичные произведения и со-
ответствующие им операции, выполняемые
в модифицированном алгоритме Бута, при-
ведены в таблице 3.
С учетом вышеизложенного модифициро-
ванный алгоритм Бута имеет следующий вид.
Алгоритм 6. Модифицированный алго-
ритм Бута:
1.	Полагается i = 0, Р = 0.
2.	Проверяется тройка (Ь^Ь^Ь^). В зави-
симости от ее значения выполняются дей-
ствия, указанные в таблице 3.
3.	Полагается i = i+2, А := А « 2.
4.	Пункты 2 и 3 выполняются до тех пор,
пока i < N.
5.	Конец.
Работу модифицированного алгоритма
Бута продемонстрируем на примере умноже-
ния чисел 4x6 = 24. Последовательность вы-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
76
компоненты плис
Таблица 4. Выполнение модифицированного
алгоритма Бута при вычислении 410х610 = 2410
или 00102х01102 = 110002
Шаги	1	2
В	0110.0	0110.0
Действие	Р = Р-2А	Р := Р+2А
А	0100	010000
Р	00000000	11111000
Добавляемое значение	11111000	00100000
Результат	11111000	00011000
1'hOCIN AddO
b[3..O]|2>
a[3..O]
AI7..0]
8'h1 B[7..O]
OUT[7..Q]
1’hOCIN Add1
A[8..O]
9’h1 B[8..O]
OUT[8..Q]
полняемых действий и все соответствующие
значения приведены в таблице 4.
Отметим, что в данном примере для полу-
чения результата потребовалось только две
итерации.
Код на языке Verilog модифицированного
умножителя Бута имеет следующий вид:
module modified_booth
#(parameter N=4)
(input signed [N-l:0] a,b,
output signed [2*N-l:0] p);
reg signed [2*N-l:0] ra, rp;
reg signed [N:0] rb;
integer i;
MuxO
OUT[5..Q]
OUT
OUT
OUT[6..Q]
Mux5
1'hOCIN Add5
1’hOCIN Add4
1'hOCIN Add2
SEL[2..O]
DATA[7..O]
SEL[2..O]
DATA[7..O]
SEL[2..O]
DATA[7..O]
A[6..O]
ВГ6..01
A[4..O]
B[4..O]
A[5..O]
B[5..O]
1'hOCIN Add3
A[5..O]
B[5-0]
Mux1
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
SEL[2..O]
DATA[7..O]
Mux3
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux2
OUT
Mux4
OUT[5..Q]
OUT[4..Q]
Mux10
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux11
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux12
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux8
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux9
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux13
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux7
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Mux6
SEL[2..O]
DATA[7..O]
OUT
Рис. 8. Результат синтеза модифицированного умножителя Бута на уровне регистровых передач
always @(*)
begin
га = а;
rb = b «< 1;
гр = 0;
for (i=0; i<N; i=i+2)
begin
case ({rb[i+2],rb[i+l],rb[i]})
3'b001: rp = rp + ra;
3'bOlO: rp = rp + ra;
3'bOll: rp = rp + (ra «< 1);
3'blOO: rp = rp - (ra «< 1);
3'bl01: rp = rp - ra;
3'bll0:rp = rp-ra;
default:;
endcase
ra = (ra «< 2);
end
end
assign p = rp;
endmodule
Читателю предлагается сравнить данный
код с приведенным ранее кодом умножителя
Бута и объяснить различия. Результаты син-
теза и моделирования проекта modified_booth
показаны на рис. 8,9 соответственно.
По сравнению с традиционным умножи-
телем Бута сложность схемы модифициро-
ванного умножителя Бута меньше. Читателю
предлагается объяснить этот парадокс.
Экспериментальные исследования
реализации умножителей
на различных семействах FPGA
Проблема эффективной реализации умно-
жения всегда остро стоит при проектирова-
нии встраиваемых систем, особенно в таких
областях, как цифровая обработка сигналов
и криптография. Поэтому актуален вопрос,
какой из рассмотренных методов предпочти-
телен при реализации умножителей на FPGA?
Для этого все рассмотренные проекты умно-
жителей 4x4 бит были выполнены в системе
Рис. 9. Результаты моделирования модифицированного умножителя Бута
Quartus Prime версии 18.1 на различных семей-
ствах FPGA для исследования их эффективно-
сти с точки зрения быстродействия и стоимо-
сти реализации. Чтобы оценить быстродей-
ствие, на входы и выходы умножителей были
установлены регистры, а быстродействие
определялось как максимальная частота F
синхросигнала управления регистрами, изме-
ряемая в мегагерцах (МГц). Стоимость реали-
зации умножителей оценивалась по числу L
используемых логических элементов FPGA.
Максимальная частота функционирования
проектов определялась с помощью временно-
Таблица 5. Результаты экспериментальных исследований проектов умножителей 4x4 битов
Умно- жители	MAX II		MAXV		MAX 10		Arria II		Cyclone IV		Cyclone V		Cyclone 10	
	L	F	L	F	L	F	L	F	L	F	L	F	L	F
CSAM	32	111	32	66	34	145	24	277	35	159	15	178	34	161
MWA	31	103	31	67	33	117	16	180	32	134	9	164	32	164
Wallace	32	104	32	61	34	104	25	224	32	137	16	185	32	143
Dadda	35	120	35	60	36	135	28	247	37	164	13	154	36	174
АМ_а	32	96	32	51	34	122	28	177	37	154	15	100	34	160
АМ_Ь	36	103	36	55	38	126	37	185	36	142	19	118	35	154
АМ_с	36	103	36	55	38	126	37	185	36	141	19	118	35	154
AM_d	32	96	32	51	34	122	28	177	37	154	15	100	34	160
Booth	59	67	59	42	63	82	48	181	62	111	26	103	64	106
MBooth	52	98	52	50	55	127	41	190	53	130	25	115	56	141
Quartus	37	113	37	60	32	117	18	270	32	171	10	170	32	117
Best	31	120	31	67	33	145	16	277	32	164	9	185	32	174
го анализатора TimeQuest [2], для корректного
функционирования которого были определе-
ны синхросигнал памяти автомата и вирту-
альные синхросигналы входов и выходов с пе-
риодом 20 нс. Результаты экспериментальных
исследований приведены в таблице 5. Здесь
приняты следующие условные обозначения:
• CSAM — матричный умножитель с сохране-
нием переноса (Carry-Save Array Multiplier);
•	MWA — умножитель с использованием
сумматоров с последовательным перено-
сом (Multiplier With Adders);
•	Wallace — умножитель Уоллеса;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
•	Dadda — умножитель Дадда;
•	АМ_а, АМ_Ь, АМ_с и AM_d — алгоритми-
ческое описание умножителя (Algorithm
Multiplier) со структурами на рис. la-г со-
ответственно;
•	Booth — умножитель Бута;
•	MBooth — модифицированный умножи-
тель Бута;
•	Quartus — метод системы Quartus, реали-
зующий арифметическую операцию ум-
ножения «*»;
•	Best — лучшее решение для данного семей-
ства: L = min, F = max.
Анализ таблицы 5 показывает, что лучшим
по стоимости реализации является умно-
житель с использованием сумматоров с по-
следовательным переносом (MWA), кроме
того, умножитель Уоллеса также показывает
лучшие результаты для семейств Cyclone IV
и Cyclone 10.
По быстродействию умножитель Дадда
представляется лучшим для семейств MAX II,
Cyclone IV и Cyclone 10; матричный умножи-
тель с сохранением переноса CSAM лучший
для семейств МАХ 10 и Arria II; умножитель
с использованием сумматоров с последова-
тельным переносом MWA лучший для се-
мейства MAX V; умножитель Уоллеса луч-
ший для семейства Cyclone V.
Следует отметить, что как по стоимости
реализации, так и по быстродействию луч-
шими являются матричные умножители
по сравнению с алгоритмическими. Другими
словами, ручное проектирование (син-
тез) и структурное описание умножителей
на языке Verilog в общем случае позволяют
получить лучшие результаты по сравнению
с автоматическим синтезом, выполняемым
компилятором системы Quartus, на основе
алгоритмического описания функциониро-
вания умножителей.
Сравнение лучших результатов рассмо-
тренных умножителей с методом системы
Quartus показывает следующее. По стоимо-
сти реализации метод системы Quartus де-
монстрирует предпочтительное решение
только для семейства МАХ 10, а по быстро-
действию — только для семейства Cyclone IV.
Таким образом, метод системы Quartus для
большинства семейств FPGA является не са-
мым лучшим методом по стоимости и бы-
стродействию при реализации умножителей
на FPGA.
Выводы
Если необходимо построить умножи-
тель с наименьшей стоимостью реализации,
то решение следует выбирать из умножите-
ля с использованием сумматоров с последо-
вательным переносом MWA и умножителя
Уоллеса, а по быстродействию — искать
среди умножителей Дадда, CSAM, MWA
и Уоллеса.
Все алгоритмические методы заметно
уступают матричным умножителям как
по стоимости реализации, так и по быстро-
действию. Особенно затратными по стоимо-
сти являются умножитель Бута и модифи-
цированный умножитель Бута. Поэтому оба
умножителя следует синтезировать вручную
и использовать их структурное описание
на языке Verilog.
Отметим также, что матричные умножите-
ли допускают модификацию для увеличения
быстродействия путем замены сумматоров
с последовательным переносом на суммато-
ры с параллельным переносом.
Если нет острой необходимости в увели-
чении быстродействия или уменьшении сто-
имости реализации, для умножения можно
использовать метод системы Quartus, то есть
арифметическую операцию умножения «*»
языка Verilog.
Литература
1. Орлов С. А., Цилкер Б. Я. Организация
ЭВМ и систем. Учебник для вузов. 4-е изд.
Питер, 2018.
2. Соловьев В. В. Временной анализ програм-
мируемых логических интегральных схем.
М.: Горячая линия - Телеком. 2018.
Реклама
Система-на-кристалле
ZYNQ® UltraScale+™ MPSoC
Мощь ARM, помноженная на гибкость ПЛИС!
Забудьте про Verilog/VHDL! Напишите вашу систему на C/C++,
отладьте под LINUX и оптимизируйте с помощью
программируемой логики. Никогда построение мощных
и сложных систем не было столь простым.
Занимаетесь видеообработкой? Ваш выбор -ZYNQ UltraScale+ EV
с 4-ядерным ARM Cortex А53 64 бит, двухъядерным ARM Cortex
R5 32 бит и встроенным высокопроизводительным кодеком
Н.264/Н.265.
Создаёте телекоммуникационное оборудование?
С ZYNQ UltraScale+ EG это просто. Используйте встроенные
IP ядра 100G Ethernet и 150G Interlaken для достижения
непревзойденной производительности.
Создаёте систему управления? Реализуйте все, что вам нужно,
на бюджетном чипе ZYNQ UltraScale+ CG.
Нужно «умное» решение? Создайте собственную свёрточную
нейросеть на базе СнК ZYNQ UltraScale+.
ЛА МАКРО
у ГРУПП
www.macrogroup.ru
XILINX.
Хотите получить отладку?
Пришлите запрос по адресу
fpga@macrogroup.ru
«Макро Групп» — официальный партнёр Xilinx
Санкт-Петербург, ул. Свеаборгская, дом 12
тел.: (812) 37O-6O-7O e-mail: fpga@macrogroup.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
interlight | intelligent building
RUSSIA
RUSSIA
Международная выставка освещения,
систем безопасности, автоматизации зданий
и электротехники
10-13 сентября 2019
ЦВК «Экспоцентр»
Москва
Light
Building
Техническим свет
Компоненты
Декоративный
свет
Электрические
лампы
Электротехника
Умный дом
Умный город

Автоматизация зданий
Интегрированные
системы безопасности
www.interlight-building.ru
 messe frankfurt
плис компоненты
Одноядерные полностью
программируемые системы
на кристалле фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC.
Часть 2
Валерий ЗОТОВ
walerry@km.ru
Для аппаратной отладки встраиваемых микропроцессорных систем,
проектируемых на основе одноядерных расширяемых вычислительных
платформ Extensible Processing Platform (EPP) фирмы Xilinx семейства
Zynq-7000 All Programmable System-On-Chip (AP SoC), информация о ко-
торых была представлена в [39], рекомендуется воспользоваться инстру-
ментальным комплектом MiniZed Starter Kit. Этот комплект является
продолжением линейки аппаратных отладочных средств, выполненных
на основе полностью программируемых систем на кристалле указанного
семейства, выпускаемых компанией Avnet Electronic Marketing [40—42].
Ниже рассматривается назначение, состав и функциональные возмож-
ности инструментального комплекта MiniZed Starter Kit.
Назначение и состав инструментального комплекта
MiniZed Starter Kit
Сочетание разнообразных функциональных возможностей
и низкой стоимости инструментального комплекта MiniZed Starter
Рис. 1. Внешний вид инструментального модуля MiniZed Development Board
Kit обусловливает его многоцелевое назначение. В первую оче-
редь данный комплект ориентирован на практическое освоение
процесса проектирования встраиваемых микропроцессорных си-
стем на базе кристаллов расширяемых вычислительных платформ
семейства Zynq-7000 АР SoC в САПР серии Xilinx Vivado Design
Suite [7-33] и SDSoC. Кроме того, комплект MiniZed Starter Kit
предназначен для решения задач отладки аппаратной части и соз-
даваемого прикладного программного обеспечения встраивае-
мых систем, разрабатываемых на основе кристаллов одноядерных
расширяемых процессорных платформ указанного семейства.
Конструктивное исполнение и архитектура аппаратного модуля
MiniZed Development Board, основного компонента рассматрива-
емого комплекта, позволяет эффективно использовать его в каче-
стве не только отладочного, но и окончательного варианта реали-
зации разрабатываемых систем.
Инструментальный комплект MiniZed Starter Kit включает следу-
ющие аппаратные и программные средства, необходимые для осу-
ществления разработки и комплексной отладки системного и при-
кладного программного обеспечения встраиваемых микропроцес-
сорных систем, проектируемых на базе одноядерных расширяемых
вычислительных платформ семейства Zynq-7000 АР SoC:
•	плату инструментального модуля MiniZed Development Board,
совокупность ресурсов которой предоставляет возможность ре-
ализации аппаратной части, а также загрузки и выполнения про-
граммного кода разрабатываемых систем;
•	стандартный соединительный кабель интерфейса Micro USB, ко-
торый может использоваться для сопряжения с персональным
компьютером и дополнительной периферией при осуществлении
процесса комплексной отладки разрабатываемых встраиваемых
микропроцессорных систем совместно с внешними устройствами,
а также для подключения источника питания инструментального
модуля MiniZed Development Board;
•	краткую инструкцию по использованию отладочного модуля
MiniZed Development Board;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
80
компоненты плис
•	лицензионный ваучер на применение средств проектирования
встраиваемых микропроцессорных систем SDSoC (с лицензией
для кристалла XC7Z007S CLG225-1).
Для предоставления необходимой информационно-технической
поддержки инструментального комплекта MiniZed Starter Kit компа-
нией Avnet Electronic Marketing совместно с фирмой Xilinx создана спе-
циальная интернет-страница www.minized.org. Она открывает доступ
к полной документации на рассматриваемый инструментальный ком-
плект, которая содержит руководство пользователя [43], инструкцию
по установке программных средств и выполнению демонстрационно-
го проекта [44] и принципиальную схему инструментального модуля
MiniZed Development Board [45]. Кроме того, данная страница предо-
ставляет возможность ознакомления с дополнительными учебными
материалами, предназначенными для самостоятельного практического
изучения особенностей проектирования встраиваемых микропро-
цессорных систем на базе расширяемых вычислительных платформ
семейства Zynq-7000 АР SoC с помощью аппаратного модуля MiniZed
Development Board. Здесь же представлены архивы исходных файлов
типовых проектов систем на кристалле, подготовленных средствами
САПР Vivado Design Suite [7-33] для реализации на базе этого инстру-
ментального модуля. Для копирования исходных файлов типовых
проектов и учебных материалов необходимо предварительно выпол-
нить процедуру бесплатной регистрации. Страница www.minized.org
является составной частью интернет-ресурса www.zedboard.org, объ-
единяющего подробную информацию о технических характеристиках
и различных вариантах применения отладочного комплекта Xilinx
ZedBoard Kit и других инструментальных средств, выпускаемых ком-
панией Avnet Electronic Marketing на основе полностью программи-
руемых систем на кристалле семейства Zynq-7000 АР SoC. Поэтому
регистрация на сайте www.zedboard.org обеспечивает возможность
доступа ко всем материалам интернет-страницы www.minized.org.
Отличительные особенности инструментального
модуля MiniZed Development Board
Наиболее значительными особенностями инструментального мо-
дуля MiniZed Development Board, характеризующими его функцио-
нальные возможности, являются:
•	Оптимизированная архитектура с минимально необходимым на-
бором периферийных компонентов и поддержкой расширения,
обеспечивающая возможность полнофункциональной реализации
и комплексной отладки аппаратной части и программного обеспе-
чения проектируемых встраиваемых микропроцессорных систем
с наиболее востребованными интерфейсами, предоставляемыми
соответствующими ресурсами кристалла одноядерной расширяе-
мой процессорной платформы семейства Zynq-7000 АР SoC.
•	Сочетание компактного конструктивного исполнения и оптималь-
ного расположения коммутационных разъемов различного типа
рассматриваемого аппаратного модуля, создающее предпосылки
для его применения в качестве программируемого компонента
системного уровня в составе различных комплексов.
•	Присутствие дополнительного высокоскоростного синхронного
динамического ОЗУ SDRAM с интерфейсом DDR3, существенно
расширяющего объем ресурсов оперативной памяти используемой
одноядерной полностью программируемой системы на кристалле
семейства Zynq-7000 АР SoC и предоставляющего возможность
установки и отладки разрабатываемого программного обеспече-
ния как в автономном режиме, так и под управлением различных
операционных систем, в том числе Linux OS.
•	Наличие на плате инструментального модуля элемента Flash ППЗУ
с интерфейсом Quad-SPI (QSPI), обеспечивающего возможность
инициализации процессорного блока и загрузки конфигураци-
онной последовательности программируемой логики кристалла
одноядерной расширяемой вычислительной платформы семейства
Zynq-7000 АР SoC, а также записи исполняемого кода разрабатыва-
емого программного обеспечения и хранения данных.
•	Включение в состав отладочной платы интегрированной карты
памяти с встроенным интерфейсом еММС (Embedded Multi-Media
Controller/Card), предоставляющей возможность записи и хране-
ния массивов данных большого объема, а также исполняемого кода
применяемого программного обеспечения.
•	Присутствие на плате инструментального модуля дополнитель-
ных элементов, необходимых для реализации в разрабатываемых
встраиваемых микропроцессорных системах интерфейсов USB
и UART в полном объеме.
•	Поддержка интерфейса USB 2.0, функционирующего в режиме Host
Mode, позволяющего подключать к отлаживаемым микропроцес-
сорным системам требуемые внешние периферийные устройства.
•	Применение в составе аппаратного модуля интерфейсного моста
USB-UART, предоставляющего возможность организации взаимо-
действия разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных
систем с внешним компьютером через виртуальный последова-
тельный СОМ-порт.
•	Наличие на отладочной плате блока беспроводных радиочастотных
интерфейсов, обеспечивающего возможность аппаратной отладки
и реализации разрабатываемых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем с интерфейсами Bluetooth и Wi-Fi.
•	Включение в состав инструментального модуля цифрового микро-
фона, линейного акселерометра и датчика температуры, позво-
ляющих использовать его для разработки и аппаратной отладки
мультимедийных устройств.
•	Гибкая схема конфигурирования одноядерной расширяемой
процессорной платформы семейства Zynq-7000 АР SoC, обеспе-
чивающая возможность загрузки конфигурационной последо-
вательности и ПО в кристалл из различных источников, а также
принудительного реконфигурирования в процессе отладки про-
ектируемых систем.
•	Присутствие на плате инструментального модуля двух разъ-
емов расширения, соответствующих требованиям спецификации
Pmod (Peripheral module) [46], дополняющих его функциональ-
ные возможности с помощью модулей, выпускаемых компаниями
Digilent Incorporated и Maxim Integrated Products [47].
•	Использование одного внешнего генератора сигнала синхрониза-
ции при формировании внутренних тактовых сигналов для про-
цессорной системы Processing System (PS) и программируемой
логики Programmable Logic (PL) кристалла одноядерной расширя-
емой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 АР SoC,
установленного на отладочной плате.
•	Наличие переключателей различного типа и светодиодных инди-
каторов, подключенных к пользовательским выводам процессор-
ного блока PS и программируемой логики PL кристалла семейства
Zynq-7000 АР SoC, обеспечивающих возможность управления
и визуального контроля при отладке аппаратной части и разраба-
тываемого программного обеспечения проектируемых встраива-
емых микропроцессорных систем.
•	Гибкая схема подключения и выбора внешнего источника питания,
позволяющая использовать для формирования напряжения 5 В,
подаваемого на плату отладочного модуля, USB-порт компьютера
или адаптер сети переменного тока.
•	Применение экономичной схемы управления питанием, реали-
зованной на базе интегрального стабилизатора гибридного типа,
формирующей совокупность уровней напряжений, требуемых для
функционирования всех компонентов инструментального модуля
с учетом рекомендуемой последовательности включения источ-
ников питания различных ресурсов одноядерной расширяемой
процессорной платформы семейства Zynq-7000 АР SoC.
•	Предоставление дополнительных файлов описания отладочной
платы, обеспечивающих полную поддержку инструментально-
го модуля последними версиями систем автоматизированного
проектирования и конфигурирования кристаллов программи-
руемой логики и расширяемых процессорных платформ фир-
мы Xilinx Vivado Design Suite и SDSoC.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
81
Рис. 2. Структурное представление архитектуры отладочного модуля MiniZed Development Board
Архитектура инструментального
модуля MiniZed Development Board
Архитектура инструментального модуля
MiniZed Development Board выполнена на ос-
нове концепции System On Module (SOM).
В соответствии с этой концепцией рас-
сматриваемый модуль представляет собой
полнофункциональную микропроцессор-
ную систему с расширяемой периферией,
которая может применяться автономно или
использоваться в качестве компонента в со-
ставе сложных многофункциональных ком-
плексов различного назначения. Внешний
вид инструментального модуля MiniZed
Development Board демонстрирует рис. 1.
Структурное представление архитектуры
рассматриваемого аппаратного модуля по-
казано на рис. 2.
Приведенная архитектура включает сле-
дующие основные функциональные блоки:
• кристалл одноядерной расширяемой вы-
числительной платформы семейства
Zynq-7000 АР SoC, который предназначен
для реализации и отладки основы аппарат-
ной части и программного обеспечения
проектируемых встраиваемых микропро-
цессорных систем;
•	блок внешней оперативной памяти с ин-
формационной емкостью 512 Мбайт;
•	элемент перепрограммируемого запоми-
нающего устройства с информационной
емкостью 128 Мбит;
•	интегрированную карту памяти со встро-
енным интерфейсом еММС, информаци-
онная емкость которой составляет 8 Гбайт;
•	интерфейсный блок, сопряженный с муль-
типлексируемыми линиями ввода/вывода
процессорной системы;
•	блок беспроводных радиочастотных интер-
фейсов;
•	цифровой микрофон;
•	блок датчиков;
•	блок загрузки процессорной системы
и конфигурирования программируемой
логики кристалла одноядерной расширя-
емой вычислительной платформы;
•	генератор внешнего (по отношению к кри-
сталлу одноядерной расширяемой вычис-
лительной платформы) сигнала синхро-
низации;
•	блок переключателей;
•	блок индикации;
•	схему сброса процессорной системы кри-
сталла расширяемой вычислительной
платформы и основных компонентов ин-
струментального модуля;
•	разъемы расширения, форм-фактор и под-
ключение контактов которых полностью
соответствуют требованиям спецификации
Pmod, разработанной компанией Digilent
Incorporated;
•	коммутационный блок, включающий со-
вокупность разъемов, конструктивное ис-
полнение и расположение которых совме-
стимо с конфигурацией, предусмотренной
спецификацией платформы Arduino;
•	схему подключения и выбора внешнего ис-
точника питания;
•	схему формирования и контроля питаю-
щих напряжений компонентов рассматри-
ваемого инструментального модуля.
Основным элементом аппаратного модуля
MiniZed Development Board служит одноядер-
ная полностью программируемая система
на кристалле XC7Z007S, относящаяся к клас-
су быстродействия -1, которая выпускается
в корпусе CLG225. Структура и характеристи-
ки процессорной системы PS этого кристалла
имеют ряд отличий от архитектуры и пара-
метров расширяемых одноядерных вычис-
лительных платформ, рассмотренных в [39].
Максимальное значение тактовой частоты
аппаратного процессорного блока, имеюще-
го ядро ARM Cortex-A9 МРСоге с расшире-
нием NEON, составляет 667 МГц. Количество
мультиплексируемых входов/выходов MIO
(Multiplexed I/O) процессорной системы
PS ограничено 32, что обусловлено корпус-
ным исполнением используемой одноядер-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
82
компоненты плис
D3L_DQ5		BANK 502		Программируемая система на кристалле Zynq-7000 АР SoC XC7Z007S CLG225	BANK 502	D3L_A0
D3L_DQ4				
D3L_DQ7				
D3LDQ6				
D3L DQ3				
D3L_DQ0				
D3L_DQ1				D3L_A1
D3L DQ2				D3LA2
D3LDQ8				D3L_A3
D3L_DQ15				D3L A4
D3LDQ10				D3L_A5
D3L DQ14				D3LA6
D3L DQ13				D3L A7
D3L DQ12				D3L_A8
D3LDQ9				D3LA9
D3LDQ11				D3L_A10
D3L UDM				D3L_A11
				D3L_A12
D3L LDM				D3L_A13
D3LUDQSP				D3L A14
				D3L BAG
D3L_UDQS_N				
				D3L_BA1
D3L LDQS P				
				D3L BA2
D3L_LDQS_N				D3L_CS_N
D3L ODT				
				D3L_WE_N
				D3L_CAS_N
				D3LRASN
				D3LCKE
				D3L_CK_P
				D3L_CK_N
				D3LRSTN
				
VREF	0V675								1V	35	1V	35							VREF		0V675	
																						
<	QQQQQQQQQ	OOOOOOOOO	О О	QQQQQQQQQ	QOQQQQClQQ	Q Ф	>>>>>>>>>	QQQQQQQQQ	q A0 S	>>>>>>>>>£ A1 A2	DQO A3	DQ1 A4	DQ2 A5	DQ3 A6	DQ4 A7	DQ5 A8	DQ6 A9	DQ7 A10/AP	ОЗУ	DQ8 A11	DQ9 A12/BC#	DQ10 A13	DQ11 A14	DDR3	DQ12 DQ13 BAO	DQ14 BA1	MT41K256M16TW	DQ15 BA2 UDM CS#	LDM WE# CAS#	UDQS RAS#	UDQS# CKE	LDQS CK	LDQS# CK# ODT RESET# ZQ ooooooooo отиииотиотиииии ииюмюииии отисоиотоотиииии иимммииии >>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>																						D3L_DQ5
																						D3LDQ4
																						D3LDQ7
																						D3LDQ6
																						D3L DQ3
																						D3LDQ0
																						D3L DQ1
																						D3LDQ2
																						D3L_DQ8
																						D3L DQ15
																						D3L DQ10
																						D3L DQ14
																						D3L DQ13
																						D3L DQ12 D3LDQ9
																						D3LDQ11
																						D3L_UDM D3L_LDM
																						D3LUDQSP
																						D3L_UDQS_N
																						D3L_LDQS_P
																						D3L_LDQS_N
																						D3L_ODT GND
																						
										Gt	7 sID								X Gt	7 JD		
Рис. 3. Схема подключения микросхемы внешнего ОЗУ к полностью программируемой системе на кристалле XC7Z007S в инструментальном модуле MiniZed Development Board
ной полностью программируемой системы
на кристалле. В связи с этим ограничением
в применяемом кристалле доступен толь-
ко один контроллер интерфейса USB или
Ethernet. Кроме того, отсутствует поддержка
запоминающих устройств с интерфейсом
SRAM, а также возможность осуществления
непосредственной загрузки операционной
системы, исполняемого кода программного
обеспечения и конфигурационной информа-
ции в кристалл одноядерной расширяемой
вычислительной платформы с карт памяти
стандарта SD (Secure Digital) или microSD.
Из имеющегося в наличии набора перифе-
рийных устройств ввода/вывода процессор-
ной системы PS, содержащего контроллеры
интерфейсов UART, CAN 2.0В, SDIO, PC, SPI,
USB 2.0, Tri-mode Gigabit Ethernet, в рассма-
триваемом инструментальном модуле задей-
ствованы только интерфейсы USB 2.0, SDIO,
12С и UART.
В составе программируемой логики PL кри-
сталла одноядерной расширяемой процессор-
ной платформы XC7Z007S предусмотрено
23К логических ячеек Logic Cells, 50 модулей
блочной памяти Block RAM суммарной емко-
стью 1,8 Мбайт, 66 аппаратных секций циф-
ровой обработки сигналов DSP48E1 и анало-
го-цифровой блок XADC. Указанные ресурсы
программируемой логики могут применяться
для конфигурирования на ее основе широко-
го спектра дополнительных нестандартных
периферийных устройств, включая цифро-
вые фильтры с различными характеристи-
ками и контроллеры интерфейсов, которые
не представлены в составе процессорной си-
стемы, а также специализированных высоко-
скоростных сопроцессоров для обработки со-
ответствующих данных.
Блок внешней оперативной памяти рассма-
триваемого аппаратного модуля реализован
на базе микросхемы синхронного динами-
ческого ОЗУ SDRAM MT41K256M16TW-107,
производимой компанией Micron Technology
Incorporated. Эта микросхема представляет со-
бой массив высокоскоростной оперативной
памяти с интерфейсом DDR3 и организацией
256 Мбит х 16. Указанная микросхема внеш-
него ОЗУ подключена к выводам аппаратного
контроллера динамической памяти, представ-
ленного в составе процессорной системы PS
кристалла одноядерной расширяемой про-
цессорной платформы семейства Zynq-7000
АР SoC [39]. Для организации взаимодей-
ствия одноядерной полностью программи-
руемой системы на кристалле XC7Z007S
с блоком внешней оперативной памяти ис-
пользуются соответствующие входы и выхо-
ды, которые относятся к банку ввода/вывода
502 (Bank 502). Схема подключения микро-
схемы внешнего ОЗУ к кристаллу одноядер-
ной расширяемой процессорной платфор-
мы XC7Z007S представлена на рис. 3.
Элемент перепрограммируемого за-
поминающего устройства, применяе-
мый в составе инструментального моду-
ля MiniZed Development Board, выполнен
в виде микросхемы последовательной
NOR Flash-памяти с интерфейсом Quad-
SPI MT25QL128ABA8E12-0SIT, которая вы-
пускается компанией Micron Technology
Incorporated. Информационная емкость ука-
занной микросхемы составляет 128 Мбит.
Элемент Flash ППЗУ поддерживает три про-
токола функционирования: Extended I/O,
Dual I/Ои Quad I/O. Это ППЗУ может ис-
пользоваться для загрузки операционной
системы, исполняемого кода разработанного
программного обеспечения и конфигураци-
онной информации в кристалл одноядерной
расширяемой вычислительной платформы
семейства Zynq-7000 АР SoC и/или приме-
няться в качестве энергонезависимой памя-
ти данных в проектируемых встраиваемых
микропроцессорных системах.
Для реализации контроллера интерфейса
Quad-SPI используется соответствующее пе-
риферийное устройство ввода/вывода про-
цессорного блока PS, входящего в состав од-
ноядерной полностью программируемой си-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
83
стемы на кристалле XC7Z007S. Подключение
элемента Flash ППЗУ Quad-SPI к кристаллу
одноядерной расширяемой вычислительной
платформы XC7Z007S осуществляется через
входы и выходы, относящиеся к банку вво-
да/вывода 500 (Bank 500). Схема сопряжения
элемента последовательной Flash-памяти
с указанным кристаллом в инструменталь-
ном модуле MiniZed Development Board при-
ведена на рис. 4.
Функции интегрированной карты памяти
со встроенным интерфейсом еММС реали-
зует микросхема MTFC8GAKAJCN-4M IT,
которая производится компанией Micron
Technology Incorporated. Встроенный кон-
троллер интерфейса карт памяти ММС дан-
ной микросхемы обеспечивает возможность
доступа процессорного блока одноядерной
полностью программируемой системы
на кристалле XC7Z007S к запоминающему
устройству NAND Flash с информационной
емкостью 8 Гбайт. Доступ осуществляется
через контроллер интерфейса SDIO про-
цессорной системы PS, функционирующий
в высокоскоростном режиме. Для взаимодей-
ствия кристалла одноядерной расширяемой
процессорной платформы XC7Z007S с ми-
кросхемой MTFC8GAKAJCN-4M IT задей-
ствованы соответствующие входы и выходы,
которые относятся к банку ввода/вывода 500
(Bank 500). Подключение интегрированной
карты памяти со встроенным интерфейсом
еММС к одноядерной полностью програм-
мируемой системе на кристалле, использу-
емой в составе инструментального модуля
MiniZed Development Board, демонстрирует
схема, изображенная на рис. 4.
Интерфейсный блок, сопряженный
с мультиплексируемыми линиями ввода/
вывода процессорной системы PS кристал-
ла одноядерной расширяемой процессор-
Программируемая
система на кристалле
Zynq-7000 АР SoC
3V3
XC7Z007S
CLG225
3V3
EMMC DO		
EMMC_D1		
EMMC_D2		
EMMC D3		
EMMC CMD		
EMMC CLK R	।	1		
PMIC_SYS_RST_N |	|		
		
	еММС	
		vcc
		vcc
		vcc
DAT0		vcc
DAT1		VCCQ
DAT2		VCCQ
DAT3		VCCQ
		VCCQ
DAT4	MTFC8GAKAJCN-4M IT	VCCQ
DAT5		VSS
DAT6		VSS
DAT7		VSS
DS		VSS
		VSS
CMD		VSS
CLK		VSSQ
RST_N		VSSQ
		VSSQ
		VSSQ
		VSSQ
		VDDIM
VDDIM
	
	
	3V3
	
	
	
	
	
	
GND
Рис. 4. Схема подключения Flash ППЗУ и карты памяти еММС к программируемой системе на кристалле XC7Z007S
в инструментальном модуле MiniZed Development Board
ю
ной платформы XC7Z007S, обеспечивает
возможность реализации в полном объеме
интерфейсов USB 2.0 и UART в составе раз-
рабатываемых устройств. На плате инстру-
ментального модуля MiniZed Development
Board установлены разъемы соответствую-
щих портов и дополнительные элементы,
необходимые для полнофункциональной
реализации физического уровня перечислен-
ных интерфейсов. Взаимодействие одноядер-
ной полностью программируемой системы
на кристалле XC7Z007S с интерфейсным
блоком осуществляется через входы и выхо-
ды, входящие в состав банков ввода/вывода
500 и 501 (Bank 500 и Bank 501).
Схема реализации интерфейса USB 2.0
в инструментальном модуле MiniZed
Development Board показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема организации интерфейса USB 2.0 в инструментальном модуле MiniZed Development Board
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
3V3
3V3
MICRO 5V
3V3
1V8FT
3V3 PHY 3V3 PLL 1V8 FT
О О О О
VREGIN
VREGOUT
Ш1
Разъем
MICRO USB AB
USB5V0
D-
D+
ID
GND
GND
S1
S2
4|- S3
S4
О
SH MICRO GND
3V3
EE_DATA_IN
EE_CLK R
EE CS
GND

GND GND
ADBUSO
ADBUS1
ADBUS2
ADBUS3
ADBUS4
ADBUS5
ADBUS6
ADBUS7
FTTCK
FT TDI______
FT TDO______
FTTMS_______
VCCO_JTAG ON
LS OE N_____
FT PS POR N
FT PS SRST N
SN74AVC2T245
FT2232 D N
FT2232 D P
— I/O3
GND
REF-
GND
3V3
Ж
I/02
REF+
MICRO 5V
I/O4 Й4
1/01
CDSOT23-SR208
GND
FT2232H RST N
EE
93LC56BT-I/OT
DI
> CLK
CS
DO
EE DATA OUT
DM
DP
RESET
TCK
TDI
TDO
TMS
3V3
GND
CS
EE_CLK
EE DATA IN
osci
OSCO
REF
EECS
EECLK
EEDATA
osci
FT2232H
3V3
vcc
GND
OSCO
vss
GND
12 МГц
GND
GND
TEST
Q
0
n
0
Q Q Q Q Q Q Q
0000000
Q
О
GND
GND
GND
GND
ACBUSO
ACBUS1
ACBUS2
ACBUS3
ACBUS4
ACBUS5
ACBUS6
ACBUS7
BDBUSO
BDBUS1
BDBUS2
BDBUS3
BDBUS4
BDBUS5
BDBUS6
BDBUS7
BCBUSO
BCBUS1
BCBUS2
BCBUS3
BCBUS4
BCBUS5
BCBUS6
BCBUS7
PWREN
SUSPEND
3V3
VCCB
VCCA
Программируемая
система на кристалле
Zynq-7000 АР SoC
A1
DIR1
В1
В2
OE
A2
DIR2
FT_TXD_OUT
FT RXD IN
FT RTS N
FT_CTS_N
FT DTR N
FT_DSR_N
FT PCD N
FT Rl N
OTP5
OTP6
OTP7
OTP8
OTP9
OTP10
3V3
FT PWRSAV N
PWRENN
SUSPEND N
О TP11
GND
GND
GND
3V3
MICRO
XC7Z007S
CLG225
Рис. 6. Схема сопряжения интерфейсного моста USB-UART с кристаллом XC7Z007S в инструментальном модуле MiniZed Development Board
Основой приведенной схемы является ап-
паратный контроллер интерфейса USB 2.0,
который представлен в составе периферии
процессорной системы PS кристалла одно-
ядерной расширяемой вычислительной
платформы XC7Z007S. В рассматриваемом
инструментальном модуле этот контроллер
сконфигурирован для работы интерфейса
USB 2.0 в режиме Host Mode. Для реализа-
ции физического уровня этого интерфейса
применяется микросхема USB3320, которая
выпускается компанией SMSC/Microchip
и представляет собой приемопередатчик,
поддерживающий протокол ULPI (UTMI +
Low Pin Interface). Микросхема обеспечива-
ет скорости передачи данных до 480 Мбит/с.
Тактирование USB3320 осуществляет-
ся сигналом синхронизации с частотой
24 МГц, который вырабатывается генера-
тором, реализованным на базе микросхе-
мы DSC1001DI1-024.0000 компании Discera
Incorporated. Согласование уровней сигнала
сброса интерфейса USB 2.0 с соответствую-
щим входом микросхемы USB3320 выполня-
ется с помощью микросхемы 74LVC2G07GW.
Последняя микросхема содержит двухканаль-
ный преобразователь уровней сигналов.
Интерфейсный мост USB-UART, предо-
ставляющий возможность организации вза-
имодействия проектируемых встраиваемых
микропроцессорных систем с внешним ком-
пьютером через виртуальный последователь-
ный COM-порт, выполнен на базе микросхе-
мы FT2232, выпускаемой компанией Future
Technology Devices International Limited. При
этом блок последовательного асинхронного
приемопередатчика UART конфигурирует-
ся на базе соответствующего периферийно-
го устройства, входящего в состав процес-
сорной системы PS кристалла одноядерной
расширяемой вычислительной платформы
семейства Zynq-7000 АР SoC, установлен-
ного на плате аппаратного модуля MiniZed
Development Board. Доступ к виртуальному
последовательному порту в среде операцион-
ной системы Windows обеспечивает соответ-
ствующий драйвер Virtual COM Port (VCP)
driver, который предоставляется компани-
ей Future Technology Devices International
Limited. Этот драйвер нужно скопировать
в разделе поддержки официальной ин-
тернет-страницы указанной компании
(http://www.ftdichip.com). Подключение ин-
струментального модуля MiniZed Develop-
ment Board к компьютеру через интерфейс-
ный мост USB-UART с использованием
виртуального COM-порта осуществляется
с помощью стандартного соединительного
кабеля интерфейса Micro USB, который при-
соединяется к отдельному разъему порта USB
типа Type Micro-АВ, установленному на пла-
те указанного модуля. Схема сопряжения ин-
терфейсного моста USB-UART с одноядер-
ной полностью программируемой системой
на кристалле XC7Z007S в рассматриваемом
аппаратном модуле представлена на рис. 6.
Блок беспроводных радиочастотных ин-
терфейсов в инструментальном модуле
MiniZed Development Board реализован в виде
интегрального субмодуля LBEE5KL1DX, из-
готовленного компанией Murata. Основу
этого интегрального субмодуля составля-
ет микросхема CYW4343W от компании
Cypress Semiconductor, обеспечивающая воз-
можность реализации беспроводных радио-
частотных интерфейсов передачи данных
Wi-Fi в соответствии со спецификацией
802.11b/g/n и Bluetooth версии 4.1 с поддерж-
кой EDR (Enhance Data Rate) и BLE (Bluetooth
Low Energy). Антенна блока беспроводных
радиочастотных интерфейсов выполнена
в виде проводника на печатной плате рас-
сматриваемого инструментального модуля,
имеющего соответствующие размеры и кон-
фигурацию (рис. 1). Тактирование микро-
схемы CYW4343W осуществляется сигна-
лом синхронизации с частотой 32,768 кГц,
который вырабатывается генератором, вы-
пускаемым компанией Abracon LLC. Для
взаимодействия одноядерной расширяемой
вычислительной платформы с блоком бес-
проводных радиочастотных интерфейсов
используются расширенные мультиплек-
сируемые вводы/выводы полностью про-
граммируемой системы на кристалле ЕМЮ
(Extended MIO). При реализации интерфейса
Wi-Fi задействован контроллер интерфейса
SDIO, входящий в состав периферии про-
цессорной системы PS кристалла XC7Z007S.
Для организации интерфейса Bluetooth при-
меняется последовательный асинхронный
приемопередатчик UART процессорного
блока PS одноядерной расширяемой вычис-
лительной платформы семейства Zynq-7000
АР SoC. Кроме того, для осуществления
квитирования в процессе передачи данных
с применением указанных беспроводных ин-
терфейсов задействованы четыре порта вво-
да/вывода общего назначения GPIO (General
Purpose I/O) процессорной системы PS.
Структуру блока беспроводных радиочастот-
ных интерфейсов и его подключение к одно-
ядерной полностью программируемой си-
стеме на кристалле XC7Z007S в инструмен-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
плис компоненты
85
Рис. 7. Схема подключения блока беспроводных радиочастотных интерфейсов к кристаллу XC7Z007S в инструментальном модуле MiniZed Development Board
3V3	1V8
VCCJVITS
Программируемая
система на кристалле
Zynq-7000 АР SoC
XC7Z007S
CLG225
□
I2C SCL
□□
SCL L
LIS2DS12
SCL/SPC
CS
SDO/SAO/MSDA
SDA/SDI/SDO
_ G
BSS138-7-F
SDA L
VDD
VDDJO
INT1
INT2/MSCL
RES
GND
GND
VCCJVITS
T VCCJVITSS
TP1
TP2
O
О
GND GND
Рис. 8. Схема сопряжения блока датчиков с кристаллом XC7Z007S в инструментальном модуле MiniZed Development Board
тальном модуле MiniZed Development Board демонстрирует схема,
приведенная на рис. 7.
Блок датчиков рассматриваемого отладочного модуля выполнен
в виде микросхемы LIS2DS12, производимой компанией ST Micro.
Эта микросхема содержит трехосевой линейный акселерометр
и датчик температуры. Акселерометр, применяемый в составе
микросхемы, предоставляет возможность выбора одного из че-
тырех масштабов измерения ускорения: 2g/4g/8g/16g. Результаты
измерений, формируемые датчиками ускорения и температуры,
переводятся внутренними аналого-цифровыми преобразователями
в шестнадцатиразрядный двоичный код. Микросхема LIS2DS12
поддерживает два типа интерфейса передачи оцифрованных дан-
ных к процессорному блоку — 12С и SPI. В инструментальном моду-
ле MiniZed Development Board взаимодействие датчиков ускорения
и температуры с одноядерной полностью программируемой систе-
мой на кристалле XC7Z007S осуществляется через интерфейс 12С.
Для организации этого интерфейса используется соответствующий
периферийный блок процессорной системы PS кристалла одно-
ядерной расширяемой вычислительной платформы XC7Z007S.
Подключение блока датчиков к указанному кристаллу в рассма-
триваемом отладочном модуле в наглядной форме поясняет схема,
представленная на рис. 8.
В качестве цифрового микрофона в составе инструментального моду-
ля MiniZed Development Board предусмотрена микросхема MP34DT05,
которая выпускается компанией ST Micro. Указанная микросхема, от-
носящаяся к классу микроэлектронно-механических систем MEMS
(Micro-Electro-Mechanical Systems), характеризуется низким уровнем
вносимых искажений при высоком значении отношения сигнал/шум,
GND	GND
Vdd
LR
MP34DT05
CLK
AUDIO CLK
<п
DOUT
GND
AUDIO DO
co
GND
Программируемая
система на кристалле
Zynq-7000 АР SoC
XC7Z007S
CLG225
Рис. 9. Схема сопряжения цифрового микрофона с кристаллом XC7Z007S
в инструментальном модуле MiniZed Development Board
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
86
компоненты плис
достигающем 64 дБ. Чувствительность этого
цифрового микрофона составляет -26 dBFS
±3 дБ. Схема сопряжения цифрового микро-
фона с кристаллом XC7Z007S в инструмен-
тальном модуле MiniZed Development Board
изображена на рис. 9.
Окончание следует
Литература
1.	Зотов В. Расширение семейства программи-
руемых систем на кристалле Zynq-7000 АР
SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 12.
2014. № 1.
2.	Зотов В. Особенности архитектуры нового по-
коления ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы
Xilinx И Компоненты и технологии. 2010. № 12.
3.	Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 1 // Компоненты и технологии.
2016. № 3.
4.	Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 2 // Компоненты и технологии.
2016. №4.
5.	Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 3 // Компоненты и технологии.
2016. № 5.
6.	Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 4 // Компоненты и технологии.
2016. № 6.
7.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 1 И Компоненты
и технологии. 2016. № 7.
8.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 2 // Компоненты
и технологии. 2016. № 8.
9.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 3 И Компоненты
и технологии. 2016. № 9.
10.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 4 // Компоненты
и технологии. 2016. № 10.
11.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 5 // Компоненты
и технологии. 2016. № 11.
12.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 6 // Компоненты
и технологии. 2016. № 12.
13.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 7 // Компоненты
и технологии. 2017. № 1.
14.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 8 // Компоненты
и технологии. 2017. № 2.
15.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 9 // Компоненты
и технологии. 2017. № 3.
16.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 10 // Компоненты
и технологии. 2017. № 4.
17.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 11// Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 5.
18.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 12 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 6.
19.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 13 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 7.
20.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 14 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 8.
21.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 15 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 9.
22.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 16 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 10.
23.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 17 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 12.
24.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 18 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 1.
25.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 19 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 2.
26.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 20 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 3.
27.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 21 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 4.
28.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 22 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 5.
29.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 23 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 6.
30.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 24 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 7.
31.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 25 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 8.
32.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 26 // Компонен-
ты и технологии. 2018. № 9.
33.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии Vivado
HLx Design Suite. Часть 27 // Компоненты и тех-
нологии. 2018. № 10.
34.	Zynq-7000 SoC Overview. Xilinx, 2018.
35.	Zynq-7000 SoC (Z-7007S, Z-7012S, Z-7014S,
Z-7010, Z-7015, and Z-7020): DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, 2018.
36.	Zynq-7000 SoC (Z-7030, Z-7035, Z-7045 and
Z-7100): DC and AC Switching Characteristics.
Xilinx, 2018.
37.	Zynq-7000 SoC Technical Reference Manual.
Xilinx, 2018.
38.	Programming ARM TrustZone Architecture on
the Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC. User
Guide. Xilinx, 2018.
39.	Зотов В. Одноядерные полностью программи-
руемые системы на кристалле фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC. Часть 1 // Компо-
ненты и технологии. 2019. № 5.
40.	Зотов В. Аппаратные средства разработки
и отладки встраиваемых микропроцессорных
систем, проектируемых на основе расширяе-
мых вычислительных платформ фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC // Компоненты
и технологии. 2013. № 1.
41.	Зотов В. ZedBoard — эффективный инструмент
разработки и отладки встраиваемых микропро-
цессорных систем, проектируемых на основе
расширяемых вычислительных платформ
фирмы Xilinx семейства Zynq-7000 АР SoC И
Компоненты и технологии. 2013. № 6.
42.	Зотов В. MicroZed — семейство унифициро-
ванных модулей, предназначенных для отлад-
ки и реализации встраиваемых микропроцес-
сорных систем, проектируемых на основе рас-
ширяемых вычислительных платформ фирмы
Xilinx серии Zynq-7000 АР SoC // Компоненты
и технологии. 2013. № 11.
43.	MiniZed Hardware User Guide. Avnet Electronics
Marketing, 2017.
44.	MiniZed Getting Started Guide. Avnet Electronics
Marketing, 2018.
45.	MiniZed Revision 1 Schematic. Avnet Electronics
Marketing, 2017.
46.	Digilent Pmod Interface Specification. Digilent
Inc., 2011.
47.	Зотов В. Расширение функциональных воз-
можностей отладочных средств компании
Avnet Electronic Marketing с помощью пери-
ферийных модулей фирмы Maxim Integrated
Products // Компоненты и технологии. 2013. № 7.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
представляет
высокоэффективные
двухканалъные модули питания.
MaxLinear
изо
L27.3
95
90
85
80
75
Ф
70
65
60
• Программируемый плавный старт
0 0.5 1	1.5 2 2.5 3 3.5 4
Iqut (А)
5Vout 780kHz
3.3Vout 780kHz
2.5Vout 780kHz
1.8Vout 780kHz
1.5Vout 500kHz
1.2Vout 500kHz
I.OVout 500kHz

Ключевые параметры:
• Два выходных канала по 4 А (пиковый выходной ток 5 А)
-	Один вход на два канала, 4,5 до 20 В
-	Регулируемый выход от 0,6 до 5,0 В
• Схема управления по току:
-	Быстрый отклик на нагрузку
-	Изменяемая рабочая частота от 250 до 780 кГц
-	Встроенная цепь компенсации
• Защита от превышения тока потребления
• Защита от превышения выходного напряжения
□
□
ГАММА
www.icgamma.ru
info@icgamma.ru
Для получения полной информации по данным модулям обращайтесь в ближайший офис компании Гамма.
Выборг
тел.+7(812)320 40 53
факс+7(81378)35477
e-mail: info@icgamma.ru
Санкт-Петербург	Москва
тел. +7 (812) 312 6160 тел. +7 (495) 965 36 83
e-mail: ialekseev@icgamma.ru	e-mail: sh@icgamma.ru
Ульяновск
тел.+7 (8422) 256 911
e-mail: giv@icgamma.ru
Екатеринбург
тел.+7 (343) 286 7512
e-mail: shelamov@icgamma.ru
17-я
МЕЖДУНАРОДНАЯ /V
ВЫСТАВКА zx Y .
ЭЛЕКТРОНИКИ
РОССИЯ I МОСКВА
ЭКСПОЦЕНТР
0)
ТЕМАТИЧЕСКИЕ ЭКСПОЗИЦИИ
Экспозиция Департамента радиоэлектронной промышленности
Минпромторга России «Участники Государственной программы
«Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности
на 2013-2025 годы»
Экспозиция участников конкурса на присуждение премии
«Золотой Чип»
Экспозиция «Испытания и контроль качества ЭКБ»
Экспозиция «Новинки производителей электронных
компонентов»
Экспозиция «China electronics»
Экспозиция предприятий Зеленограда (Корпорация развития
Зеленограда)
Экспозиция предприятий АО «Росэлектроника»
А МИНПРОМТОРГ
/А России
Ростех
РОСАТОМ
Реклама
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
89
Микроконтроллеры
Analog Devices
с ультранизким
энергопотреблением
для систем 1оТ
Владимир МАКАРЕНКО,
к. т. н.
v.makarenko@vdmais.ua
В статье кратко рассмотрены характеристики микроконтроллеров со сверх-
низким энергопотреблением серии ADuCM302x и микроконтроллера
ADuCM4050, выпускаемых компанией Analog Devices. Приведены основные
характеристики и функциональные возможности новейшего микроконтрол-
лера ADuCM4050. Встроенные аппаратные блоки шифрования и защиты
данных, управления питанием и режимами работы обеспечивают сверх-
малый уровень энергопотребления при высокой производительности этих
устройств. Небольшая стоимость и высокие технические характеристики по-
зволяют создавать системы «Интернета вещей» с высокой степенью защиты
как от перехвата пересылаемых данных, так и от попыток считывания дан-
ных из микроконтроллера либо изменения его программного обеспечения.
К основным тенденциям развития си-
стем «Интернета вещей» (1оТ) можно
отнести расширение областей их при-
менения и увеличение непрерывного срока
службы без замены элементов питания.
Ключевой особенностью «Интернета ве-
щей» является то, что сенсоры взаимодейству-
ют с аналоговыми информативными сигна-
лами, которые преобразуются в цифровые
и обрабатываются средствами, имеющимися
в составе устройств 1оТ. Обработанные данные
передаются в облачные хранилища или цен-
тры обработки данных (ЦОД). Во многих си-
стемах мониторинга на основе «Интернета ве-
щей» используются беспроводные сенсорные
сети, в которых в моменты передачи и при-
ема информации резко возрастает энерго-
потребление. Поэтому первый структурный
узел IoT-системы включает сенсоры для пре-
образования физической величины в ана-
логовый электрический сигнал, усилители,
АЦП, процессор, а также канал передачи дан-
ных. Для минимизации расхода энергии сле-
дует исключить передачу избыточных данных
для последующей обработки в ЦОД.
Специалисты полагают, что в будущем
только 1% данных, находящихся в облаках,
будет использован, поскольку в целях сниже-
ния уровня угроз наиболее важные данные
желательно хранить в локальных хранили-
щах. Для уменьшения вероятности утечки
информации беспроводные сенсорные сети
должны иметь высокую надежность и эф-
фективную защиту от разного рода атак. Это
обеспечивается применением смарт-сенсоров
со встроенными микроконтроллерами об-
работки данных [1]. Следовательно, типовой
узел беспроводной сенсорной сети должен
иметь высокую надежность и встроенные
средства диагностики, встроенный блок пред-
варительной обработки данных, а также соз-
давать защиту от различного рода атак.
В течение многих лет компания Analog
Devices ведет разработки для систем «Интер-
нета вещей», предназначенные не только для
преобразования физических величин в элек-
трические сигналы, но и для интеллектуаль-
ной обработки сигналов сенсоров непосред-
ственно в месте их установки.
Назначение микроконтроллеров с уль-
транизким потреблением энергии семейств
ADuCM302x и ADuCM4050 состоит в пред-
варительной обработке и шифровании ин-
формации, которая затем будет передавать-
ся по беспроводным или проводным лини-
ям связи.
Семейство МК ADuCM302x построено
на базе ядра ARM Cortex-МЗ (насчитывает
три модели), а новейший микроконтроллер
ADuCM4050 — на базе ядра Arm Cortex-M4F.
Некоторые параметры этих микроконтрол-
леров приведены в таблице [3].
Рассмотрим подробнее характеристики
32-разрядного микроконтроллера с RISC-
архитектурой ADuCM4050 [4-6]:
•	индекс теста от ЕЕМВС ULPMark: 203;
•	напряжение питания: 1,74-3,6 В;
•	сверхмалые токи потребления в активном
и спящем режимах;
•	ток в активном режиме: 41 мкА/МГц;
•	в режиме Flexi: 400 мкА (узлы обработки
сигналов сенсоров работают автономно,
а процессор находится в спящем режиме,
сигнал тактовой частоты на него не пода-
ется, инструкции не выполняются, обмен
данными между периферийными устрой-
ствами и памятью может продолжаться
через DMA);
•	в режиме сна (Hibernate): 0,6 мкА;
•	в режиме выключения (Shutdown): 50 нА;
•	в режиме выключения (быстрое включение):
0,2 мкА;
•	процессор ARM Cortex-M4F, максимальная
тактовая частота: 52 МГц;
•	блок работы с переменными с плавающей
запятой (FPU);
•	слова данных: 8,16 и 32 разряда;
•	макроячейка трассировки инструкций
(ITM — Instruction Trace Macrocell);
•	интерфейс для отладки и прошивки
(SWD — Serial Wire Debug);
•	встроенный модуль управления питанием
(PMU — Power Management Unit);
•	встроенный понижающий DC/DC-
преобразователь для повышения энерго-
эффективности;
•	встроенная флэш-память с коррекцией
ошибок (ЕСС — Error Correcting Code):
512 кбайт;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
90
компоненты микроконтроллеры
Таблица. Параметры микроконтроллеров с ультранизким энергопотреблением
Тип	Максимальная тактовая частота, МГц	Объем Flash-памяти, кбайт	Объем ОЗУ, кбайт	Ток потребления в спящем режиме, нА	Безопасность	Последовательные порты	АЦП	Корпус
ADUCM4050	52	512	128	680	AES-128, AES-256, CRC, НМАС, защита ключом, защищенное хранилище ключей, SHA-256, TRNG	1 l2C, 1 SPORT, 2 UART, 3 SPI	1д=1,8МГц, 12 бит, 8 каналов	72-WLCSP (3,57x3,16x0,47 мм), 64-LFCSP (9x9x0,75 мм)
ADUCM355	26	128	64	3 мкА	—	1 PC, 1 UART, 2 SPI	16 бит, входы тока и напряжения	72-LGA (6x5x1 мм)
ADUCM3027	26	128	64	750	AES-128, AES-256, CRC, SHA-256, TRNG	1 PC, 1 SPORT, 1 UART, 3 SPI	ffl= 1,8 МГц, 12 бит, 8 каналов	54-WLCSP (2,76x2,76x0,47 мм), 64-LFCSP (9x9x0,75 мм)
ADUCM3029	26	256	64	750	AES-128, AES-256, CRC, SHA-256, TRNG	1 PC, 1 SPORT, 1 UART, 3 SPI	ffl = 1,8 МГц, 12 бит, 8 каналов	54-WLCSP (2,76x2,76x0,47 мм), 64-LFCSP (9x9x0,75 мм)
•	кэш-память: 4 кбайт (для уменьшения
средней потребляемой мощности);
•	системное ОЗУ: 128 кбайт с контролем чет-
ности;
•	сторожевой таймер со встроенным гене-
ратором;
•	аппаратный блок формирования цикли-
ческого избыточного кода (CRC — Cyclic
Redundancy Check) с программируемым
полиномом;
•	ОЗУ с многопараметрической защитой;
•	аппаратный криптографический ускори-
тель с поддержкой шифрования AES-128,
AES-256 и SHA-256;
•	защищенное хранилище ключей во флэш-
памяти на основе алгоритма шифрования
SHA-256 и ключом хешированного кода
проверки подлинности сообщения (НМАС);
•	защита кода пользователя;
•	аппаратный генератор случайных чисел
(TRNG — True Random Number Generator);
•	диапазон рабочих температур: -40...+85 °C.
В режиме сна (Hibernate) сохраняются: со-
держимое ОЗУ, состояние линий ввода/вы-
вода, ограниченное количество разрешенных
прерываний для пробуждения и работа часов
реального времени (RTC).
Микроконтроллер имеет развитую пери-
ферию:
•	два периферийных интерфейса UART
и один 12С;
•	три интерфейса SPI для подключения сен-
соров, радиомодуля и конвертеров;
•	интерфейс SPORT для простого сопряже-
ния с преобразователями и радиомодулями;
•	число программируемых выводов интер-
фейса ввода/вывода общего назначения
(GPIO) 44 в корпусе LFCSP и 51 в корпусе
WLCSP;
•	три универсальных таймера с поддержкой
ШИМ (PWM);
•	таймер для управления RGB-светодиодами;
•	часы реального времени RTC0 для хране-
ния времени и RTC1 для стробирования
сенсоров;
•	программируемый звуковой сигнал;
•	27-канальный контроллер DMA;
•	12-разрядный 8-канальный АЦП последо-
вательных приближений, частота дискре-
тизации 1,8 МГц;
•	цифровой компаратор.
Особенности синхронизации:
•	встроенный кварцевый генератор: 26 МГц;
•	возможность подключения внешнего квар-
цевого резонатора;
•	вход SYS_CLKIN для подключения внеш-
него тактового генератора;
•	встроенный синтезатор частоты на основе
ФАПЧ;
•	встроенный генератор: 32 кГц.
Структура МК ADuCM4050 приведена
на рис. 1.
Безопасность работы сенсорной сети под-
держивается стандартом шифрования дан-
ных AES-128, если сеть соответствует стан-
дарту IEEE 802.15.4, и стандарту шифрования
данных AES-128/256 для сети в стандарте
IEEE 802.11. В рамках стандарта шифрования
данных используется криптографический
генератор псевдослучайных чисел с разряд-
ностью 128 двоичных разрядов и список кон-
троля доступа (ACL), которые позволяют обе-
спечить необходимый уровень защиты бес-
проводных сенсорных сетей.
В микроконтроллерах семейства
ADuCM302x и ADuCM4050 для этого пред-
назначены следующие устройства [3]:
•	криптографический акселератор для шиф-
рования передаваемой информации;
•	аппаратный генератор случайных чисел;
•	средства для предотвращения несанкци-
онированного доступа к самому микро-
контроллеру.
Криптографический акселератор поддер-
живает шифрование по алгоритмам AES-128,
AES-256 в различных режимах (ЕСВ, СВС,
CTR, СВС-МАС, ССМ, ССМ*) и SHA-256.
Это 32-разрядное периферийное устройство
для шины АРВ с возможностью доступа че-
рез DMA. Оно содержит два 32-разрядных
буфера для операций ввода/вывода, которые
обеспечивают чтение и запись 128-разряд-
ных слов за четыре приема. Поддерживаются
форматы Big Endian (порядок передачи бай-
тов от старшего к младшему) и Little Endian
(порядок от младшего к старшему).
Структура криптографического блока
микроконтроллера ADuCM4050 приведена
на рис. 2 [5].
Ядро с тактовой
частотой 52 МГц
Рис. 1. Структура микроконтроллера ADuCM4050
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
91
Уровень приложений Cortex-M4
I
Рис. 2. Структура криптографического блока микроконтроллера ADuCM4050
Аппаратный генератор случайных чисел
можно использовать при формировании вы-
зовов для обеспечения безопасной связи или
ключей, предназначенных для зашифрован-
ного канала связи. Генератор можно запу-
скать несколько раз, чтобы получить доста-
точное количество разрядов для обеспечения
надежности намеченной операции.
Для защиты от несанкционированного до-
ступа в микроконтроллере реализован ряд ап-
паратных и программных механизмов защи-
ты, которые блокируют доступ к нему в без-
опасном режиме, но не препятствуют доступу
в открытом режиме. Эти механизмы вклю-
чают защищенные паролем ведомые режи-
мы загрузки через интерфейсы SPI и UART,
леров ADuCM4050 поддерживается рядом
устройств, в состав которых входят:
•	сторожевой таймер;
•	блок формирования циклического избы-
точного кода (CRC);
•	блок контроля четности;
•	блок коррекции ошибок флэш-памяти.
Сторожевой таймер (Watchdog Timer) со-
держит программируемый предварительный
делитель частоты и 16-разрядный вычитаю-
щий двоичный счетчик. Источник сигнала
для предварительного делителя частоты вы-
бирается программно, а его коэффициент де-
ления может быть задан равным 1,16 или 256.
Для тактирования сторожевого таймера
в микроконтроллере встроен микромощный
генератор тактовых сигналов частотой 32 кГц.
В задачу сторожевого таймера входит вывод
микроконтроллера из ошибочных состояний
программы. При нормально работающей про-
грамме таймер периодически перезагружается.
Если из-за какой-то ошибки этого не проис-
ходит, то по истечении контрольного срока
сторожевой таймер принудительно прерывает
работу микроконтроллера и инициализирует
работу программы с начального состояния.
Аппаратный блок формирования CRC
(акселератор CRC) с программируемым ге-
нератором полиномов вычисляет контроль-
ную сумму для всех областей памяти микро-
контроллера: ОЗУ, флэш-памяти или любой
комбинации регистров. Он генерирует кон-
трольные суммы, которые можно использо-
вать для сравнения с ожидаемой сигнатурой.
Обнаружение ошибок четности возможно для
всех областей ОЗУ. С каждым 32-разрядным
словом ассоциируются два бита четности.
Структура блока CRC приведена на рис. 3
[5].
Блок коррекции ошибок флэш-памяти
может исправлять однобитовые ошибки
или обнаруживать двухбитовые ошибки для
64-разрядных данных.
Надежность систем на основе микрокон-
троллеров ADuCM302x и ADuCM4050 до-
полнительно обеспечивается аппаратным
модулем защиты памяти (MPU — Memory
Protection Unit). Он позволяет разделить все
адресное пространство микроконтроллера
(то есть для хранения кода, данных и реги-
стров специальных функций) на отдельные
регионы и назначить определенные права до-
ступа к каждому из них. Применение модуля
MPU позволяет повысить надежность систе-
мы, а именно:
•	предотвращает воздействие прикладных
задач на код и данные операционной си-
стемы;
а также защищенный паролем отладочный
интерфейс SWD. С их помощью обеспечива-
ется защита от несанкционированного чтения
информации из флэш-памяти или ОЗУ, реги-
стров процессора и периферийных устройств
через внешние интерфейсы, а также защита
от неавторизованного внутрисхемного пере-
программирования.
Все эти средства можно конфигурировать
различными способами: разрешить только
чтение, чтение и запись или совсем отклю-
чить защиту. Они позволяют решить следу-
ющие задачи:
•	защита пользовательского встроенного
программного обеспечения от считывания
и подмены;
•	предотвращение повторного использова-
ния изделия;
•	безопасное обновление встроенного ПО
через UART.
Надежность — один из важнейших па-
раметров устройств «Интернета вещей» на-
ряду с энергопотреблением и безопасно-
стью. Надежность работы микроконтрол-
Рис. 3. Структура блока CRC микроконтроллера ADuCM4050
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
92
компоненты микроконтроллеры
Время, с
Рис. 4. Потребление тока микроконтроллером в режиме SensorStrobe
•	отделяет данные одной задачи от другой, предотвращая воздействие
результатов выполнения одной задачи на данные другой задачи;
•	позволяет присвоить региону памяти атрибут «только для чтения»,
чтобы жизненно важные данные были защищены от случайного
изменения;
•	помогает выявить непредвиденное обращение к памяти за преде-
лами допустимых адресов, например зафиксировать факт пере-
полнения стека или обращение к области памяти за ее границами.
В микроконтроллере предусмотрена технология SensorStrobe для
точной синхронизации данных, формируемых сенсорами. При этом
микроконтроллер может оставаться в режиме пониженного потре-
бления энергии (Hibernate), пока сенсоры осуществляют сбор данных.
На системном уровне это обеспечивает более чем десятикратную эко-
номию энергии и, как следствие, увеличение времени непрерывной
работы без замены или подзарядки источника питания. Работу микро-
контроллера в режиме SensorStrobe иллюстрирует рис. 4 [6].
Как видно на рис. 4, потребление тока микроконтроллером в мо-
мент стробирования составляет примерно 1,7 мА. Частота следования
импульсов может изменяться в пределах 0,5-128 Гц, а длительность
импульса равна 30,51 мкс. При частоте следования импульсов 1 с
среднее потребление тока составит 52 нА.
Новые микроконтроллеры могут поддерживать несколько ре-
жимов, что предоставляет возможность изменять конфигурацию
микроконтроллера под управлением программного обеспечения.
Типичными примерами являются режим работы, режим ожидания,
спящий режим с низким потреблением энергии и режим выклю-
чения. Каждый из них имеет ключевые характеристики, влияющие
на энергопотребление. В спящем режиме с низким потреблением
энергии не требуется высокая производительность и тактовая частота
снижается. В моменты интенсивных математических вычислений
тактовая частота повышается. Применяя эти методы, можно снизить
среднее потребление энергии на 99%.
Доступ к флэш-памяти осуществляется через специальный кон-
троллер, который связан с контроллером кэш-памяти с помощью
двух портов АНВ: один используется для чтения данных (DCode),
другой — для чтения инструкций (ICode). Для оптимизации чтения
инструкций в контроллере флэш-памяти предусмотрен механизм
выборки с упреждением (Prefetch).
Применение кэш-памяти и чтение инструкций из нее в некоторых
приложениях может обеспечить меньшее энергопотребление, чем
чтение инструкций непосредственно из флэш-памяти. В режиме
ожидания содержимое кэш-памяти не сохраняется.
МК семейства ADuCM4050 выпускаются в корпусах двух ти-
пов: 64-LFCSP с габаритами 9x9x0,75 мм и 54-WLCSP с габаритами
Рис. 5. Внешний вид оценочной платы ADZS-U4050WL-EZKIT
2,76x2,76x0,47 мм (с шариковыми выводами под нижней стороной
корпуса).
Средства поддержки разработки для семейства ADuCM302x
и ADuCM4050 включают документацию, оценочные наборы и про-
граммное обеспечение. В комплект документации, кроме [4-6], вхо-
дит ряд документов по применению и руководств для пользователя,
примеры разработки и обучающие видеоматериалы.
Для ускорения процесса разработки компания Analog Devices пред-
лагает оценочную плату ADZS-U4050WL-EZKIT [7], внешний вид
которой показан на рис. 5, а принципиальная схема — в [8].
Следует отметить, что архитектура микроконтроллеров
ADuCM3027, ADuCM3029 и ADuCM4050 отличается только процес-
сорным ядром. Микросхемы всех микроконтроллеров в корпусах
64-LFCSP совместимы по выводам и различаются только параметрами.
В микроконтроллере ADuCM355 [9] разрядность АЦП увеличена
до 16 бит при максимальной частоте дискретизации 400 кГц. Входы
тока и напряжения, входной буферный каскад, программируемый
усилитель, два трансимпедансных усилителя со сверхмалым потре-
блением, два малошумящих ОУ, встроенный температурный сенсор,
источник опорного напряжения, ЦАП с двумя выходами по напря-
жению, 12-разрядный быстродействующий ЦАП и встроенный циф-
ровой генератор сигналов позволяют на базе такого микроконтролле-
ра построить систему сбора данных от сенсоров тока и напряжения,
электромеханических сенсоров, измерять импеданс различных цепей
на частотах 0,01 Гц - 200 кГц и реализовать многие другие функции.
Дополнительную документацию и рекомендации по применению
можно найти на сайте компании Analog Devices [10].
Литература
1.	Мерфи Г. «Интернет вещей»: что дальше? // Электронные компоненты
и системы. 2018. № 1.
2.	Иоффе Д. ADuCM302x — новое семейство микроконтроллеров Analog
Devices для «Интернета вещей» // Компоненты и технологии. 2016. № 10.
3.	www.analog.com/en/parametricsearch/11339
4.	www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/
ADuCM4050.pdf
5.	www.analog.com/media/en/dsp-documentation/processor-manuals/
aducm4050-hrm.pdf
6.	www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/
AN-1543.pdf
7.	www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/
ADZS-U4050WL-EZKIT-UG-1165.pdf
8.	download.analog.com/tools/EZBoards/ADuCM4050/DesignFiles/
ADuCM4050_LFCSP_EZ-KIT_Schematic-Rel_Ll.pdf
9.	www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/
ADuCM355.pdf
10.	www.analog.com/en/search.html?q=ADuCM4050
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
ЭЛТЕХ - ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
►
ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT’S POSSIBLE™
ПРЕЦИЗИОННЫЙ Z-Д АЦП
CO ВСТРОЕННЫМИ
ЦИФРОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ
ПРЕИМУЩЕСТВА
ЧАСТОТА ОБНОВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ
АЦП ДО 1024 KSPS
ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН 108,5 ДБ
3 РЕЖИМА РАБОТЫ:
- ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ
- МЕДИАННЫЙ
- ЭКОНОМИЧНЫЙ
ю\1&(
(499) 270-0787 (383) 230-0415
(863) 206-5720
375 (17) 234-9944
www.eltech.spb.ru
 Санкт-Петербург "| Москва
(812) 327-9090
РЕКЛАМА
analog@eltech.spb.ru
 | Новосибирск В| Екатеринбург  | Ростов-на-Дону "| Минск
(343) 311-4228
Sfitex
28-я Международная выставка
технических средств охраны
и оборудования для обеспечения
безопасности и противопожарной защиты
О Системы пожаротушения
и огнезащиты
Системы контроля
и управления доступом
Системы
видеонабл юден ия
Охранно-Пожарная
сигнализация
О О ©
Забронируйте стенд:
sfitex.ru
ЖЖ Г-кддун^р -Д -
р	Выс I АИО111М1
I ▼ Ж Контачив
Организатор — компания MVK
Офи : н С а нк Г’Петер и ^рго
*7 (012) 3S0 6008/00
security -'а mvx.ru
Реклама
автоматизация
95
Гетерогенная система связи,
обеспечивающая когерентность
устройств для построения
самоорганизующихся сетей IPv6
Алексей ГУСАРОВ
gusarov.a@milandr.ru
Автоматизация учета потребления и управления энергоресурсами — одно
из необходимых условий стабильности функционирования и удобства
обслуживания современных энергосистем. Автоматизированная систе-
ма контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭР) от компании «Миландр»
обеспечивает регулярный сбор точной информации об энергоресурсах
на всех этапах их движения от ввода на объекте до каждой из конечных
точек потребления, предоставляет доступ к собранным данным для ана-
лиза состояния системы в целом, позволяет производить оперативное
управление исполнительными механизмами приборов учета и контроля.
Центром системы является устрой-
:тво сбора и передачи данных
У С П Д) — промышленный
тер, построенный на ядре ARM
Cortex-А9 [1], собирающий и хранящий
данные всех приборов учета, предоставля-
ющий доступ для их обработки и управле-
ния приборами системы, а также обеспечи-
вающий сетевое взаимодействие устройств
между собой и с внешними потребителя-
Рис. 1. Электросчетчик «Милур-107» с PLC/RF
ми. Основные устройства системы, УСПД
и электросчетчики «Милур» (рис. 1) с про-
токолами Modbus и СПОДЭС, оснащены
модулями связи — гетерогенными PLC/
RF-модемами. Автономные устройства с ба-
тарейным питанием (квартирные радио-
модули/счетчики импульсов, датчики тем-
пературы, влажности и т.д.) имеют только
RF-интерфейс для обеспечения минималь-
ного потребления энергии [2].
PLC/RF-модемы построены на основе
сигнального процессора собственной разра-
ботки 1657ВН044 и поддерживают сетевое
взаимодействие по двум интерфейсам:
Power Line Communications (PLC) — пере-
дача данных по энергосетям 0,4 кВ и радио-
канал (RF) в частотном диапазоне 868 МГц.
Использование в качестве физического
уровня заранее проложенных силовых ка-
белей и радиоэфира позволяет избежать
дополнительных расходов на сетевую ин-
фраструктуру при внедрении АСКУЭР, а ге-
терогенность — наличие двух независимых
интерфейсов с разными средами передачи —
увеличивает стабильность и непрерывность
сетевого взаимодействия даже во время рабо-
ты при высоком уровне помех.
Сетевой стек модулей связи создан на ос-
нове общепринятых стандартов и протоко-
лов, физические уровни реализованы в со-
ответствии с российскими нормативными
актами. Сетевой уровень стека поддерживает
протокол IP версии 6 и UDP в качестве прото-
кола канального уровня. Все сетевые устрой-
ства имеют стандартный IPv6 link-local-адрес
и UDP-порты для снятия показаний или
управления. При необходимости на УСПД
могут быть настроены внешние 1Ру6-адреса
для получения доступа к приборам через
глобальную сеть Интернет. Таким образом,
система может быть сконфигурирована как
облако «умных» устройств, являясь частью
набирающего популярность «Интернета ве-
щей» (1оТ). Система может горизонтально
и вертикально масштабироваться, объединяя
группы устройств в «умные» дома и «умные»
города. Данные со всех УСПД могут направ-
ляться на центральный сервер для принятия
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
автоматизация
Рис. 3. Несимметричные маршруты гетерогенной сети
решений, основанных на анализе больших
данных о потреблении не только отдельных
квартир, но и домов и целых микрорайонов.
Сбор информации о потреблении на всех
этапах позволяет регулярно проверять ба-
ланс между станциями распределения (под-
станции, котельные и т. д.), вводами в дома
и квартирами конечных потребителей и на-
ходить утечки или неисправности систем
транспортировки энергоресурсов.
Доступ к приборам учета возможен только
в рамках сессии с парольной защитой, под-
держиваемой между устройством и считы-
вающим ПО. Все данные канального уровня
сетевой инфраструктуры шифруются про-
токолом AES128 с использованием сессион-
ных ключей, которые могут заменяться как
регулярно по расписанию, так и посредством
прямого запроса УСПД. Все пакеты данных
также содержат цифровую подпись, что до-
бавляет аутентификацию и дополнительную
защиту от изменения передаваемых данных.
Распространение сессионных ключей про-
исходит по одноразовому защищенному
каналу сетевого уровня, устанавливаемому
между модемом УСПД и настраиваемым
устройством с помощью схемы открытого
распределения ключей (протокол ЕАР).
При включении любого из сетевых
устройств происходит поиск поддерживае-
мых сетей в зоне видимости. Затем устрой-
ство будет производить попытки регистра-
ции в каждой из сетей, передавая им свой
серийный номер и информацию, получен-
ную на основе ключа шифрования произ-
водителя. Обход списка найденных сетей
выполняется в порядке ухудшения качества
связи. В случае успешной проверки ключа
устанавливается временный защищенный
ЕАР-канал (рис. 2) — по нему устройство
передает информацию о себе (производи-
тель и название, серийный номер, версия ПО
и т. д.), которая передается по сети гетеро-
генных модемов на УСПД, где происходит
решение о принятии или отклонении запро-
са на присоединение устройства (например,
на основе белых списков приборов учета
данного объекта). В случае успешной реги-
страции устройству передаются параметры
сети, рекомендуемые настройки, текущий
сессионный ключ, параметры шифрования
канального уровня и информация о режимах
пониженного энергопотребления (сна) и рас-
писании опроса (для устройств с батарейным
питанием).
После регистрации в сети каждое устрой-
ство получает короткий 16-битный логиче-
ский адрес, и все внутрисетевое взаимодей-
ствие происходит с использованием данного
типа адресации. Длинные (64-битные) адре-
са, сформированные из серийных номеров
ПУ, используются только при регистрации
и поиске маршрутов. Применение корот-
кой адресации и сжатия канальных и сете-
вых заголовков позволяет сократить объем
накладных расходов на передачу данных
и увеличить пропускную способность сети
для передачи полезной нагрузки (рис. 3).
При этом внешнее обращение (с УСПД или
ПО опроса) происходит с использовани-
ем 1Ру6-адресов, построенных на основе се-
рийных номеров приборов учета, а внутри
сети уже транслируется в короткие адреса
на каждом канале «точка-точка». Все устрой-
ства, оснащенные PLC/RF-модемами, под-
держивают ретрансляцию пакетов, полно-
ценную маршрутизацию с указанием длин-
ного адреса устройства назначения, адреса
следующего узла сети и используемого сете-
вого интерфейса.
Сеть работает по алгоритму реактивной
маршрутизации LOADng (рис. 4). При необ-
ходимости послать пакет на узел происходит
поиск записей о нем в таблице маршрутиза-
ции. При их отсутствии происходит запуск
поиска маршрута: узел, желающий передать
пакет, генерирует пакет поиска короткого
адреса для длинного адреса искомого узла
(Route request — RREQ), записывает в него
свои длинный и короткий адреса и отправ-
ляет его всем соседним устройствам (ши-
роковещательный канальный домен). При
получении пакета RREQ каждый из узлов
генерирует запись таблицы маршрутиза-
ции с длинным адресом инициатора поис-
ка, коротким адресом узла, от которого был
получен пакет, интерфейсом, по которому
был получен пакет, и инкрементальной ме-
трикой, основанной на скорости и качестве
канала. При отсутствии в таблице маршру-
тизации уже наличествующей аналогичной
записи с лучшей метрикой она сохраняется,
а пакет поиска ретранслируется дальше всем
соседним устройствам.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
автоматизация
97
Рис. 4. Алгоритм маршрутизации LOADng
Искомое устройство, получив пакет
RREQ, генерирует ответный пакет, содер-
жащий собственный длинный и короткий
адреса, а также адреса инициатора поис-
ка (Route Response — RREP). Данный пакет
в зависимости от настроек сети может быть
отправлен как адресно (используя запись
о маршруте до инициатора поиска, добав-
ленную в таблицу маршрутизации на про-
шлом шаге), так и широковещательно (всем
соседним устройствам, например для по-
строения несимметричного маршрута в слу-
чае несимметричного физического канала
или при использовании узлов с различной
мощностью передатчика). Пакет RREP воз-
вращается к инициатору, используя записи
таблицы маршрутизации промежуточных
устройств, но заново пересчитывая метрику
для обратного маршрута. После получения
ответа инициатором между узлами присут-
ствуют установленные каналы связи (два
или один в случае симметричного маршру-
та), которые могут применяться для обмена
данными. Время жизни (Time to live — TTL)
записи о маршруте в таблице маршрутиза-
ции составляет 60-120 с. Каждый успешно
проходящий по каналу пакет сбрасывает
этот счетчик до максимального значения.
В случае разрыва маршрута (например, при
выключении одного из промежуточных
устройств или появлении помехи в одном
из интерфейсов) после нескольких попыток
передачи TTL истекает и маршрут перестра-
ивается заново. Использование реактивной
маршрутизации позволяет ячеистой сети
адаптироваться к изменяющимся условиям
канала, а также к изменяющемуся состоянию
и расположению сетевых узлов.
Дли синхронизации времени приборов уче-
та модули связи используют протокол МТР
(Mesh Time Protocol), основанный на про-
токоле точного времени (РТР — стандарт
IEEE 1588), адаптированный к условиям ге-
терогенной сети [3]. В отличие от ориги-
нального РТР, работающего поверх сетево-
го уровня IP, МТР действует на канальном
и частично физическом уровне, что позволя-
ет уменьшить задержку, вносимую дополни-
тельными уровнями сетевого стека, и сокра-
тить накладные расходы на сетевые заголовки
пакета и, как следствие, оказывать меньшее
влияние на пропускную способность сети.
Алгоритм применяет пары пакетов Sync —
Follow Up и Delay Request — Delay Response,
аналогичные РТР для коррекции времени
и измерения задержек передачи. Измерение
задержек выполняется независимо для каж-
дого из сетевых интерфейсов из-за разностей
физических каналов передачи данных. Для
выбора наиболее качественного источника
времени алгоритм использует понятие слоев
часов (Stratum) и разброс коррекции (рис. 5).
Основным источником времени является
УСПД, устанавливающий часы на соответ-
ствующем PLC/RF-модеме, считающемся
нулевым слоем. Модемы, получающие время
от него, считаются слоем один, их последова-
тели — слоем два, и т. д. Чем меньший слой
имеют часы модема, тем меньше суммар-
ная накопленная ошибка времени и точнее
часы. Раз в 2 мин модемы, имеющие источ-
ник времени, посылают пару пакетов Sync —
Follow Up. Принимающие их устройства со-
храняют информацию обо всех возможных
соседних источниках времени. Для каждого
из них рассчитывается средняя коррекция от-
носительно текущего времени и ее дисперсия.
Собрав информацию о соседних устройствах,
модем выбирает из них мастер-часы с мини-
мальным слоем и отклонением (рис. 6).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
98
автоматизация
70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000	Коррекция Скользящее среднее Экспоненциальное приближение PD-приближение													
		a												
										1				
						/									
						/								
														
														
					у									
25	27	29	31	33	35	37	39	41	43	45 1R МП														
14 000 12 000 10 000 8000 6000 4000 2000		6												
			/											
														
														
														
														
	f /													
					1									
и 25	30	35	40	45	50 Скользящее среднее: (dt^. = dtt Экспоненциальное приближение: {dt} = (1—cfy*(dtj 1+d'xdti PD-приближение: (dt} = (l—p')x^dt^ +pxdti+dx(dti—(<dt^_^														
Рис. 6. Усреднение ошибки коррекции времени: а) перестроение часов; б) одиночная ошибка
20 000
-10 000
0:00:00	0:06:00	0:12:00	0:18:00	0:24:00	0:30:00	0:36:00	0:42:00	0:48:00	0:54:00	1:00:00
Время работы, мин
Рис. 7. Отклонение времени на нескольких модемах
Для вычисления среднего отклонения
используется PD-регулятор, основанный
на экспоненциальном приближении скользя-
щего среднего. Данный подход позволяет
оперативно реагировать на перестроение ма-
стер-часов и сглаживать единичные ошибоч-
ные выбросы. В настоящий момент достиг-
нута точность синхронизации часов на моде-
мах порядка 10-15 мс. Синхронизация часов
ПУ производится установленными в них
модемами раз в сутки при расхождении вре-
мени более чем на 1 с (рис. 7).
В результате работы алгоритма МТР каж-
дое устройство хранит информацию о те-
кущем выбранном мастере часов и его слое,
что может быть использовано как маршрут
до УСПД с метрикой в виде количества ре-
трансляций, равной слою собственных часов.
Данный маршрут может быть использован
как вспомогательный при ретрансляции или
при необходимости срочной асинхронной
отправки пакетов (например, квартирным
радиомодулем при воздействии на магнит-
ную пломбу счетчика воды или газосигна-
лизатором при превышении порога концен-
трации).
Обновленная версия АСКУЭР в данный
момент развернута на территории компании
«Миландр» и на тестовых объектах ЖКХ.
Результаты работы положительные, повыси-
лось качество и стабильность связи с устрой-
ствами, исчезла необходимость в ручной
настройке маршрутизации, облегчена син-
хронизация времени для ПУ, что открыло до-
полнительные возможности использования
системы, в частности для получения стоп-
кадра сети — одновременного снятия показа-
ний всех ПУ на объекте.
Литература
1.	Мякочин Ю., Шедяков Д., Кареев К. УСПД
на базе Cortex-А9. Вклад в построение надежных
систем для ЖКХ // Электроника: НТВ. 2016. № 8.
2.	Мякочин Ю., Бирюков М., Гусаров А., Карпов И.
Квартирный радиомодуль для системы АСКУЭ //
Электроника: НТВ. 2017. № 2.
3.	Кареев К. Механизм синхронизации времени для
гетерогенных PLC/RF-модемов // Электронные
компоненты. 2017. № 9.
НОВОСТИ датчики
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
опытное и серийное производство,
проектирование, монтаж
Реклама
Новый инерциальный модуль 7360А
от компании Meggitt
Компания Meggitt выпустила новую модель
инерциального модуля 7360А, которая содер-
жит три гироскопа и три акселерометра с ана-
логовыми выходами в компактном исполнении.
Модуль 7360А предназначен для испытаний
и измерений в автомобильной, аэрокосмиче-
ской и прочих отраслях, где требуется надеж-
ное измерение ускорений и угловых скоростей
при наличии высоких уровней ударов и вибра-
ций.
Доступные варианты диапазонов измеряемых
ускорений и угловых скоростей:
•	для акселерометров: ±2, ±10, ±50, ±200, ±500д;
•	для датчиков угловых скоростей: ±100, ±500,
±1500, ±8000, ±12000, ±18000 °/с.
www.radiant.su
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
МИКРОСХЕМЫ / ПРИБОРЫ / СИСТЕМЫ
Разработка и производство
МИЛАННР
МИКРОСБОРКИ
Микросборки производства
компании «МИЛАНДР» поз-
воляют разрабатывать совре-
менную малогабаритную аппа-
ратуру цифровой обработки
и захвата сигнала повышен-
ной степени надежности
Оптимальное
соотношение
технических
характеристик,
надежности
и стоимости
«ОСВЕДОМЛЕННОСТЬ»
«ФЛИП-ЧИП»
«МОДУЛБ-АЦП8»
•	DSP-процессор до 230 МГц
•	Один 8-разрядный
приемопередающий
LINK-портдо 230 МГц
•	2 канала АЦП по 14 бит,
семплирование 15-125 МГц
•	Встроенная Флеш-память
16 Мбит(2Мх8)
•	Встроенная СОЗУ 12 Мбит
•	Встроенные контроллеры
2 UART, 5 SPI, 2 SSI, LCD-конт-р,
VideoCam, 2 МКИО (МКПД),
4 ARINC-429, 2 GPS
•	Корпус 51 х 51 мм, CPGA
•	4 DSP-процессора до 450 МГц
•	Внешняя DSP шина, 32 бита
адреса, 64 бита данных
•	Четыре 4-разрядных
приемопередающих
LINK-порта до 450 МГц
•	Встроенная Флеш-память
16Мбит2Мх8
•	Встроенная СОЗУ 96 Мбит
•	Напряжение питания
1.0 В ядро, 2.5 В LINK,
3.3 В Флеш
• Корпус 42 х 42мм, CPGA
•	АЦП 8 каналов по 14 бит,
семплирование 15-125 МГц
•	Отношение сигнал/шум
не менее 70 Дб
•	Когерентный захват сигнала
по всем каналам АЦП
•	Корпус 41x41 мм, CPGA
_Мы создаём будущее
Реклама
124498, г. Москва, Зеленоград, Георгиевский пр-т, д. 5 • info@milandr.ru
+7 (495) 981-54-33 • +7 (495) 981-54-36 (факс)	/ MILANDR.RU
100
проектирование схемотехника
Универсальный
связной контроллер
на базе ESP32-PICO-D4. Часть 2
Дмитрий ДОБРОХОТОВ
support-nostris.com.ua
Мы продолжаем цикл материалов по конструированию универсального
связного контроллера на SIP-модуле ESP32-PICO-D4 и рассмотрим про-
водное подключение этого модуля к сети Ethernet.
Согласно документации, SIP-модуль
ESP32-PICO-D4 содержит контроллер
MAC (Media Access Control — «управ-
ление доступом к среде»), совместимый
с IEEE-802.3-2008 для связи по локальной
сети Ethernet. Поэтому для подключения
ESP32 к физической шине локальной сети
(витая пара, оптоволокно и т.д.) необходи-
мо использовать микросхему так называе-
мого физического уровня (PHYs) (Physical
layer ICs — «микросхема физического
уровня»).
PHYs подключается к ESP32 через интер-
фейсы МП (Media Independent Interface —
«независимый от среды передачи интер-
фейс») или RMII (Reduced Media Independent
In-ter-face — «сокращенный независимый
от среды передачи интерфейс»).
Интерфейс Ethernet МАС (ЕМАС) в соста-
ве ESP32 имеет следующие характеристики:
•	скорость: 10 Мбит/100 Мбит;
•	специальный контроллер DMA, позво-
ляющий осуществлять высокоскорост-
ную передачу между выделенным SRAM
и Ethernet МАС;
•	поддержка VLAN;
•	полудуплексный (CSMA/CD) и полно-
дуплексный режимы;
•	подуровень управления МАС (контроль-
ные кадры);
•	32-битная генерация CRC;
•	несколько режимов фильтрации адресов
для физических и многоадресных адресов
(многоадресные и групповые адреса);
•	32-битный код состояния для каждого пе-
реданного или полученного кадра;
•	внутренние 32-разрядные FIFO для буфе-
ризации передающих и принимающих
кадров;
•	аппаратный РТР (протокол точного вре-
мени) в соответствии с IEEE 1588 2008
(РТР V2);
•	наличие встроенного генератора частоты:
25 МГц/50 МГц.
Более подробную информацию о модуле
Ethernet МАС можно найти в документации
начниESP32 [1].
Для подключения к сети Ethernet остано-
вимся на интерфейсе RMII, так как он ис-
пользует 9 выводов, а интерфейс МП — 17.
Из «коробки» в ESP-IDF реализована под-
держка микросхемы PHY — LAN8720A. Ею
мы и воспользуемся.
Структурная схема узла Ethernet уни-
версального связного контроллера на базе
ESP32-PICO-D4 представлена на рис. 1.
Интерфейс RMII является синхронным
и работает на частоте 50 МГц. ESP32-PICO-D4
может выдавать тактовую частоту 50 МГц
для LAN8720A, применяя встроенный APLL-
таймер, если он в это время не используется
для других целей.
Тактовый сигнал частотой 50 МГц можно
получить на одном из трех предварительно
ESP32-PICO-D4 10/100 Ethernet МАС	RMII ◄	>	LAN8720A PHY Приемопередатчик Ethernet	
Рис. 1. Структурная схема узла Ethernet
Рис. 2. Фрагмент схемы подключения LAN8720A к модулю ESP32-PICO-D4
с использованием внутреннего тактового генератора частотой 50 МГц
сконфигурированных выводов модуля, в ка-
честве которых выступают GPIOO, GPIO16
и GPIO17. Фрагмент схемы подключения
LAN8720A к модулю ESP32-PICO-D4 по-
средством встроенного генератора частоты
50 МГц представлен на рис. 2.
Сигналы служебного канала управле-
ния MDC и MDIO интерфейса RMII могут
быть переназначены на другие GPIO модуля
ESP32-PICO-D4, а сигналы канала приема/пе-
редачи данных TXDO, TXD1, TX_EN, RXD0,
RXD1, RX_DV, TX_CLK не могут быть пере-
назначены на другие GPIO.
При использовании внешнего тактового
генератора (рис. 3) сигнал частотой 50 МГц
с LAN8720A подается на вход TX_CLK мо-
дуля ESP32-PICO-D4, который закреплен
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
схемотехника проектирование
101
за GPIOO, что может привести к появлению
при загрузке уровня логический «О» на этом
входе, тогда модуль перейдет в режим про-
граммирования. Для предотвращения дан-
ной ситуации выход GPIOO к +3,3 В питания
надо подключать через резистор. Внешний
генератор имеет вывод активации EN, кото-
рый подтянут через резистор 4,7 кОм к «зем-
ле». Включение генератора происходит после
загрузки модуля через сигнал PHY_POWER,
подключенный к выводу активации EN.
Согласно документации на LAN 8720А
[2, 3] особое внимание необходимо уде-
лять подключению питания. Напряжение
питания 3,3 В необходимо подавать через
фильтр на выводы VDD1A, VDD2A и вы-
ходной каскад, запитанный через среднюю
точку трансформатора. Фрагмент схемы вы-
ходной части узла Ethernet и подключения
питания представлен на рис. 4. В выходной
части узла Ethernet для подсоединения про-
водного Ethernet использован разъем RJ-45
со встроенным трансформатором производ-
ства TRXCOM. В разъемы данного произво-
дителя также предусмотрены светодиоды.
На программном уровне в ESP-IDF (Espressif
IoT Development Framework) реализована под-
держка библиотеки LwIP (lightweight IP) — это
широко используемый TCP/IP-стек с откры-
тым исходным кодом, предназначенный для
встраиваемых систем. Первоначально он был
создан Адамом Дункельсом из Шведского
института компьютерных наук, а в настоя-
щее время проектируется и поддерживается
командой разработчиков.
Пример для демонстрации работы
ESP32-PICO-D4 совместно с LAN8720 на-
ходится в папке C:/ESP32/esp-idf/examples/
ethernet (C:/ESP32/esp-idf— путь, где уста-
новлен ESP-IDF) или его можно скачать
по ссылке https://github.com/espressif/esp-
idf/tree/master/examples/ethernet/ethernet.
Как подключить готовый пример и настро-
ить программную среду Eclipse, было описа-
но ранее [4]. При конфигурации необходимо
только выбрать LAN8720 А, указать PHY-
адрес (для LAN8720 А это 0 или 1), указать
источник тактирования и назначить GPIO
для MDG, MDIO или PHY_POWER, если ис-
пользуется внешний тактовый генератор
на 50 МГц (рис. 5).
Для разработчиков компания Espressif вы-
пускает программатор-отладчик ESP-PROG,
представленный на рис. 6. С его помо-
щью можно программировать устройства
на ESP32 и производить их отладку по JTAG
Interface.
После запуска скомпилированного при-
мера через ESP-PROG на компьютере можно
увидеть отладочную информацию (рис. 7).
Сообщение “Ethernet started” означает, что
чип ESP32 распознал LAN8720A и подклю-
чился к нему. При подсоединении к роутеру
появляется сообщение “Ethernet Link Up”,
а при получении IP-адреса высвечивается
сам адрес.
GND
Рис. 3. Фрагмент схемы подключения LAN8720A к модулю ESP32-PICO-D4
с использованием внешнего генератора частотой 50 МГц
При использовании других языков про-
граммирования и сред для разработки про-
граммного обеспечения необходимо сконфи-
гурировать применяемые выводы и подклю-
чить библиотеки для работы с LAN8720A.
При проектировании печатной платы необ-
ходимо особое внимание обратить на то, что
интерфейс RMII работает на частоте 50 МГц,
поэтому все соединения должны быть макси-
мально короткими.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
102
проектирование схемотехника
Рис. 5. Окно настройки конфигурации примера
Micro USB
PROGPWRSEL
PROG 2,54 мм
USB Bridge
JTAG PWR SEL JTAG 2,54 мм
Рис. 6. Программатор-отладчик ESP-PROG
Рис. 7. Фрагмент окна с отладочной информацией после запуска примера
В следующей статье мы рассмотрим подключение индикатора
RDX0154 к модулю ESP32-PICO-D4 и выведение на него отладочной
информации. Данный индикатор управляется через драйвер UC1601S
по интерфейсу 12С, то есть требует только двух выводов для подключе-
ния к модулю и позволяет отображать не только текст, но и графику.
Продолжение следует
Литература
1.	www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_
datasheet_en.pdf
2.	www.media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/SMSC/LAN8720.pdf
3. www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/LAN8720A%20
QFN%20Rev%20D%20Schematic%20Checklist.pdf
4.	Доброхотов Д. Н. Запускаем и настраиваем Eclipse как среду раз-
работки для ESP32 // CHIP NEWS Украина. 2018. № 10.
НОВОСТИ блоки питания
AC/DC-драйверы со встроенным управлением KNX
серии LCM-40/60KN от компании Mean Well
Компания Mean Well представляет AC/DC-драйверы для светодиодов
с функцией управления по KNX серии LCM-40/60KN на 40 и 60 Вт. Это се-
мейство драйверов со стабилизированным выходным током 350—1400 мА
теперь оснащено встроенной функцией управления в системе KNX, чего ранее
не встречалось на рынке светодиодных систем. Выходной ток устанавлива-
ется DIP-переключателями.
Технические характеристики:
Пластиковый корпус.
Диапазон входных напряжений: 180—295 ВАС.
Режим работы: стабилизация тока.
Мощность: 40 и 60 Вт.
Изоляция вход/выход: 3750 ВАС.
Коэффициент мощности: >0,975 при 100%-ной нагрузке, 230 ВАС.
Конвекционное охлаждение.
Диапазон рабочих температур: —30...+90 °C (корпус).
КПД: до 91%.
Дополнительные функции KNX: ручной димминг, количество отработанных
часов, потребление мощности, переключение кривой (логарифмическая/
линейная).
Габариты: 123,5x81,5x23 мм.
Защита от:
—	короткого замыкания;
—	перегрузки;
—	перегрева;
—	превышения напряжения на выходе.
Соответствие международным стандартам: СЕ/ЕАС.
www.eltech.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
Источники питания со встроенным
ИБП от Phoenix Contact
https://www.phoenixcontact.eom/webcode/#1991
TRIO DC-UPS - компактные источники бесперебойного
питания с выходным напряжением 24 В DC. Источник
питания уже внутри - осталось только подключить
батарею.
Основные параметры:
•	3 модели с выходным током 5,10 или 20 А;
•	входное напряжение 100...240 В АС /110...250 В DC
(модели 5 и 10 А);
•	встроенный USB-интерфейс;
•	4 дискретных выхода;
•	холодный запуск от батареи;
•	внешний аккумулятор до 38 Ач.
ООО «Феникс Контакт РУС»
119619 Москва,
Новомещерский проезд, д. 9, стр. 1
Тел.: +7(495) 933-8548
Факс: +7 (495) 931-9722
info@phoenixcontact.ru
www.phoenixcontact.ru
PHCENIX
CONTACT
Реклама
Приглашаем Вас посетить стенд «Феникс Контакт РУС» на выставке «Энергетика и Электротехника», 25-28 июня 2019 г.
по адресу: г. Санкт-Петербург, КВЦ «Экспофорум», пав. F, № F6.
104
проектирование схемотехника
Рекомендации по подключению
электродвигателя к Arduino
Электродвигатель нельзя подключить к программной платформе Arduino
непосредственным способом, поскольку из-за этого платформа может
повредиться. В случае использования малых электродвигателей проще
всего будет подключить их к Arduino через мост типа Н или через тран-
зисторы. Эти и другие возможные способы подключения рассмотрены
в данной статье.
Введение
При разработке системы может возникнуть необходимость вне-
дрить в нее электродвигатель — в основном он нужен для запуска
движения элементов такой системы и для создания транспортных
средств или роботов. Для управления электродвигателями, входя-
щими в систему, можно использовать программную платформу
Arduino. Это позволит управлять такими параметрами, как направле-
ние и скорость вращения вала двигателя.
Однако необходимо учитывать, что подключать двигатель к Arduino
можно только опосредованно, в ином случае может произойти перего-
рание выходного порта платформы, а также возможности управления
системой будут крайне ограничены. Дело в том, что через каждый вы-
ходной порт Arduino может проходить ток силой около 20 мА, а для
правильного функционирования даже самого малого электродвигате-
ля требуется в десятки или даже тысячи раз больше ампер. Чтобы уре-
гулировать силу подаваемого тока, можно использовать специальный
контроллер.
К программной платформе Arduino можно подключить любой вид
низкоамперного электродвигателя из существующих на рынке, в том
числе:
•	бесщеточные двигатели DC с коммутатором (рис. 1);
•	щеточные двигатели DC, являющиеся самыми простыми электро-
двигателями с питанием током DC (рис. 2);
•	вибрационные двигатели, которые посредством движения вала
генерируют вибрацию;
•	шаговые двигатели, обеспечивающие высокую точность управле-
ния посредством импульсного движения вала;
•	туннельные приводы EDF, состоящие из ротора и двигателя с кор-
пусом;
•	линейные серводвигатели, обеспечивающие линейное движение;
•	сервомеханизмы;
•	небольшие вакуумные и водяные насосы.
Параметры, на которые необходимо обратить внимание при выбо-
ре электродвигателя для Arduino, зависят от типа двигателя. Однако
наиболее существенными из них можно считать следующие:
•	сила потребляемого тока (характеризует силу тока, который тре-
буется для правильного запуска двигателя);
•	номинальное напряжение (значение напряжения, на котором будет
функционировать система, стандартные системы с Arduino рабо-
тают на напряжении 12 В);
•	крутящий момент (ключевой параметр электродвигателя, опреде-
ляющий его мощность: чем больший крутящий момент генерирует
двигатель, тем он мощнее);
Рис. 1. Пример бесщеточного двигателя DC
Рис. 2. Пример щеточного двигателя DC
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
схемотехника проектирование
105
•	скорость вращения (определяет скорость вращения вала двигателя);
•	масса и габариты (особенно важны при создании легких систем,
в которых принимаются во внимание размеры двигателя);
•	разрешающая способность (касается исключительно шаговых дви-
гателей и определяет точность, с которой может двигаться их вал);
•	линейная скорость (касается исключительно линейных двигателей
и характеризует скорость, с которой двигатель может выдвигать
вал в линейном направлении).
Способы подключения
Наиболее легкие способы подключения к Arduino подходят для
стандартных щеточных двигателей DC, вибрационных двигателей
и сервомеханизмов, а более сложные — для линейных серводвигате-
лей, шаговых двигателей и насосов. Рассмотрим возможные способы
подключения подробнее.
Подключение через транзистор
Щеточные двигатели DC и вибрационные двигатели являют-
ся наиболее простыми, они используются в системах чаще всего.
Стандартно к программной платформе подключаются двигатели
с силой тока 1-5 А, работающие на напряжении 5-9 В. Для более
мощных двигателей с большими параметрами применяются специ-
альные контроллеры.
Двигатели такого типа можно подключить к Arduino через тран-
зистор или через мост типа Н. При выборе подходящего способа
следует учитывать свои потребности и цели: первый метод позволяет
осуществлять управление только скоростью вращения вала двигате-
ля, а второй обеспечивает управление как скоростью, так и направле-
нием вращения вала.
Для подключения щеточного двигателя DC и вибрационного дви-
гателя с помощью транзистора требуются лишь три компонента:
ограничивающий резистор, выпрямительный диод и сам транзистор.
Например, в системе можно использовать выпрямительный диод
1N4148 или 1N4007, транзистор 2N2222 и ограничивающий резистор
с сопротивлением 10 кОм.
Вначале необходимо выбрать контакт Arduino с подходящим вы-
ходным напряжением. Его следует подсоединить на контактной плате
к резистору и только затем — к базе транзистора. Эмиттер транзистора
нужно заземлить, а его коллектор — подключить к двигателю через па-
раллельно подсоединенный выпрямительный диод. Также двигатель
необходимо подключить к питанию.
Резистор в схеме ограничивает силу тока, поступающего к тран-
зистору, а выпрямительный диод — риск возникновения обратных
токов и выбросов (скачков напряжения), которые могут появиться
при включении системы. Обратные токи и пики могут повредить
программную платформу.
Подключение через мост типа Н
Данный способ подключения позволяет управлять не только ско-
ростью, но и направлением вращения вала двигателя. Если при ис-
пользовании вибрационных двигателей такая возможность доволь-
но бесполезна (они будут генерировать вибрацию вне зависимости
от направления вращения вала), то управление валом щеточного
двигателя DC, как правило, является ключевой функцией системы.
Через мост типа Н можно также подключить линейный серводвига-
тель, если его конструкция основывается на двигателе DC.
Мосты типа Н можно построить самостоятельно из несколь-
ких транзисторов — или приобрести готовые системы. Их основ-
ная функция заключается в приеме сигнала, который посылается
Arduino, и трансформации его параметров на выходе моста.
При подключении щеточного двигателя DC, вибрационного или
линейного двигателя необходимо оснастить его ограничивающим
резистором (например, с сопротивлением 10 кОм), переключателем
и готовой системой моста типа Н (например, SN754410, L29NE или
L293D). На рис. 3 приведен пример такой системы.
Рис. 3. Готовая система моста типа Н
Ключевой параметр, на который стоит обращать внимание при
выборе моста типа Н,— токовая эффективность моста, то есть ин-
тенсивность потребляемого двигателем тока во время его максималь-
ной нагрузки. Также мосты типа Н могут отличаться по строению
и выводам контактов, поэтому перед тем, как приступить к работам
по подключению двигателя к Arduino, следует верифицировать схему
вывода контактов в техническом описании моста. Рассмотрим при-
мер подключения электродвигателя к Arduino таким способом с по-
мощью моста L293D.
Мост L293D включает следующие контакты:
•	контакт 1 — отвечает за управление скоростью двигателя;
•	контакты 2 и 7 — отвечают за направление вращения вала дви-
гателя;
•	контакт 8 — питание VC до 36 В;
•	контакт 9 — может управлять скоростью второго подключенного
двигателя;
•	контакты 10 и 15 — могут управлять направлением вращения вала
второго подключенного двигателя;
•	контакт 16 — питание VCC до 5 В;
•	контакты 4, 5, 12 и 13 — заземляемые (подключаемые к земле
(GND)).
Для начала нужно разместить мост типа Н на контактной плате.
Затем подключить массу моста к питанию, а после этого — пита-
ние двигателя (или двигателей). Следующим этапом подключения
к платформе является обеспечение электропитания логической си-
стемы управления мостом, а последний шаг — подключение контак-
тов, которые отвечают за управление работой одного или нескольких
двигателей.
Необходимо учитывать, что систему моста типа Н с электриче-
ским двигателем можно запитать от одного или двух напряжений.
В первом случае понадобится использовать источник питания, ко-
торый имеет соответствующую хорошую фильтрацию, способную
ограничить риск возникновения помех. Более оптимальным, попу-
лярным и безопасным решением является питание системы от двух
источников. Тогда работа двигателя будет запитана от моста, а логи-
ческая часть моста (управляющая работой двигателя) — от другого
независимого источника. Следовательно, пятивольтный контакт
Arduino лучше подключить к логической части моста, а остальное
питание — к контактам моста, которые отвечают за управление
двигателем.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
106
проектирование схемотехника
TRANSFER MULTISORT ELEKTRONIK
ДИСТРИБЬЮТОР ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
ШИРОКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ
ВЕНТИЛЯТОРОВ
В TRANSFER MULTISORT ELEKTRONIK
Подключение сервомеханизмов
Сервомеханизмы подключить к Arduino очень просто, поскольку
их выходы всегда одинаковы. Для этого сначала нужно подключить
массу питания двигателя и питание системы (обычно используются
два пятивольтных источника питания). Далее следует подключить
выход PWM Arduino (обозначен знаком «~») к контакту, управля-
ющему сервомеханизмом. Последним этапом является запись соот-
ветствующей библиотеки.
Подключение шаговых двигателей
через выделенный контроллер
Для подключения к платформе Arduino шаговых двигателей ис-
пользуются специальные контроллеры. При выборе такого кон-
троллера для определенного двигателя необходимо учесть их мак-
симальную интенсивность тока и номинальное напряжение. Кроме
того, контроллер должен соответствовать напряжению питания
как двигателя, так и системы. Токовая эффективность контроллера
должна превышать максимальную интенсивность тока, потребляе-
мого двигателем.
Рассмотрим пример подключения к Arduino шагового двигателя
с напряжением 12 В с помощью контроллера А4988. Установим
контроллер на контактной плате, а затем подключим контакты GND
и VDD к питанию контроллера (3-5,5 В). Контакты GMD и VM0T
подключим к питанию двигателя, а контакт SLP — к контакту RST.
Контакты 1А, 2А, 1В и 2В подключаем к двигателю. Способ под-
ключения этих контактов зависит от того, является ли шаговый
двигатель биполярным или униполярным. В первом случае контакт
1А следует подключить к черному кабелю двигателя, контакт 2А
к красному кабелю, контакт 1В к зеленому кабелю, а контакт 2В
к голубому кабелю. Униполярные двигатели оснащены шестью про-
водами, но желтый и белый кабель можно не подключать.
Если шаговый двигатель подключен к Arduino правильно, то для
высокого положения вал двигателя вращается вправо, а для низко-
го — влево. Для нарастающего фронта вал двигателя делает один шаг,
а его направление зависит от подключения контакта DIR.
НОВОСТИ транзисторы
www.tme.eu
Electronic Components
TRANSFER MULTISORT ELEKTRONIK
ДИСТРИБЬЮТОР ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Устронна 41,93-350 Лодзь, Польша
тел. +48 42	645 54 44, export@tme.eu, tme.eu
._______________ И facebook. com/TME. eu
tme.eu	О youtube.com/TMElectroniComponent
_________________________ |c^ instagram.com/tme.eu
Отечественные
биполярные транзисторы
в корпусе SOT-23
ЗАО «Группа Кремний Эл»
в рамках импортозамещения
приступило к массовому вы-
пуску ряда комплементарных
пар маломощных высокочастот-
ных биполярных транзисторов
КТ228_9—КТ235_9 в корпусе для
поверхностного монтажа КТ-46
(SOT-23) — полных аналогов по-
пулярных импортных транзисто-
ров серий ВС8хх.
Транзисторы предназначены
для применения в переключаю-
щих и усилительных схемах, ВЧ-генераторах и в другой РЭА производ-
ственно-технического назначения.
Ключевые параметры:
•	граничное напряжение коллектор-эмиттер: 11кэ0 гр = 30—65 В;
•	максимальный ток коллектора: lkmax = 0,1—0,5 А.
www.group-kremny.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
GS NANOTECH
GS GROUP
SSD от GS Nanotech
Первые российские
твердотельные
накопители
«м GS NANOTECH
csCROUP
SATA 6 Gb/s 2.5
Преимущества:
Полный цикл производства в России
Производство сертифицировано по ISO 9001:2015
Максимальная безопасность данных: отсутствие
«закладок»
Форм-фактор: 2,5" / М.2 / нестандартный
по требованию заказчика
Возможность брендирования продукта логотипом
заказчика
Характеристики:
Емкость: от 128 Гб до 2 Тб
Интерфейс: SATA 3.0 6 Гбит/с; PCIe Gen3x4 NVMe
 Тип памяти NAND Flash: MLC / 3D MLC / 3D TLC
Мах скорость последовательной записи:
до 520 Мб/с (SATA) / до 3 200 Мб/с (PCIe)
Мах скорость последовательного чтения:
до 560 Мб/с (SATA) / до 3 200 Мб/с (PCIe)
Диапазон рабочих температур: коммерческий
О...+7О°С/ индустриальный -4О...+85°С
Мах скорость произвольной записи:
до 70 000 IOPS (SATA / PCIe)
Мах скорость произвольного чтения:
до 90 000 IOPS (SATA) / до 400 000 IOPS (PCIe)
Реклама
Производство:
238050, Россия,
Калининградская область, г. Гусев,
ул. Индустриальная, д. 11
По коммерческим вопросам:
197110, Санкт-Петербург,
ул. Новоладожская, 4, кор. 1
+7 (812) 332-86-68
sales@gsnanotech.com
www.gsnanotech.ru
108
проектирование
схемотехника
О повторном использовании
аппаратных ресурсов
конечного автомата
Василий ДЕНИСЕНКО
В настоящей заметке предложен подход, позволяющий повторно приме-
нять ресурсы конечного автомата при проектировании цифровой системы
с использованием языка описания аппаратуры.
Введение
В тематике проектирования цифровых си-
стем на языке описания аппаратуры важную
роль играет принцип повторного использо-
вания аппаратных ресурсов. Однако в спе-
циализированной литературе данный прин-
цип не часто применяется к вопросам про-
ектирования на основе конечных автоматов.
В настоящей работе предложены конечные
автоматы специального вида, которые могут
быть повторно использованы при разработ-
ке различных цифровых систем.
Теоретический аспект
Рассмотрим структурную схему классиче-
ского конечного автомата, представленную
на рис. 1 [1].
По схеме видно, что зависимыми от про-
екта частями автомата являются логика пе-
реходов и выходная логика. Одна из идей,
приводящая к повторно используемым ко-
нечным автоматам, состоит в замене логики
переходов и выходной логики на модуль па-
мяти. Такой конечный автомат называется
микрокодовым (microcoded FSM, рис. 2).
Память адресуется конкатенацией вход-
ных значений и текущего состояния. Каждое
слово в памяти определяет поведение авто-
мата для любой комбинации входных зна-
чений и текущего состояния и называется
микрокомандой (или микроинструкцией).
Содержимое всей памяти называется микро-
кодом (или микропрограммой). Таким об-
разом, появляется возможность повторно
использовать автомат в различных проектах,
наделяя его новой функциональностью пу-
тем изменения содержимого памяти.
Предложены различные улучшения микро-
кодового автомата, оставляющие основной
принцип неизменным. Одно из них — введе-
ние контроллера команд (instruction sequencer).
Такой автомат позволяет хранить для каждого
состояния только одну микрокоманду, в кото-
рой содержится дополнительное поле с коман-
дой ветвления; подробности приведены в [2].
Рассмотрим теперь другую идею, также
приводящую к повторно используемому ко-
нечному автомату. Для удобства назовем та-
кой автомат автоматным ядром. Во-первых,
отделим от структуры классического конеч-
ного автомата один из изменяемых блоков —
rst
Рис. 1. Структурная схема конечного автомата: а) Мура; б) Мили
к
входы —
к+п о	m+n
-у—— о. Память * —/—С
rst
Рис. 2. Структурная схема микрокодового конечного автомата
выходную логику. Во-вторых, введем логику
переходов специального вида. А именно по-
требуем, чтобы для каждого состояния вход-
ной сигнал прямо задавал следующее состоя-
ние автомата. В такой логике переходов долж-
ны присутствовать входные шины по числу
> выходы
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
схемотехника проектирование
109
ВХОДЫ
Рис. 3. Структурная схема автоматного ядра (используется последовательная кодировка состояний)
состояний. Разрядность этих шин определя-
ется применяемой кодировкой состояний.
В итоге получаем структурную схему авто-
матного ядра, представленную на рис. 3.
Для встраивания автоматного ядра в кон-
кретный проект требуется подключить
внешнюю логику, зависящую исключитель-
но от входных сигналов, к каждому входу
логики следующего состояния автоматного
ядра, а также добавить внешнюю выходную
логику. Данный подход позволяет реализо-
вать произвольный автомат с таким же или
меньшим количеством состояний, поскольку
автоматное ядро позволяет из каждого со-
стояния перейти в любое другое. Отметим,
что при встраивании автоматного ядра мож-
но в случае необходимости заменить вход-
ную и выходную логику на модули памяти,
по аналогии с микрокодовым автоматом.
Рис. 4. Диаграмма переходов автоматного ядра
из листинга 1
Пример реализации
В листинге 1 представлен пример реа-
лизации автоматного ядра с четырьмя со-
стояниями, на рис. 4 дана его диаграмма
переходов, а на рис. 5 — функциональная
симуляция.
Во многих приложениях требуется цикли-
ческое управление, при котором заданная
последовательность действий выполняется
снова и снова. В такой ситуации удобно ис-
пользовать упрощенную версию автоматно-
го ядра, в которой можно или перейти в сле-
дующее по порядку состояние, или остаться
в текущем, а из последнего состояния пере-
ход осуществляется в исходное. Определение
такого модуля для четырех состояний может
выглядеть, например, так (диаграмма пере-
ходов приведена на рис. 6):
Рис. 6. Диаграмма переходов циклического
автоматного ядра из листинга 2
module fsm_4s_universal
(
input logic input logic	elk, rst,	// Тактовый сигнал И Сброс
input logic [1:0]	trans_0x,	И Номер следующего состояния // для состояния 0
input logic [1:0]	trans_lx,	// Номер следующего состояния И для состояния 1
input logic [1:0]	trans_2x,	И Номер следующего состояния // для состояния 2
input logic [1:0]	trans_3x,	И Номер следующего состояния // для состояния 3
output logic [1:0]	state	И Текущее состояние
И Для удобства можно
И предусмотреть отдельные
// линии для каждого состояния
);
И Кодировка состояний
enum logic [1 : 0] {
SO = 2'b00,
SI = 2Ъ01,
S2 = 2'blO,
S3 = 2'bll
} estate, nstate; // текущее и следующее состояния
И Регистр состояния
always_ff @ (posedge elk or posedge rst) begin
if (rst) estate <= SO;	11 no умолчанию состояние SO
else estate <= nstate;
end
// Логика переходов
always_comb begin
unique case (estate)
SO:
unique case (trans_0x)
2'dO: nstate = SO;
2'dl: nstate = SI;
2'd2: nstate = S2;
2'd3: nstate = S3;
default: nstate = SO;
endcase
SI:
unique case (trans_lx)
2'dO: nstate = SO;
2'dl: nstate = SI;
2'd2: nstate = S2;
2'd3: nstate = S3;
default: nstate = SI;
endcase
S2:
unique case (trans_2x)
2'dO: nstate = SO;
2'dl: nstate = SI;
2'd2: nstate = S2;
2'd3: nstate = S3;
default: nstate = S2;
endcase
S3:
unique case (trans_3x)
2'dO: nstate = SO;
2'dl: nstate = SI;
2'd2: nstate = S2;
2'd3: nstate = S3;
default: nstate = S3;
endcase
default:	nstate = SO;
endcase
end
// Выходная логика
assign state = estate;
endmodule
Листинг 1. Пример автоматного ядра
с четырьмя состояниями (SystemVerilog)
Рис. 5. Функциональная симуляция автоматного ядра из листинга 1
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
110
проектирование схемотехника
module fsm_4s_sequencer (		// Тактовый сигнал И Сброс
input logic input logic	elk, rst,	
input logic	trans_01,	И 1 — переход в состояние 1 из состояния 0 И 0 — сохранение состояния 0
input logic	trans_12,	И 1 — переход в состояние 2 из состояния 1 //0 — сохранение состояния 1
input logic	trans_23,	И 1 — переход в состояние 3 из состояния 2 И 0 — сохранение состояния 2
input logic	trans_30,	И 1 — переход в состояние 0 из состояния 3 И 0 — сохранение состояния 3
output logic [1	: 0] state	И Текущее состояние
И Для удобства можно предусмотреть
И отдельные линии для каждого состояния
Листинг 2. Пример определения модуля циклического автоматного ядра
с четырьмя состояниями (SystemVerilog)
Заключение
Предложенный подход упрощает и ускоряет проектирование
сложных систем управления. Автомат с большим количеством со-
стояний может быть декомпозирован на ряд небольших взаимодей-
ствующих автоматных ядер, каждое из которых реализует некоторую
функцию. На практике удобно применять автоматные ядра с коли-
чеством состояний 2 (синхронный RS-триггер!), 4, 8 и 16. Ядра могут
быть подключены последовательно, параллельно, а также запускать
выполнение одного автомата из другого, подобно вызову подпро-
граммы. Кроме того, данный подход упрощает отладку, поскольку
автоматные ядра требуется написать и отладить один раз.
Следует отметить также, что принцип повторного использования
аппаратных ресурсов распространен и на проектирование цифровых
систем с параллельным управлением на базе сетей Петри. Строить
такие сети удобно на основе идентичных базовых структур. Каждая
базовая структура есть простой модуль, состоящий из D-триггера,
элемента И и элемента ИЛИ. Базовая структура моделирует одну
позицию сети Петри и имеет два сигнала перехода для добавления
и удаления метки из этой позиции, подробная информация пред-
ставлена в [3].
Литература
1.	Pedroni V. A. Finite state machines in hardware: theory and design (with VHDL
and SystemVerilog). The MIT Press, 2013.
2.	Stanford’s ЕЕ 108A course: Introduction to digital circuits and their applications.
www. web. stanford.edu/class/archive/ee/ee 108a/ee 108a. 1082/reader/
3.	Minns P., Elliott I. FSM-based Digital Design using Verilog HDL. John Wiley
8c Sons, 2008.
НОВОСТИ силовая электроника
Новый изолированный драйвер SCALE-iDriver
для управления силовыми SiC-MOSFET-транзисторами от Power Integrations
Компания Power Integrations представила
SIC1182K — новый высокоэффективный одно-
канальный драйвер затвора карбид-кремниевых
(SiC) MOSFET, который обеспечивает самый вы-
сокий для драйвера в микросхемном корпусе
пиковый ток на выходе без дополнительного бу-
стерного каскада. Драйвер может быть настроен
на различные значения выходных управляющих
напряжений, соответствующие современным тре-
бованиям, предъявляемым к карбид-кремниевым
силовым MOSFET-ключам.
Области применения:
•	бесперебойные источники питания UPS;
•	фотогальванические системы;
•	сервоприводы;
•	инверторы для сварочного оборудования;
•	источники питания.
Особенности и характеристики:
•	выходной ток до 8 А при температуре перехода
+ 125 °C позволяет использовать драйверы в ин-
верторах мощностью до нескольких сотен кВт
без умощняющего каскада;
•	обеспечивает усиленную изоляцию до 1200 В;
•	высокоскоростная технология гальванической
изоляции управляющих сигналов FluxLink;
•	частота коммутаций: до 150 кГц;
•	защитное отключение при провалах питания
по первичной и вторичной стороне (UVLO);
•	улучшенная активная защита от бросков напря-
жения на силовом ключе (ААС);
•	быстрое защитное отключение в течение 5 мкс;
•	расстояния пробоя по воздуху и по поверхно-
сти: >9,5 мм;
•	технология SCALE-iDriver позволяет сократить
количество внешних компонентов, танталовые
и электролитические конденсаторы не нужны;
•	может быть использована двухслойная плата,
что позволяет упростить дизайн, сократить
количество компонентов и удешевить произ-
водство;
•	отвечает требованиям стандартов IEC60664-1,
IEC61800-5-1, UL 1577, VDE0884-10 в рассмо-
трении.
www.power.com
Новая серия однополюсных силовых реле от Omron
Компания Omron представила новую серию
однополюсных силовых реле G2RL-1A-E2-CV-HA
(23А).
Ключевыми особенностями данной серии реле
являются:
•	Максимальный коммутируемый ток: 23 А,
что выше, чем у стандартной серии реле G2RL.
•	Максимальное коммутируемое напряжение:
250 В АС.
•	Рабочая температура окружающей среды:
до+105 °C.
•	Низкопрофильные: высота 16,7 мм.
• Соответствуют стандарту EN60335-1.
Характеристики катушек:
Номинальное напряжение	Номинальный ток, мА	Сопротивление катушки, Ом
5 В DC	80	62,5
12 В DC	33,3	360
24 В DC	16,7	1,44
www.ptelectronics.ru
• Усиленная изоляция между катушкой и контак-
тами.
• Номинальное выдерживаемое импульсное
напряжение: 10 кВ (1,2x50 мкс).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
I TRACO POWER
Серия THN 15N - DC/DC-преобразователи
с КПД до 91%
от -40°C
до +70
www.ptelectronics.ru
info@ptelectronics.ru
8 800 333 63 50
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
о
S
о
£
Внутренний фильтр EN 55032 класс A
Диапазон рабочих температур от -40 до +70 °C
без ухудшения характеристик
Низкое энергопотребление без нагрузки 96-ЗЗБ мВт
Мощность 15 Вт
Широкий диапазон входного напряжения (2:1):
9-18,18-36, 36-75 В
Защита от перегрузки, перенапряжения и
короткого замыкания
Дистанционное включение / выключение и
функция регулировки выходного напряжения
3 года гарантии

112
проектирование сапр
Разработка моделей цифровых
элементов Digital SimCode
для Altium Mixed Sim
Юрий ЛЕГАН
yuri.legan@altium.com
Современные САПР электронных устройств, например Altium Designer,
обладают колоссальной функциональностью в части управления дан-
ными проектов, проектирования схем, проектирования печатных плат,
инженерного анализа. В Altium Designer инженерный анализ выполняется
различными расчетными модулями, применяемыми в зависимости от по-
ставленной задачи. Существуют возможности выполнять пред- и посттопо-
логический анализ целостности сигналов, расчет посттопологических ста-
тических электрических нагрузок на цепи питания, расчеты электрических
режимов функционирования элементов схемы. Одна из составляющих
Altium Designer — высококачественный имитатор электрических схем
Altium Mixed Sim. Чтобы упростить программирование разработки моде-
лей цифровых компонентов, в Altium Mixed Sim введена универсальная
модель цифрового компонента с использованием языка Digital SimCode.
Введение
Данный имитатор позволяет выполнять
различные виды расчетов электрических
режимов схемы на этапе проектирования.
В том числе он имеет алгоритмы моделиро-
вания смешанных сигналов, реализующих
расчет поведения электрической схемы, со-
держащей как аналоговые, так и цифровые
компоненты. Расчет поведения электриче-
ской схемы выполняется как расчет переход-
ного процесса во временной области.
Данный подход давно известен и реализо-
ван во многих распространенных имитато-
рах электрических схем. Естественным за-
труднением этого подхода становится описа-
ние моделей цифровых компонентов. Такие
компоненты характеризуются обычно боль-
шим количеством внутренних элементов,
функционирующих в ключевом, или ина-
че — вентильном, режиме и реализующих
такие внутренние состояния своих схем, ко-
торые обычно приближены по напряжениям
к потенциалам питания. Моделировать схе-
мы на уровне транзисторов — мероприятие
чрезвычайно сложное и затратное с точки
зрения ресурсов вычислительной системы.
Поэтому все цифровые компоненты модели-
руют на так называемом логическом уровне,
интерпретируя значения внутренних функ-
ций цифровых компонентов в логической
форме, имеющей несколько допустимых
статических состояний — О, 1, X и Z, а также
известные динамические взаимные перехо-
ды между статическими состояниями. Для
решения задачи моделирования цифровых
компонентов в имитаторе Altium Mixed Sim
реализована поддержка специфических мо-
делей имитатора XSPICE, описывающих
цифровые компоненты.
Изначально XSPICE обладал открытой
программной спецификацией и допускал
«достраивание» своей функциональности
за счет разработки дополнительных моде-
лей компонентов в виде программных мо-
дулей на языке C++, обладающих опреде-
ленной совместимостью по программному
интерфейсу с ядром имитатора. Этот под-
ход предоставлял широкие возможности
для построения моделей, но требовал от ин-
женера нетривиальной специализации до-
полнительно как программиста. Кроме того,
каждое расширение функциональных воз-
можностей имитатора предполагало новую
сборку, а значит, доступ к программным би-
блиотекам его реализации, и накладывало за-
висимость на применяемый компилятор: ис-
пользуя разные компиляторы, разработчики
расширений ядра имитатора могли получать
несколько различающиеся результаты, даже
при одном исходном коде.
Для того чтобы снизить требования к навы-
кам программирования разработки моделей,
в ядро имитатора Altium Mixed Sim введена
универсальная модель цифрового компо-
нента. Она реализует определяемую пользо-
вателем функциональность через восприя-
тие плоского текстового файла, содержащего
описание цифрового элемента на языке Digital
SimCode. Такой подход позволил отказаться
от необходимости расширения имитатора
дополнительными пользовательскими про-
граммами, а значит, и снизить требования
к навыкам разработки ПО со стороны поль-
зователей. Пользователю, разрабатывающе-
му модель цифрового компонента, теперь
не нужно иметь специальность програм-
миста, знать язык C++ на хорошем уровне,
а достаточно овладеть гораздо более простым
языком Digital SimCode.
Назначение Digital SimCode
По своей сути Digital SimCode является
языком описания аппаратуры (HDL), экви-
валентным по основной функциональности
другим языкам подобного назначения. Он
предназначен для описания функциониро-
вания цифровых элементов на логическом
уровне.
Работа модели Digital SimCode основа-
на на принципе событийного моделиро-
вания — имитатор отслеживает входящие
сигналы и проверяет их на изменение экви-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
сапр п роекти рован ие
113
валентного логического состояния, а также отслеживает внутренние
состояния модели. При наличии события изменения состояния вхо-
дящего сигнала или внутреннего состояния модели формируется
обработка события. Измененные выходные сигналы отражаются
во внешних цепях моделируемого цифрового компонента. Сигналы
модели, обращенные к внешней схеме, называют выводами, или
портами модели.
Основные возможности
Digital SimCode позволяет:
•	описывать перечни входных и выходных сигналов, указать выводы
питания, выводы типа вход/выход, формировать подгружающие
эффекты входов;
•	указывать выходные нагрузочные характеристики для выходных
выводов;
•	указывать законы преобразования электрических уровней в логи-
ческие состояния и логических состояний в электрические уровни;
•	описывать логические функции устройства на основе логических
термов;
•	реализовать циклы, использовать условные ветвления;
•	объявлять целочисленные и действительные переменные для вы-
числения промежуточных результатов или внутренних состояний;
•	указывать задержки передачи сигналов;
•	формировать события, привязанные к определенному времени
исполнения;
•	и многое другое.
Модель допускает формировать три типа характеристик задерж-
ки распространения сигнала — минимальную, типовую и макси-
мальную. При реализации модели можно указать нужный тип ха-
рактеристики или назначить его какому-либо параметру имитатора
Mixed Sim. Это увеличивает гибкость процесса моделирования, по-
зволяя имитировать технологический разброс быстродействия при
изготовлении микросхем.
Функции языка Digital SimCode описывают четыре статических со-
стояния — 1, О, X и Z, а также динамические переходы между ними.
Кроме того, они описывают эквивалентные внутренние сопротивле-
ния выходов, что дает возможность учитывать перекрестное взаимо-
действие выводов двух и более цифровых моделей, имеющих общие
внешние цепи. Этот механизм позволяет аккуратно вычислять акту-
альные действующие напряжения и токи.
Также Digital SimCode содержит функции, предназначенные для
улучшения качества отладки моделей за счет формирования сообще-
ний потока моделирования.
В своей работе модель цифрового устройства может опираться
на файлы дополнительных данных, содержащие переменные данные
для работы модели. Например, это могут быть коды команд цифро-
вого устройства в определенном порядке. Меняя последовательность
кодов в файле данных, можно влиять на порядок операций, выпол-
няемых моделируемым цифровым устройством, примерно так, как
это происходит в однокристальных микроконтроллерах и подобных
устройствах. Файлы с такими последовательностями данных мож-
но формировать в иных программах или вручную. Это позволяет
менять поведение модели без изменения ее собственного описания
на Digital SimCode.
Все функции языка в совокупности разрешают формировать сколь
угодно сложное поведение моделируемого цифрового устройства.
Кодированные модели
Обычно модель цифрового устройства описывают в формате пло-
ского текстового файла в формате ASCII. Для файла незашифрован-
ного описания модели цифрового устройства на Digital SimCode при-
меняют расширение txt, что позволяет в полной мере использовать
и модифицировать модель. В процессе запуска расчета имитатором
производится предварительная сборка модели, которая получает
сжатый зашифрованный вид и быстрее исполняется. Этот вид можно
извлечь из Zog-файла запуска расчета и перенести в плоский файл
в формате ASCII. Для файлов зашифрованного описания модели
цифрового устройства следует использовать расширение scb.
Файлы описания моделей в зашифрованном формате позволяют
защитить модель от преднамеренного внесения изменений. Однако
это порождает необходимость держать совместно с зашифрованной
моделью описание способа назначения портов модели к выводам
УГО элемента (иначе называемого шаблоном назначения) для имита-
тора Mixed Sim, так как при отсутствии сведений о перечне, порядке
и назначении внешних выводов модели нет возможности получить
доступ к ее функциональности.
Назначение модели Digital SimCode
для Altium Mixed Sim
Требования разработки модели
Использование модели осуществляют, указав свободный шаблон
модели устройства Altium Mixed Sim. Для этого в диалоге Sim Model
на закладке Model Kind нужно выбрать General в поле Model Kind
и Generic Editor в поле Model Sub-Kind. Затем следует выбрать значе-
ние А в поле SPICE Prefix, сформировать шаблон на нижней закладке
Netlist Template и указать путь к файлу, содержащему описание мо-
дели — прототипа цифрового устройства имитатора Altium Mixed
Sim в поле Model Name. Если файл с описанием модели-прототипа
указан корректно, то на нижней закладке Model File будет приведено
содержание файла.
Шаблон модели Mixed Sim
Шаблон должен содержать хотя бы одну строку вида:
@designator [<перечень имен внешних цепей для входных выводов>] [<перечень имен внешних цепей
выходных выводов>] @model
Причем перечни имен цепей должны быть указаны в том же по-
рядке, в котором они приводятся в описании модели цифрового
устройства на языке Digital SimCode (из этого следует необходимость
для зашифрованной модели предоставлять еще и шаблон). Для упро-
щения формирования шаблона можно сделать предварительное со-
поставление вида <вывод УГО>-<порт модели Mixed 5нп>-<вывод
модели Digital SimCode>.
Модель Mixed Sim xsimcode (параметры модели)
Файл описания модели — прототипа цифрового устройства Altium
Mixed Sim должен содержать одну строку вида:
.model <имя прототипа> xsimcode(file=<HMH файла> £ипс=<имя прототипа> [data=<HMH файла
данных>] [{mntpmx}])
•	<имя файла> — полное имя файла, содержащего описание про-
тотипа устройства на Digital SimCode;
•	<имя прототипа> — наименование функции — прототипа описа-
ния устройства Digital SimCode;
•	<имя файла данных> — полное имя файла данных, содержащего
исходные данные, обрабатываемые моделью;
•	{mntpmx} — указание передачи следующих параметров внутрь
модели:
-	Propagation — задержка распространения в устройстве.
Установка значений MIN или МАХ указывает соответственно
на минимальное и максимальное значения, которые обычно от-
ражены в спецификации компонента. По умолчанию использу-
ется типичное значение.
-	Loading — входная нагрузочная характеристика. Установка зна-
чений MIN или МАХ указывает соответственно на минимальное
и максимальное значения, которые обычно описаны в специфика-
ции компонента. По умолчанию используется типичное значение.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
114
п роекти рован ие сапр
-	Drive — выходная нагрузочная характеристика. Установка зна-
чений MIN или МАХ указывает соответственно на минимальное
и максимальное значения, которые обычно определены в специ-
фикации компонента. По умолчанию используется типичное
значение.
-	Current — ток потребления устройства. Установка значений MIN
или МАХ указывает соответственно на минимальное и макси-
мальное значения, которые обычно отражены в спецификации
компонента. По умолчанию используется типичное значение.
-	PWR value — напряжение питания положительной полярности.
Определение параметра перегружает определение зарезервиро-
ванной переменной в модели-прототипе. Если данный параметр
указан, то совместно с ним должен быть определен параметр
GND value.
-	GND value — напряжение питания отрицательной полярности.
Определение параметра перегружает определение зарезервиро-
ванной переменной в модели-прототипе. Если данный параметр
установлен, то совместно с ним должен быть определен параметр
PWR value.
-	VIL value — входное напряжение, интерпретируемое как сигнал
низкого уровня. Определение параметра перегружает определе-
ние зарезервированной переменной в модели-прототипе.
-	VIH value — входное напряжение, интерпретируемое как сигнал
высокого уровня. Определение параметра перегружает опреде-
ление зарезервированной переменной в модели-прототипе.
-	VOL value — выходное напряжение, эквивалентное сигналу низ-
кого уровня. Определение параметра перегружает определение
зарезервированной переменной в модели-прототипе.
-	VOH value — выходное напряжение, эквивалентное сигналу вы-
сокого уровня. Определение параметра перегружает определение
зарезервированной переменной в модели-прототипе.
-	WARN — установка значения ON является флагом для ошибок:
времени установки сигнала, времени удержания, ширины им-
пульса, нарушения минимальной/максимальной частоты и на-
рушения минимального/максимального напряжения питания.
Сообщение об ошибке появляется в течение всей имитации по-
сле возникновения нарушения.
Особенности разработки модели Digital SimCode
При разработке модели Digital SimCode необходимо учитывать
следующее:
•	описание функции — прототипа устройства на Digital SimCode
не должно содержать кириллических символов;
•	<имя файла> должно быть обрамлено двойными кавычками;
•	<имя файла> не должно содержать кириллических символов;
•	расширение <имени файла> должно быть txt или scb;
•	<имя файла данных> должно быть обрамлено двойными кавыч-
ками;
•	<имя файла данных> не должно содержать кириллических сим-
волов;
•	расширение <имени файла данных> должно быть dat,
•	<имя файла> и <имя файла данных> могут содержать в своем со-
ставе специальный префикс {MODEL_PATH};
•	признак {mntpmx} просто указывается в описании модели для
Mixed Sim при необходимости передать специальные параметры
модели.
Специальные параметры модели имеют соответствия среди переч-
ня параметров симулятора (они задаются в разделе Advanced диа-
лога Analyses Setup). В результате приоритет определений возрастает
от структурно располагающихся наиболее близко к коду модели: са-
мый низкий у специальных переменных в модели-прототипе Digital
SimCode, затем приоритет за значениями параметров симулятора,
для передачи значений параметров симулятора должен быть указан
флаг {mntpmx}, самый высокий уровень приоритета имеют опре-
деления специальных параметров модели Mixed Sim, должен быть
указан флаг {mntpmx}.
Прием реализации назначения модели
Назначение модели Digital SimCode не очень сложный процесс сам
по себе, но при его выполнении можно быстро запутаться, так как
нужно согласовать выводы УГО, выводы контейнерной модели-про-
тотипа типа xsimcode для Mixed Sim и выводы модели-прототипа
Digital SimCode. Для этого используются данные шаблона экземпляра
модели и данные на закладке Port Мар.
Однако процедуру можно значительно облегчить, используя про-
стой прием назначения: нужно привести обозначения выводов УГО
в соответствие с номерами выводов модели Mixed Sim. Таким об-
разом, на этапе сопоставления на закладке port mapping диалога
Sim Model получился результат вида «первый к первому, второй
ко второму» и т. д. При этом следует учитывать, что выводы модели
Mixed Sim появятся лишь после того, как будут указаны в шаблоне
экземпляра. Поэтому предварительной целью для операции назна-
чения портов является разработка шаблона.
Разработать шаблон экземпляра можно либо на основании
исходного описания модели Digital SimCode, либо на основании
сведений о порядке перечисления и назначении портов в этой
модели в разделах Inputs и Outputs. Удобно разрабатывать ша-
блон уже после создания mdZ-файла, содержащего описание мо-
дели-прототипа Mixed Sim. Отсюда можно вывести следующий
порядок действий:
•	найти файл модели-прототипа Digital SimCode;
•	выписать из него перечень входных и выходных сигналов, пар вы-
водов вход/выход и пары выводов питания;
•	разработать описание модели-прототипа для Mixed Sim;
•	разработать шаблон экземпляра;
•	выполнить назначение портов модели-прототипа Mixed Sim и вы-
водов УГО;
•	проверить результат.
Практический пример 1 (назначение модели)
Рассмотрим пример назначения модели на основе модели микро-
схемы АЦП ADC0800.
Предварительно имеем разработанное УГО элемента. Рассмотрим
набор шагов, которые позволят выполнить настройку назначения
модели Digital SimCode элементу:
1.	В качестве первого шага следует определиться с местоположением
файла модели-прототипа Digital SimCode и именем файла. Удобно
будет скопировать его в пустой каталог поближе к корневому ка-
талогу — это позволит использовать более короткие пути в опре-
делениях модели-контейнера (рис. 1).
2.	Отрыть файл модели в текстовом редакторе (рис. 2).
3.	Создать mdZ-файл с описанием модели-прототипа Mixed Sim.
Следует указать путь к файлу и его имя, а также название модели,
описывающей АЦП (рис. 3).
Рис. 1. Рекомендуемый способ сохранения файла модели-прототипа Digital SimCode
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
сапр проектирование
115
11  ..............———=
INKJT1 Vtt WO, VCC. V*», VhM V1H, CL> sc, ot
wr^’nvM.i; SClUCfjDOtxm, D7 01.SM. DS. DC. or. ОС
ЙЕ AL3	Цг. м!« tio.Ml, «м.ndd.«Ы. <>«р. м!
	 дI-.1	щи _щ ц ч щ	'll" -1-	'1 .'!!'<J!U	
					
Рис. 3. Пример mdl-файла с описанием модели-прототипа Mixed Sim
1Г (|*1И 1 'Я THEN
/л*-. - j	’ 'С-• XI s'-кммо.;<?АХ
tauwl • xin.tyw
« J .ЛЭСп, > >,
Рис. 2. Файл модели Digital SimCode
4.	Перенести перечень входных и выходных выводов в электронную
таблицу. Электронная таблица удобна для представления данных
(рис. 4).
5.	Перенести в ту же электронную таблицу перечень парных соот-
ветствий входных и выходных выводов (рис. 5).
6.	Выполнить сопоставление. Перечень входных и выходных выводов
модели Mixed Sim должен быть дан в том же порядке, в котором
перечислены входные и выходные порты модели Digital SimCode
(рис. 6).
		—1	с—	D	•		r.		J		L	M	N	0	p	-			t	U	V	w
1		ЗСм runic 5£х 4es				•												
		Ы	1		INPUTS	rts	t 1	V06	rtP			V4M	YIN	CUI	sc	(X							
1		05	а			к	it	а	и			5	a?	и	a	7							
4		М	!			KW	KU	41	*U			49	KU	411	M	47	K144IR KI KU45 412 «1144 KT						
5		07	4																
4 7		VHM	5 К	*		OL’lPjIi	А!	ах	V.	OE			M	IM	w	01	LM	»	M	ОТ	ОС				
•		«	т			10	U	<	7			13	M	14	17	1	I	1	4	•				
•		YG6	•			Ч1Й	MU		W	47 		413	X14	KU	411	41	V	43	44	49	430 41L 46 47 «13 KU 4И 417 4142 4144 49			
‘0		ОС	9																
111 It 11 14		V*5	10 аж	11 ION	U И	13																
																		
«>		01	14																
Н		V19P	is																
17		оа	i4																
г» I»		01	17 VtXl	14																
2*>																		
Рис. 4. Перечень входных и выходных выводов в электронной таблице
Ji	* L	с о		1	0		J		L	M	Q		S	T	V	V	
1	SCH name ЬСм des		•										
>	M	1	WftjTS	'.15	Vtfl	Y*r	V9M	vw» аж ’	DE	]						
3	05	J		№	V	UF 44	T	‘ 17	tt	в	"F’						
4	M	3		ШФ KU	U	.3J	49	KU	411	M	47	4U4IRM4U43 41I «1144KT						
5	0?	4												
4	VHM	s												
r	“ • [	ах »мп'	VS3	ОЖ	SC	OE	M	m	о?	D3	W	DA	M	07	ОС				
1	O:	7				»• n	< 'V	13		17	t	?	•	4	9				
9	Г"	и	i		KW	411	w	w		4LI	414	KU	417	41	ЯИ	41	44	49	41941LMK7 4U414 414417 41 42			434449
*0	ОС	9												
	V9S	1Л		1		1									
If	ал	и												
tt	VI«4	U												
14	И	13												
«5	(И	14												
и	VW	b												
17	о>	u												
>•	М	17												
»»	VDO	14												
20													
Рис. 5. Перечень парных соответствий входных и выходных выводов в электронной таблице
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
116
проектирование сапр
Рис. 7. Шаблон экземпляра модели Mixed Sim
it Ы н in ill м с, t < н >' |ц i । i * < i i i i .
Рис. 8. Закладка Port Map диалога Sim Model
Рис. 9. Закладка Model File диалога Sim Model
7.	Сформировать шаблон экземпляра модели Mixed Sim (рис. 7).
8.	Проверить информацию на закладке Port Мар диалога Sim Model
и откорректировать при необходимости (рис. 8).
9.	Проверить корректность назначения файла mdl на закладке Model
File диалога Sim Model (рис. 9).
Условная структура описания модели Digital SimCode
•	Инициализация модели.
•	Определение нагрузочных характеристик.
•	Функциональность.
•	Проверка нарушений.
•	Определение задержек выходных сигналов и сообщений событий.
Идентификация функции устройства
Идентификацию устройства следует выполнять с помощью следу-
ющей конструкции языка:
#	<имя модели> source,
где <имя модели> — имя имитирующей функции, используемой для
указания блока определения модели. Блок определения модели дол-
жен заканчиваться высказыванием EXIT. Таким образом, SimCode-
модель конкретного устройства будет иметь следующий вид:
#	MyDevice source
EXIT;
Остальные операторы (высказывания) языка, описывающие мо-
дель, должны располагаться внутри приведенного описания.
Объявление данных
Digital SimCode позволяет описывать данные таких типов, как вхо-
ды и выходы устройства и внутренние переменные. Взаимодействие
модели с окружением производится через входные и выходные пор-
ты и порты питания. Каждый порт должен быть перечислен как вход
и/или выход, а порты, выполняющие функции ввода и вывода ин-
формации в модель одновременно, должны присутствовать в обоих
перечислениях. Для описания входов и выходов служат операторы:
•	INPUTS — с именами входящих портов;
•	OUTPUTS — с именами выходящих портов.
Описание портов следует выполнять через запятую.
Указание портов питания (один порт положительной полярности
и один — отрицательной полярности питания) можно перечислить
в INPUTS, а в OUTPUTS — с добавкой _LD к имени (для ясности),
поскольку порты питания должны принимать значение входного
уровня (напряжения или тока) и оказывать влияние на соединенные
с ними цепи. Кроме того, требуется указать порты питания с помо-
щью оператора PWR_GND_PINS — оператора указания портов пи-
тания. Благодаря этому имитатор сможет вычислять входные уровни
для входных портов и выходные уровни для выходных портов, если
не выполнено явное или полное их описание, что обеспечивает зави-
симость от напряжения питания.
Аналогично двунаправленные порты или порты, оказывающие
влияние на входные цепи, требуется указывать с помощью операто-
ра IO_PAIRS — оператора указания двунаправленных портов.
Объявление вспомогательных переменных следует выполнять
с помощью операторов INTEGERS (для целочисленных данных)
и REALS (для действительных данных). Существуют переменные,
зарезервированные в модели в системных целях. Значения таких
переменных не допускается изменять явным способом (при помощи
операций присвоения).
Инициализация модели
Инициализация модели строится при помощи оператора ветвления:
IF (init_sim) THEN
BEGIN
Описание модели должно состоять из следующих условных разделов:
•	Идентификация функции устройства.	exit;
•	Объявление данных.	END;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
сапр проектирование
117
Внутри данной конструкции следует указать операторы инициализа-
ции. Условный оператор должен содержать зарезервированную цело-
численную переменную init_sim, которая равна 1 при первоначальном
вызове кода модели и равна 0 при последующих обращениях имитато-
ра к модели. Завершение инициализации должно содержать оператор
EXIT, что позволяет выполнить завершение работы модели после вы-
полнения ее инициализации. Дальнейшее обращение имитатора к моде-
ли не будет приводить к выполнению блока операторов инициализации.
Определение нагрузочных характеристик
Определение нагрузочных характеристик следует выполнять с по-
мощью:
•	оператора DRIVE:
<выход1> [<выход2> ...] = (уО=<значение> у1=<значение> й1Ь=<значение> йЫ=<значение>)
для указания выходной характеристики (питающей способности)
выходных портов;
•	оператора LOAD:
<вход> [<вход> ...] = (уО=<значение>гО=<значение> [у1=<значение>г1=<значение>] [ю=<значение>]
1=<значение>)
для указания нагрузочной характеристики входных портов.
Указание параметров питающей способности и нагрузочной харак-
теристики с помощью DRIVE и LOAD позволяет очень детально и ак-
куратно описать взаимодействие модели с окружением и добиться
высокой реалистичности и точности расчета.
Функциональности
Описание функциональности цифрового устройства Digital
SimCode можно выполнять, используя операторы ветвления, циклов,
таблиц истинности и иных привычных методов, подобных другим
HDL-языкам. Можно выполнять безусловные переходы к определен-
ным меткам, что позволяет применять подпрограммы.
Также можно использовать операторы подключения к внешнему
(по отношению к модели) файлу данных при помощи оператора
READ_DATA. Например, таким образом удается реализовать циф-
ровой автомат с выбором состояния из внешнего файла и подобные
устройства.
Проверка нарушений
В Digital SimCode существует возможность формировать утверж-
дения, которые позволяют реализовать отладку модели — выполнять
вывод сообщений в панель Messages.
Примерами операторов проверки нарушений являются:
•	FREQUENCY — проверяет входные порты на нарушение мини-
мальной и максимальной частот;
•	CHANGED_XX — для проверки изменения порта, сравнивает теку-
щее состояние вывода с состоянием при предыдущем вызове модели;
•	RECOVER — тестирует порты на нарушения времени восстановления;
•	SETUP_HOLD — тестирует порты на нарушения времени уста-
новки/удержания;
•	SUPPLY_MIN_MAX — проверяет разницу напряжений на входах
питания;
•	WIDTH — сравнивает ширины импульсов для входных портов
с указанным временем.
Определение задержек выходных сигналов
и сообщений событий
Эффекты запаздывания/распространения выходного сигнала мож-
но имитировать с помощью оператора:
DELAY <выход1> [<выход2>...] = <задержка>.
Вместо <длительность> можно использовать несколько связанных
операторов CASE, тогда выражение будет иметь вид:
DELAY <выход> [<выход> ...] =
CASE (<условное выражение>): <задержка>
CASE (<условное выражение>): <задержка>
[CASE (<условное выражение>): <задержка> ...]
END;
Таким образом оператор DELAY может иметь два вида синтаксиса.
Формировать события можно при помощи оператора EVENT.
Если производится отладка модели или модель разрабатывается
с внедрением контроля исполнения, то для формирования сообще-
ний можно использовать оператор PROMPT. При этом происхо-
дит остановка программного потока модели. Действие оператора
MESSAGE подобно оператору PROMPT, за исключением того, что
не происходит остановки программного потока.
Практический пример 2 (разбор модели ADC0800)
В качестве примера условного описания структуры модели Digital
SimCode рассмотрим листинг модели микросхемы АЦП National
Instruments ADC0800.
П=======Идентификация функции устройства============================
# adc0800 source
//=============================================================
//========Объявление данных=======================================
INPUTS VSS, VDD, VGG, VRP, VRM, VIN, CLK, SC, OE; 11 объявление входных портов модели —
принимающих сигналы
OUTPUTS VSS_LD, CLK_LD, SC_LD, OE_LD, DO, DI, D2, D3, D4, D5, D6, D7, ОС; //объявление вы-
ходных портов модели — формирующих сигналы
INTEGERS internal_reg, clk_count, oc_bit, ck_vgg; 11 объявление внутренних целочисленных пере-
менных
REALS tt_val, tp_val, rin_val, vin_val, ridd_val, tmp_val; // объявление внутренних действительных
переменных
//==Смешанное объявление данных и определение контроля нарушений===========
PWR_GND_PINS (VSS,VDD); // установка значений параметров pwr_param и gnd_param
SUPPLY_MIN_MAX (4.75,10.25); // контроль минимального напряжения питания =4.75 и максималь-
ного напряжения питания =10.25
VOL_VOH_MIN (0,0,0.1); // установка минимума напряжения для выходных портов vol_param=gnd_
param+0, максимума напряжения для выходных портов voh_param=pwr_param-0
VIL_VIH_PERCENT (33,66); // определение значений параметров vil=33% от размаха питания, vih=66%
от размаха питания для Р-структуры МДП
IO_PAIRS (CLK:CLK_LD, SC:SC_LD, OE:OE_LD); И определение портов CLK, SC, ОЕ в качестве вхо-
дов-выходов
//==============================================================
//==============Инициализация=====================================
IF (init_sim) THEN
BEGIN
//MESSAGE("time\tVin\treg\tD7\tD6\tD5\tD4\tD3\tD2\tDl\tDO\tSC\tOC");
11 Приведены параметры сопротивлений (системные параметры для модели)
//Примечание: значения ttlh и tthl одинаковы
tt_val = (MIN_TYP_MAX(tt_param: NULL, 60n, 120n));
//Примечание: значения tplh и tphl одинаковы
tp_val = (MIN_TYP_MAX(tp_param: NULL, 200n, NULL));
//Параметры выходных портов для низкого уровня напряжения IOL тах=2 мА @ vol=0.4 В => го!_
param=(0.4-vol_param)/2 мА
rol_param = (MIN_TYP_MAX(drv_param: NULL, 100, NULL));
//Параметры выходных портов для высокого уровня напряжения ЮН тах=-200 мкА @ voh=4.5 В =>
roh_param=(voh_param-4.5)/200 мкА
roh_param = (MIN_TYP_MAX(drv_param: NULL, 500, NULL));
//Утечка входа @ 25 °C: IIN=1 мкА @ VDD=5 В => rin= (5/1 мкА);
rin_val = (MIN_TYP_MAX(ld_param: NULL, 5Е6, NULL));
IF (oc_bit) THEN 11 если oc_bit не равно 0, тогда
BEGIN
STATE ОС = ONE; 11 установить порт ОС в 0
ELSE
STATE ОС = ZERO; // иначе установить порт ОС в 1
END;
IF (OE) THEN // если значение порта ОЕ не равно 0
BEGIN
STATE_BIT DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 = (internal_reg); 11 вывести значение на выходные порты вну-
треннего регистра internal_reg, предварительно разложив его на битовые компоненты.
STATE_BIT DO = (!(D0)); // инвертировать порт DO
STATE_BIT DI = (!(D1)); // инвертировать порт DI
STATE_BIT D2 = (!(D2)); // инвертировать порт D2
STATE_BIT D3 = (!(D3)); // инвертировать порт D3
STATE_BIT D4 = (!(D4)); // инвертировать порт D4
STATE_BIT D5 = (!(D5)); // инвертировать порт D5
STATE_BIT D6 = (!(D6)); // инвертировать порт D6
STATE_BIT D7 = (!(D7)); // инвертировать порт D7
ELSE
STATE DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 = UNKNOWN; // иначе установить неизвестное состояние
END;
IF (warn_param && (present_time > 0)) THEN // если warn_param не равен 0 и present_time (текущее
время модели) больше 0, тогда
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
118
п роекти рован ие сапр
BEGIN
IF (SC && (clk_count = 4)) THEN // если порт SC не равен 0 и clk_count равен 4, тогда
BEGIN
MESSAGE ("WARNING: Possible conversion problem — SC was high for more than 3 CLK cycles");
// Сообщение «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Возможна проблема преобразования — SC имел высокий
уровень больше 3 циклов входа CLK»
END;
//=========Проверка различных нарушений — проверка VGG============
IF (ck_vgg) THEN // если ck_vgg не равен 0, тогда
BEGIN
ck_vgg = (0); // присвоить ck_vgg в 0
vin_val = (VALUE(VIN)); // присвоить переменной vin_val значение напряжения на входе VIN
IF (vin_val > pwr_param) THEN // если vin_val больше pwr_param (напряжения питания), тогда
BEGIN
MESSAGE ("WARNING: VIN(%f V) > VSS(°/ofV)",vin_val,pwr_param); // Сообщение «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:
Напряжение на входе превышает напряжение питания»
ELSE
tmp_val = (VALUE(VGG)+7); // присвоить переменной tmp_val значение напряжения порта VGG+7
IF (vin_val < tmp_val) THEN И если vin_val меньше tmp_val, тогда
BEGIN
MESSAGE ("WARNING: Inadequate voltage to analog switches\n\tVIN(%f V) < VGG+7(°/of V)",vin_val,tmp_val);
11 Сообщение «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Неправильное напряжение на аналоговых ключах»
//Ток потребления питания Idd @ 5 В: 250= 5/20 мА макс
ridd_val = (MIN_TYP_MAX(i_param: NULL, NULL, 250));
И Инициализация переменных
oc_bit = (1);
ck_vgg = (1);
clk_count = (0);
internal_reg = (0);
STATE ОС = ONE; 11 инициализация выходного порта ОС
STATE DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 = ZERO; 11 инициализация выходных портов
EXIT;
END;
//=====================================================
//=======Описание нагрузочных характеристик===================
DRIVE DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 ОС = (vO=vol_param,vl=voh_param,ttlh=tt_val,tthl=tt_val);
11 определение питающей способности для перечисленных выходных портов
LOAD CLK_LD SC_LD OE_LD = (v0=vol_param,r0=rin_val,vl=voh_param,rl=rin_val,io=lel2,t=lp);
11 определение нагружающей способности для двунаправленных портов
//====================================================
//=========Описание функционирования=====================
IF (CHANGED_LH(SC)) THEN // если произошло изменение L->H для порта SC (start conversion) —
запуска цикла преобразования
BEGIN
oc_bit = (0); // установить oc_bit в 0
clk_count = (0); // установить clk_count в 0
END;
IF (CHANGED_LH(CLK)) THEN // если произошло изменение L-H для порта CLK
BEGIN
clk_count = (clk_count + 1); // увеличить clk_count на 1
END;
IF (clk_count = 40) THEN 11 если значение clk_count достигло 40
BEGIN
oc_bit = (1); // установить oc_bit в 1
tmp_val = (VALUE(VRP) - VALUE(VRM)); // вычислить значение вспомогательной переменной tmp_val
на основании значений напряжения
IF (tmp_val <= 0) THEN // если tmp_val <=0, тогда
BEGIN
MESSAGE ("WARNING: Vref+ <= Vref-"); 11 вывод сообщения «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: на входы опор-
ного напряжения подана неверная полярность»
ELSE
internal_reg = ((VALUE(VIN) * 256)/tmp_val); И иначе вычислить значение переменной internal_reg
(внутренний регистр) на основании операции квантования
END;
END;
ELSE
vin_val = (VALUE(VRM)); // присвоить переменной vin_val значение напряжения на порте VRM
IF (vin_val < tmp_val) THEN // если vin_val меньше tmp_val (напряжения на порте VRM), тогда
BEGIN
MESSAGE ("WARNING: Inadequate voltage to analog switches\n\tVref-(°/of V) < VGG+7(°/of V)",vin_val,tmp_val);
// Сообщение «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Неправильное напряжение на аналоговых ключах»
ELSE
ck_vgg = (1); //нет ошибок — продолжение проверки VGG
END;
END;
END;
END;
FREQUENCY (CLK MIN=50k MAX=800k "CLK"); 11 контроль минимальной и максимальной частоты
для входного порта CLK
END;
//======================================================
//=======Описание нагрузочной характеристики===================
LOAD VSS_LD = (vO=gnd_param,rO=ridd_val,t=lp); // определение нагружения порта VSS
//=======Определение задержек выходных сигналов================
DELAY DO DI D2 D3 D4 D5 D6 D7 ОС = (tp_val);
//======================================================
EXIT;
Литература
1. Руководство по Digital SimCode. www.ru.resources.altium.com/russian-
guide-books/pyKOBOflCTBO-digital-simcode
2. Вебинар «Разработка моделей цифровых элементов Digital SimCode для
Altium Mixed Sim» (видео). www.youtube.com/watch?v=PNC9QIWlJPw
Spb Integral
Интеграл СПб

СП ЗАО «Интеграл СПб», г. Санкт-Петербург
является Совместным предприятием
с ОАО «ИНТЕГРАЛ».
СП ЗАО «ИНТЕГРАЛ СПб» осуществляет:
Продажу микроэлектронных компонентов
по номенклатурному перечню ОАО «ИНТЕГРАЛ»
(«Завод полупроводниковых приборов»; з-д «Транзистор»; з-д «Цветотрон»)
Поставку изделий отечественного производства
с приемкой «1», «5» и «9» со склада и под заказ.
Проектирование и разработка микросхем
специального назначения.
Поставка изделий иностранного производства.
Свидетельство о квалификации №ЭС 01.101.0426-2018 от 16.07.2018г.
Сертификат соответствия «Оборонсертифика» № 6300.312579/RU от 10.05.2018г.
Сертификат соответствия «Оборонсертифика» № 6300.312580/RU от 10.05.2018г.
Отгрузка со склада в Санкт-Петербурге.
Россия, Санкт-Петербург, Ириновский пр., д. 21, корп. 1
Тел.: (812)527-78-85; 527-78-86. Факс: 527-78-90
E-mail: order@integralspb.ru
http://www.integralspb.ru
НОВОСТИ микропереключатели
Герметичные искрозащищенные
микропереключатели V15W2
от Honeywell
Новые микропереключате-
ли компании Honeywell сочета-
ют компактность, экономиче-
скую эффективность и защиту
от искр.
Особенности:
•	Сертификация
взрывозащиты:
IEC Ех, ExnCIIAT5 Gc.
•	Вариативность исполнения.
•	Надежность.
Характеристики:
•	Типы переключения: SPDT, SPNO, SPNC.
•	Усилие: 100, 200 г.
•	Сертификация: UL, clIL, ENEC, CQC, IEC Ex.
•	Степень защиты: IP67 (защита корпуса).
•	Рабочий диапазон температур: —25...+85 °C.
•	Количество механических циклов: 1 млн циклов.
•	Материал контактов: сплав серебра.
•	Материал корпуса: термопластик РВТ.
•	Герметизирующий материал: силикон.
www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
Реклама
нкт>
^HvHUBER+SUHNER
Оптические преобразователи HUBER+SUHNER AG
RX- и ТХ-модули, защищенные оптические линии и радиочастотные
кабельные сборки в виде готового к интеграции решения
Возможности и преимущества
•	Малая масса и габариты соединений
•	Расстояния до 100 км
•	Высокая помехозащищенность
RF-over-Fiber
•	Для передачи ВЧ/СВЧ-сигналов
•	Стандартные модули до 3, 6,18 и 20 ГГц
•	На 1, 3, 6 или 12 каналов
•	Опционально: малошумящее исполнение
•	Полностью аналоговое преобразование
GPS-over-Fiber
•	Для передачи сигналов GPS/ГЛОНАСС
•	На 1 канал или с модулем деления
•	Малошумящее исполнение
•	Опорные генераторы для синхронизации
•	Антенны с питанием по оптическому волокну
LAN-over-Fiber
•	Для передачи сигналов LAN
•	На 3, 6 или 12 каналов
•	Отдельные блоки или 19-дюймовые юниты
Области применения
•	Спутниковая связь
•	Авиация и флот
•	Средства разведки и РЭБ
+7(495)7870550
www.nkt.ru
www.nkt4id.ru
120
новости
телекоммуникации
Keysight провела проверку многоформатных устройств 5G NR
в режимах FDD и TDD
Компания Keysight Technologies, Inc. объявила
о том, что совместно с Qualcomm Technologies, Inc.,
дочерней компанией Qualcomm Incorporated, про-
вела первый в мобильной отрасли сеанс передачи
данных 5G New Radio (NR) в дуплексном режиме
с частотным разделением каналов (FDD). Это со-
бытие способствует ускорению всемирного внедре-
ния данной технологии во всех основных частотных
диапазонах 3GPP, использующих дуплекс с вре-
менным разделением каналов (TDD) и FDD.
Новый шаг в отрасли мобильной связи был сде-
лан с помощью 5С-модема Snapdragon Х55 вто-
рого поколения компании Qualcomm Technologies
с интегрированной многорежимной поддержкой
и решений компании Keysight для эмуляции сетей
5G. Компания Keysight предоставляет возмож-
ность производителям устройств проверять много-
режимные (FDD и TDD) изделия 5G NR в неавто-
номном (NSA) и автономном (SA) режимах.
Решения комплексного тестирования сетей 5G
компании Keysight предоставляют производите-
лям оборудования гибкость, необходимую для бы-
строй проверки многорежимных устройств прак-
тически любого размера, расширяя возможности
удовлетворения требований глобального рынка.
Решения для эмуляции сетей 5G от Keysight, опи-
рающиеся на платформу UXM для тестирования
систем беспроводной связи 5G, уникальным обра-
зом позволяют производителям проверять устрой-
ства 5G NR на соответствие протоколу, требова-
ниям в области ВЧ-характеристик и управления
радиоресурсами (RRM) в диапазоне до 6 ГГц (FR1)
и в миллиметровом диапазоне (FR2) для неавто-
номного и автономного режимов 5G NR.
www.keysight.com
Microchip расширяет ассортимент синхронизирующего оборудования
операторского класса для сетей, повышения надежности и масштабируемости
Компания Microchip заявила о пополнении ее до-
черней фирмой Microsemi ассортимента изделий
РТР (Precision Time Protocol) PackeTime, в том чис-
ле синхронизующим оборудованием TimeProvider
4100 Release 2.0. Новинки позволяют решить одну
из наиболее важных задач, связанных с синхрони-
зацией возросшего количества базовых станций
с более высокой плотностью расположения при
внедрении сетей 5G. Еще одной задачей являет-
ся поддержание работы GNSS-сервисов во время
сбоев, обусловленных радиопомехами, спуфингом
или потерей сигнала. В новой версии оборудова-
ния TimeProvider появилась поддержка технологии
10 Gigabit Ethernet (GE), режима работы Boundary
Clock, который позволяет сократить эксплуатаци-
онные расходы, и другие функции, улучшающие
распределение синхросигналов между множеством
источников и сетевыми базовыми станциями, а так-
же иными конечными устройствами. Оборудование
TimeProvider 4100 версии 2.0 с модулем расшире-
ния 10 GE было выбрано корейским SK Telecom для
обеспечения своих лидирующих сервисов связи 5G
в Сеуле и провинции Chungcheong.
Благодаря новой функции HP-ВС (High-Perfor-
mance Boundary Clock) синхронизующего обору-
дования TimeProvider 4100 оно отвечает требова-
ниям самых новых стандартов ITU-T Class С & D,
обеспечивающих высокую точность в режиме
Boundary Clock («пограничные часы»). Поскольку
эти стандарты требуют соблюдения очень высокой
точности при распределении тактовых сигналов
по оптическим сетям, операторы могут исполь-
зовать технологию DWDM (Dense Wavelength
Division Multiplexing) вместо выделенных воло-
конно-оптических линий связи. Новое оборудо-
вание версии 2.0 отвечает растущим требованиям
к ширине полосы сетевых устройств следующего
поколения благодаря дополнительному модулю
расширения, который обеспечивает взаимосвязь
с интерфейсами 10 GE.
Расширенные функции мониторинга позволя-
ют поставщикам услуг определить, как на времен-
ные и фазовые характеристики влияют сетевые
элементы. Емкость РТР-клиентов увеличивается
до 790, что необходимо при создании уровней
агрегации мобильных сетей и новых кабельных
архитектур DOCSIS 3.1 Remote-PHY.
Поставщикам услуг, которым требуется уста-
новить рядом с границами сети более компактные
грандмастеры (Grandmasters) РТР 1588 v2 для
меньшего числа базовых станций, компания
Microchip предлагает также оборудование се-
мейства IGM (Integrated GNSS Master) версии 3.0.
В его состав входит грандмастер IEEE-1588v2 РТР,
GNSS-приемник и антенна, которые в целом упро-
щают монтаж системы внутри и вне помещений.
Каждый из трех модулей IGM 3.0 обеспечива-
ет точную временную и фазовую характеристи-
ки, предоставляет новые функции с помощью
аппаратных моделей IGM Plus с усовершенство-
ванными генераторами и GNSS-приемниками.
Генератор с расширенными функциями улучшает
возможность удержания режима измерения вре-
мени, а усовершенствованный приемник позво-
ляет ускорить синхронизацию со спутниковым
сигналом и повысить безопасность связи за счет
одновременного доступа к большему числу GNSS-
созвездий. Модернизированная модель прием-
ника поддерживает спутниковые системы GPS,
Галилео (Европа), QZSS (Япония), ГЛОНАСС
и Бэйд оу.
Оборудование TimeProvider 41002.0 и IGM 3.0
управляется с помощью TimePictra — централи-
зованной и унифицированной платформы для
широкого семейства высокоточных синхронизу-
ющих систем компании Microchip. Грандмастеры
TimeProvider 4100 2.0 и IGM 3.01588v2 РТР уже поя-
вились на рынке. Модуль расширения TimeProvider
4100 2.0 и три модуля IGM Plus с усовершенство-
ванными функциями можно заказать отдельно.
Клиенты с действующим соглашением о предо-
ставлении технической поддержки и обслуживания
в течение года могут загрузить программные опции
и обновления TimeProvider 41002.0 в имеющиеся
модели оборудования. Компания также предлагает
ряд дополнительных услуг по восстановлению аппа-
ратного и программного обеспечения, техническо-
му обслуживанию, модернизации и обновлениям
и добавляет новые функции с помощью аппаратных
модулей и лицензионного ПО.
www.microchip.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
121
Особенности конструирования
печатных плат
с выполнением требований по ЭМС
Кеннет УАЙТТ (Kenneth WYATT)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Основной задачей при проектировании современного электронного
оборудования самого различного назначения становится не только до-
стижение заданной производительности, но и выполнение требований
по электромагнитной совместимости (ЭМС) [1]. В проблеме ЭМС нет ме-
лочей, и наравне со схемными и общими конструктивными решениями
особого внимания требует дизайн печатной платы. Предлагаемая ста-
тья является переводом трех публикаций автора в блоге “The EMC Blog”
(The EDN Network) [2-4].
По опыту автора статьи, разработчики устройств «Интернета
вещей» (Internet of Things, 1оТ) в настоящее время часто
сталкиваются с проблемами, вызванными плохим дизайном
печатных плат. Плохая конструкция может привести к неконтроли-
руемым задержкам, нарушению работы чувствительных цепей при-
емников, что вызывает сбои и потерю данных. По этой же причине
может значительно снизиться чувствительность приемников систем
беспроводной связи: сотовой, GPS, Wi-Fi и т. д.
Как передаются сигналы
по проводникам печатной платы
Рассмотрим, как сигналы проходят через проводники печатных плат
и как на их передачу влияют создаваемые ими электромагнитные поля.
Есть много факторов, связанных с конструкцией печатных плат,
которые оказывают влияние на уровень излучения электромагнит-
ных помех (ЭМП) и нарушают требования по электромагнитной
совместимости (ЭМС). Среди них:
•	Влияние на чувствительные аналоговые схемы помех от цифровых
сигналов, шумов и помех, генерируемых такими устройствами,
как преобразователи мощности (импульсные источники питания)
и двигатели.
•	Расположение генераторов тактовой частоты слишком близко
к краям платы или вблизи чувствительных цепей.
•	Плохая трассировка, которая приводит к перекрестным помехам.
•	Для сигналов тактовой частоты или высокоскоростных сигналов
не выполнены зазоры или прорези в плоскости возврата тока.
•	Неправильный набор стека печатной платы — пакета из слоев диэ-
лектрика, токопроводящих слоев различного назначения и препрега.
Последнее — самое главное, и это именно то, что должно учиты-
ваться разработчиками плат прежде всего.
Выше уже было сказано об опасности пересечения трасс такто-
вой частоты через промежутки в опорной плоскости возврата тока
(для более подробного описания можно обратиться к [5, 6]). Однако
устранение этой проблемы правильным выполнением стека слоев
печатной платы обычно исправляет и большинство других проблем,
включая изложенные в нашем кратком перечне.
Как бы это странно ни прозвучало, но во время учебы в универси-
тетах большинство из нас неправильно учили тому, как работает по-
1 Направление тока условно принято всегда от плюса к минусу.
Но заряды — электроны в металлических проводниках — перемещаются, естественно, к плюсу.
Эта историческая ошибка часто вводит в заблуждение.— Прим. пер.
стоянный и переменный ток в сосредоточенных или распределенных
линиях передачи. Мы изучали поля и волны, но вряд ли были проин-
структированы об их практических применениях при проектировании
печатных плат или распространении сигналов через печатные платы.
По правде говоря, при распространении цифрового сигнала через по-
лосковую или микрополосковую линию эти две концепции линии
передачи сигнала и поля работают вместе и дополняют друг друга.
Прежде чем понять, как сигналы распространяются в платах, на-
пример, персонального компьютера, следует сначала уяснить некото-
рые физические особенности этого процесса.
Нас всех учили, что «током» является поток электронов в провод-
нике. Это близко к истине, за исключением того, что мы забываем
о положительном течении тока1, то есть об отсутствии того, что часто
называют дыркой. Однако электроны и дырки (положительный за-
ряд), которые они оставляют, движутся очень медленно [7]. Далее мы
вернемся к рассмотрению этой проблемы и ее последствиям.
Этот путь тока, конечно, справедлив для цепей постоянного тока
(за исключением начального переходного процесса при включении
батареи). Но для цепей переменного или радиочастотного тока, или
для выхода постоянного тока (с переходными процессами) от им-
пульсных источников питания мы должны понимать, что все соеди-
нительные провода и трассы на печатных платах должны рассматри-
ваться как линии передачи.
Для начала рассмотрим, как поток электронов пропускают кон-
денсаторы. В конце концов, разве развязывающие конденсаторы
не работают? Если мы подключим батарею к конденсатору, как по-
казано на рис. 1, то все положительные заряды, приложенные к верх-
Рис. 1. Иллюстрация тока смещения, текущего через конденсатор
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
122
проектирование
электромагнитная совместимость
Рис. 2. «Колыбель Ньютона» — аналогия,
демонстрирующая «излом» в Е-поле при его
перемещении от одного электрона к следующему
ней пластине (обкладке конденсатора), бу-
дут отталкивать положительные заряды
на нижней пластине, оставляя на ней только
отрицательные заряды. Если мы будем ис-
пользовать источник напряжения перемен-
ного тока, то ток пройдет через конденсатор.
Можно предположить, что ток течет через
диэлектрик, а это в принципе невозможно.
Но если взять прибор, измеряющий магнит-
ное поле, то в промежутке между обкладка-
ми мы это поле обнаружим. Джеймс Клерк
Максвелл сделал важный вывод, что всякое
переменное электрическое поле порождает
переменное магнитное поле. Этот ток он на-
звал «ток смещения» (displacement current),
или «абсорбционный ток». Он возникает,
когда положительные заряды на одной пла-
стине просто смещают положительные за-
ряды на противоположную пластину, остав-
ляя отрицательные заряды, и наоборот. Ток
смещения определяется как dE/dt (то есть из-
менение электрического поля Е во времени).
Когда переключатель замкнут, то при под-
ключении аккумулятора на верхнюю пласти-
ну вводятся положительные заряды, которые
отталкивают положительные заряды на ниж-
ней пластине, оставляя на ней только от-
рицательные заряды. Это «появляется», как
если бы в момент включения через диэлек-
трический слой ток действительно проходил.
Для переменного напряжения это будет смо-
треться как перемена зарядов на пластинах.
Важным моментом здесь является то, что
энергия в конденсаторе накапливается в виде
напряжения.
Следует также понимать, что электроны
и положительно заряженные дырки дви-
жутся не со скоростью света, как нас учи-
ли, а даже и не с близкой к скорости света.
В меди из-за очень тесной атомной связи они
движутся со скоростью всего около 1 см/с [8].
Конечно, здесь есть облака свободных элек-
тронов и дырок, но они довольно медленно
перемещаются от атома к атому. Такой ток
называется током проводимости, и именно
он измеряется с помощью амперметра.
Влияние одного электрона в атоме меди
на его соседа (и вниз по линии передачи)
распространяется опять же не со скоро-
стью света, а со скоростью распространения
Цифровой сигнал
(электромагнитная волна)
проходит через слой
диэлектрика
Источник
Нагрузка
Время = И
Время = t2
Ток проводимости течет по внутренней поверхности между микрополосковой линией
и опорным заземляющим слоем
Ток смещения «протекает» через диэлектрический слой между медными проводниками
Рис. 3. Иллюстрация того, как цифровой сигнал (электромагнитная волна)
проходит через диэлектрическое пространство между микрополосковой линией и опорной плоскостью заземления
электромагнитного поля в диэлектрическом
материале, зависящей от его диэлектриче-
ской проницаемости (корень квадратный).
Другими словами, условно покачивайте один
электрон на одном конце микрополосковой
линии, и он покачивает следующий, который
в свою очередь покачивает следующий, и так
далее, пока не дойдет до последнего в конце.
Это колебание называется изломом в элек-
трическом Е-поле, и его, как механическую
аналогию, можно представить на примере
«колыбели Ньютона» (современное название
маятника Ньютона). В «колыбели Ньютона»
первый шарик передает импульс второму
шарику и останавливается. Второй шарик
получает импульс потенциальной энергии
от первого, но из-за невозможности пре-
образования потенциальной энергии в ки-
нетическую импульс переходит от второго
маятника далее — в третий и так далее до по-
следнего. Последний шарик не имеет перед
собой объекта, которому мог бы передать
свой импульс, поэтому свободно движется,
поднимаясь на высоту, чуть меньшую той,
с которой двигался первый шарик (это мож-
но считать аналогом сопротивления) (рис. 2).
Теперь рассмотрим цифровой сигнал с вол-
новым фронтом, движущийся в диэлектрике
типа FR4 (стеклотекстолит) со скоростью, рав-
ной примерно половине скорости света, около
0,1524 м/нс, и распространяющийся, как пока-
зано на рис. 3, вдоль простой микрополоско-
вой линии над соседней плоскостью возврата
тока на «землю» (ground return plane, GRP, на-
зываемой еще ground reference plane — «опор-
ная плоскость заземления»).
Следующая проблема, которую нужно
понять и запомнить, заключается в том, что
электромагнитное поле цифрового сигнала
распространяется в диэлектрическом про-
странстве, а не в меди. Медь просто «направ-
ляет» электромагнитную волну [9,10].
Когда сигнал, а вернее электромагнитная
волна, сначала подается (вводится) между
микрополосковой линией и опорной пло-
скостью заземления GRP, он начинает рас-
пространяться вдоль линии передачи, об-
разованной проводником, расположенной
над GRP. Здесь имеет место комбинация тока
проводимости (по меди) и тока смещения
(поперек диэлектрика).
Захват «электромагнитного излучения»
происходит на фронте электромагнитной
волны по мере ее распространения. В этот
момент электрическое поле за начальным
фронтом волны стабильно при любом при-
ложенном в данный момент напряжении,
а само электрическое поле перед начальным
фронтом волны равно нулю. Быстрое вре-
мя нарастания или спада цифрового сигнала,
как известно из азов радиотехники, проду-
цирует энергию в сумме всех его гармони-
ческих составляющих, и это именно то, что
создает нам ЭМП.
Если импеданс нагрузки равен характе-
ристическому импедансу линии передачи,
тогда (опять обращаемся к азам) отражений
электромагнитной волны обратно к источ-
нику не будет. Однако если есть несоот-
ветствие, то электромагнитные поля будут
отражаться и распространяться обратно
к источнику. Здесь возникают потери, назы-
ваемые потерями на отражение, влияющие
на целостность сигнала. В действительности,
в реальной практике большинство цифро-
вых сигналов будут иметь множество отра-
жений, движущихся вперед и назад по линии
передачи одновременно, но их необходимо
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
123
минимизировать. Если не принять должных
мер, то переходная зона, время нарастания
или спада, этих распространяющихся волн
может вызвать электромагнитные помехи.
Теперь, когда вы поняли, как сигналы дви-
жутся в печатных платах, мы можем пере-
йти к обсуждению дизайна печатных плат.
Учитывая сказанное, здесь два очень важных
принципа:
1. На плате ПК каждая трасса сигнала и раз-
дачи питания или выделенная для нее пло-
скость должны рассматриваться как линия
передачи.
2. Распространение цифрового сигнала в ли-
ниях передачи — это движение электро-
магнитных полей в пространстве между
медным проводником и плоскостью зазем-
ления GRP.
Для того чтобы построить линию пере-
дачи, нужны два расположенных один над
другим металлических слоя, разделенных ди-
электриком, которые захватывают или удер-
живают электромагнитное поле. Например,
микрополосковая линия над соседней пло-
скостью заземления или полосковая линия,
примыкающая к опорной плоскости заземле-
ния, трасса или плоскость питания, примы-
кающая к плоскости заземления. Или разме-
щение нескольких сигнальных слоев между
питанием и плоскостями заземления для бы-
стрых сигналов приведет к вполне реальным
проблемам излучения ЭМП. Соблюдение
двух упомянутых выше правил будет опре-
делять число и порядок распределения сте-
ка слоев печатной платы. Другими словами,
каждая трасса сигнала или раздачи питания
должны иметь соседнюю опорную заземля-
ющую плоскость GRP, а все плоскости пи-
тания должны иметь еще и смежную GRP.
Несколько GRP должны быть связаны вме-
сте максимальным числом переходных от-
верстий (в англ, терминологии stitching vias,
Таблица 1. Очень распространенная, но не оптимальная с точки зрения ЭМП компоновка стека слоев
шестислойной печатной платы
Название слоя		Тип слоя	Материал слоя	Толщина слоя, мил	Тип диэлектрика	Относительная диэлектрическая проницаемость
	Верхний защитный слой	Покрытие				
	Верхняя паяльная маска	Маска	Материал покрытия	0,4	Паяльная маска	3,5
1	V-X	V-X	IZ_|	V—.	Верхний слой	Сигнальный	Медь	1,4		
	Диэлектрик	Диэлектрический	Основание	7	FR-4	4,2
	«Земля»	Сигнальный, земля	Медь	1,4		
	Диэлектрик 3	Диэлектрический	Препрег	15	FR-4	4,2
	Сигнальный слой 1	Сигнальный	Медь	1,4		
Л	Диэлектрик 5	Диэлектрический	Основание	10	FR-4	4,2
(	Y						
	Сигнальный слой 2	Сигнальный	Медь	1,4		
	Диэлектрик 4	Диэлектрический	Препрег	15	FR-4	4,2
ШШ	Питание	Сигнальный,питание	Медь	1.4		
	Диэлектрик 1	Диэлектрический	Основание	7	FR-4	4,2
						
	Нижний слой	Сигнальный	Медь	1,4		
						
	Нижняя паяльная маска	Маска	Материал покрытия	0,4	Паяльная маска	3,5
	Нижний защитный слой	Покрытие				
Примечание. Препрег — слоистый наполнитель, в котором стеклоткань пропитана термореактивным
связующим веществом, частично отвержденным (в В-состоянии).
буквально «сшивающих переходных отвер-
стий», в данном контексте — «заземляющих
переходных отверстий»).
Если вы нарушите путь для тока проводи-
мости в плоскости GRP, сделав в нем щель
или выборку, то начнете испытывать «утеч-
ку» электромагнитного поля по всему ди-
электрическому пространству, что приводит
к эффекту, называемому «излучение кро-
мок многослойных печатных плат» (в англ,
терминологии edge radiation, буквально —
«краевое, или граничное, излучение»). Кроме
того, придется столкнуться с проблемой
перекрестной связи с другими цепями через
межсоединения. Все сказанное также про-
исходит, когда мы пропускаем сигнал через
несколько опорных заземляющих слоев или
плоскостей питания, через проходное отвер-
стие, в случае если нет сшивки смежного слоя
или не установлен сшивающий конденсатор
для соединения GRP с плоскостями питания.
Основы правильного выбора
расположения стека слоев
печатной платы
Выше мы рассмотрели, как цифровые
сигналы распространяются через платы ПК.
Теперь обратимся к конкретным решениям
печатных плат, направленным на достиже-
ние максимально низкого уровня электро-
магнитных помех. Самая большая проблема,
которая здесь имеется, как уже было сказа-
но,— неправильное расположение стека сло-
ев печатной платы.
Итак, мы установили, что цифровые сиг-
налы и цепи раздачи питания (здесь мы име-
ем в виду переходные процессы) являются
электромагнитными волнами, движущимися
в диэлектрическом слое, определили два важ-
ных принципа и основные подходы к проек-
тированию «правильной» печатной платы.
Шестислойная печатная плата
Наиболее часто используется шестислой-
ный стек слоев печатной платы (табл. 1). Это
достаточно хорошо работало в 1990-х и даже
в начале 2000-х, но с современными, гораздо
более быстрыми и смешанными технологи-
ями сигналов этот вариант с точки зрения
ЭМП просто катастрофа. С ним связаны две
проблемы. Первая — два нижних сигналь-
ных слоя привязаны к плоскости питания,
а вторая — возвратная плоскость тока пита-
ния и «земли» не смежные и расположены
слишком далеко друг от друга.
В стеке, показанном в таблице 1, сигналь-
ные слои «Сигнальный слой 2» и «Нижний
слой» расположены относительно слоя пи-
тания, в то время как опорная заземляющая
плоскость GRP («Земля») и плоскости пита-
ния (Питание) с двумя сигнальными слоя-
ми между ними не являются смежными. Это
приведет к взаимному влиянию переходных
процессов в этих двух сигнальных слоях.
За немногими исключениями (например,
это касается некоторых типов источников
питания и сигналов памяти DDR RAM) токи
«хотят» вернуться к своим источникам, ко-
торые привязаны к опорной заземляющей
плоскости GRP. Привязка этих сигналов
на плоскость питания очень опасна с точки
зрения электромагнитных помех, потому
что здесь нет четко определенного пути воз-
врата тока, кроме как через межслойную ем-
кость, которая в этом случае относительно
мала. К тому же зазоры на пути обратного
тока приводят к утечкам поля в другие об-
ласти диэлектрических слоев платы. Это,
в свою очередь, приводит к перекрестной
связи и излучению ЭМП2.
Еще одна проблема возникает в том слу-
чае, когда у нас есть слой питания и опорная
заземляющая плоскость GRP, разделенные
двумя сигнальными слоями. Любые переход-
ные процессы в цепях питания теперь будут
перекрестно соединяться в диэлектрических
слоях, соединяясь с любыми трассами в сиг-
нальных слоях по пути их распространения.
Мы также, если эти плоскости разделены бо-
лее чем на 3-4 мил, теряем преимущество из-
за наличия емкости между плоскостями.
Ниже приведено несколько идей для ком-
поновки слоев печатной платы ПК, которые
соответствуют природе распространения
цифровых сигналов в линии передачи.
Четырехслойная печатная плата.
Решение 1
Хороший четырехслойный стек печатной
платы для оптимизации уровня ЭМП при-
веден на рис. 4. Здесь вместо плоскости пита-
ния мы используем либо направленное, либо
распределенное решение, а также сигналы
на уровнях 2 и 3. Таким образом, каждая сиг-
нальная трасса и линия питания оказываются
2 Как вариант здесь могут быть использованы конденсаторы,
вмонтированные непосредственно между слоями печатной
платы, такое решение рассмотрено в [11].— Прим. пер.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
124
проектирование
электромагнитная совместимость
смежными с опорной заземляющей плоско-
стью GRP. Кроме того, здесь легко выполнить
переходные отверстия между всеми слоями
при условии, что два слоя заземляющей пло-
скости GRP соединены вместе множеством
переходных отверстий между опорными за-
земляющими слоями. Однако если провести
ряд заземляющих переходных отверстий,
сшивающих опорные «земляные» плоскости
по периметру, допустим, через каждые 5 мм,
то можно сформировать клетку Фарадея, ко-
торая замкнет в себе электрическое поле.
Четырехслойная печатная плата.
Решение 2
Если по тем или иным причинам вы бы
предпочли иметь доступ к сигналу и ли-
ниям питания, то можете просто поменять
местами пары слоев так, чтобы две опорные
заземляющие плоскости GRP находились
посередине, а два сигнальных слоя были
расположены сверху и снизу платы, с лини-
ями раздачи питания, имеющими достаточ-
ное число блокировочных конденсаторов,
а не отдельной плоскостью питания (рис. 5).
Для обеих четырехслойных плат можно
выполнить слои заземления, в этом случае
два слоя GRP необходимо сшить глухими
заземляющими переходными отверстиями
на расстоянии не более 1 см между ними.
зос
-------Препрег
Сигнальный слой
или проводники питания
- Основа
Сигнальный слой
или проводники питания
-------Препрег
ЗОС
Рис. 4. Хорошее решение в части расположения слоев четырехслойной платы.
Для уменьшения электромагнитных помех сигнальные трассы и линии раздачи питания расположены
вблизи заземляющих плоскостей
Рис. 5. Хорошее решение в части расположения слоев четырехслойной платы.
Для уменьшения электромагнитных помех плоскости заземления размещены во внутренних слоях внутри платы
Восьмислойная печатная плата
Как четырех-, так и восьмислойные кон-
струкции платы (табл. 2) следуют двум
упомянутым ранее основным правилам,
которые обеспечивают оптимальные линии
передачи питания. Кроме того, для восьми-
слойной конструкции плоскости питания
и GRP теперь находятся на расстоянии всего
4 мил друг от друга, обеспечивая между эти-
ми плоскостями довольно хорошую емкость.
Тут чем ближе, тем лучше. Например, рас-
стояние 1-3 мил оптимально для минимиза-
ции электромагнитных помех. Кроме того,
все однотипные слои должны быть сшиты
с помощью переходных отверстий, распо-
лагаемых не далее чем на 1 см друг от друга.
Конечно, это не догма, так как существует
много вариантов по созданию правильных
пар линий передачи между сигналом и GRP
или питанием и GRP.
А что можно сказать насчет
двухсторонних печатных плат?
Что касается двусторонних печатных
плат, вам могут посоветовать просто запу-
стить сигналы и выполнить раздачу пита-
ния на верхней стороне (слой 1), а нижнюю
(слой 2) использовать в качестве опорно-
го слоя заземления GRP для возврата тока.
Возможно, это действительно работало для
вчерашней технологии. В современных ус-
ловиях нам часто необходимо использовать
как минимум два слоя для трассировки сиг-
налов. Правильный ответ на этот вопрос со-
стоит в том, чтобы запустить так называемые
Таблица 2. Хорошее решение в части расположения слоев восьмислойной платы.
Все сигнальные слои привязаны к соседним опорным заземляющим плоскостям GRP,
в то время как питание также привязано к соседней заземляющей плоскости
Название слоя		Тип слоя	Материал слоя	Толщина слоя, мил	Тип диэлектрика	Относительная диэлектрическая проницаемость
	Позиционные обозначения компонентов	Покрытие				
/	/	Верхняя паяльная маска	Покрытие/ Защитная маска	Материал покрытия	0,04	Паяльная маска	3,5
	Верхний слой	Сигнальный	Медь	1,417		
	Диэлектрик 1	Диэлектрический	Препрег	5	FR-4	4,2
с	g	Слой 02	Внутренний, земля	Медь	0,7		
	Диэлектрик 10	Диэлектрический	Основание	10	FR-4	4,2
	Слой 03	Сигнальный	Медь	0,7		
	Диэлектрик 5	Диэлектрический	Препрег	10	FR-4	4,2
£	д	Слой 04	Внутренний,питание	Медь	0,7		
	Диэлектрик 3	Диэлектрический	Основание	4	FR-4	4,2
	Слой 05	Сигнальный	Медь	0,7		
	Диэлектрик 2	Диэлектрический	Препрег	10	FR-4	4,2
	Слой Об	Сигнальный	Медь	0,7		
	Диэлектрик 8	Диэлектрический	Основание	10	FR-4	4,2
	Слой 07	Сигнальный	Медь	0,7		
/	—<2	Диэлектрик 9	Диэлектрический	Препрег	5	FR-4	4,2
	Нижний слой	Сигнальный	Медь	1,417		
	Нижняя паяльная маска	Покрытие/ Защитная маска	Материал покрытия	0,04	Паяльная маска	3,5
Примечание. Препрег — слоистый наполнитель, в котором стеклоткань пропитана термореактивным связующим
веществом, частично отвержденным (в В-состоянии).
«тройки», или триплеты (в англ, термино-
логии — triplets), с трассой обратного тока
заземления между двумя трассами сигнала
(рис. 6). Это идея Даниэля Бикера (Daniel
Beeker), старшего разработчика приложений
в компанииИХР Semiconductor, изложенная
В [12].
Здесь мы видим попытку сохранить
свойства линии передачи для маршрути-
зируемого питания. В этом примере так-
же показаны трассы аналогового сигнала
с трассой обратного заземления, а между
ними — перенаправленный триплет.
Поскольку электромагнитное поле надле-
жащим образом фиксируется между каж-
дой трассой сигнала и трассой обратного
тока, происходит лишь небольшая утечка
электромагнитного поля.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
125
Разбиение платы на области
и маршрутизация
Мы уже рассмотрели, как цифровые сиг-
налы распространяются через платы ПК,
и конкретные схемы оптимального с точки
зрения достижения минимального уровня
электромагнитных помех размещения сте-
ков печатных плат. В этой, последней части
мы рассмотрим разделение участков схемы,
маршрутизацию высокоскоростных трасс
и уделим внимание некоторым другим ме-
тодам компоновки, направленным на умень-
шение уровня ЭМП и выполнение требова-
ний по ЭМС конечного продукта.
Помимо правильного размещения стеков
слоев печатных плат, следующим наиболее
важным моментом при расположении схемы
на плате является разделение по областям пе-
чатной платы функциональных узлов схемы,
таких как цифровые, аналоговые, питание
с преобразованием мощности, радиочастот-
ные каскады, и такие, не менее важные с точ-
ки зрения ЭМП схемы, как управление дви-
гателем или другие схемы большой мощно-
сти и, соответственно, с большими токами.
Прежде чем мы перейдем к компоновке
схемы, мы должны понять и визуализиро-
вать, как протекают возвратные токи и как
электромагнитные поля распределяются
под высокоскоростными трассами схемы.
На низких частотах (ниже примерно 50 кГц)
возвратные токи, как нас и учили, имеют
тенденцию следовать по пути наименьшего
сопротивления. Они имеют тенденцию пере-
мещаться по кратчайшему расстоянию меж-
Рис. 7. Распределение поля возвратного тока сигнала
частотой ниже 50 кГц идет по пути
наименьшего сопротивления.
Изображение предоставлено компанией
Keysight Technologies
Рис. 8. Распределение поля возвратного тока сигнала
на частотах выше 50 кГц, ток вернется к источнику
через путь наименьшего полного сопротивления.
Изображение предоставлено компанией
Keysight Technologies
Рис. 6. Пример использования «троек»-триплетов для сигналов, а также попытки сохранить принципы линии передачи
для маршрутизируемых линий питания [12]
ду источником и нагрузкой, как это показано
зеленой областью на рис. 7.
При частотах, лежащих в области 50-
100 кГц, возвратные токи стремятся следо-
вать по пути наименьшего полного сопро-
тивления, то есть импеданса. Это вызвано
взаимной импедансной связью между пу-
тями прохождения сигнала. Токи имеют
тенденцию проходить непосредственно под
трактом передачи сигнала (дорожкой) между
источником и нагрузкой, что моделируется
зеленой областью на рис. 8.
Теперь можно понять, почему аналого-
вые схемы должны быть расположены как
можно дальше от цифровых или других ис-
точников высокочастотных помех. Потому
внимательно следите за тем, чтобы эти «раз-
мазанные» по слою «земли» обратные токи
Концепция разделения функциональных узлов схемы
РЧ-часть
Цифровая	Контроллер	Источник
часть	двигателем	питания Фильтры
Вход питания
Разъемы
ввода/вывода
Распределение питания -------------
Рис. 9. Пример того, как оптимально разделить функциональные узлы схемы на печатной плате.
Примечание.
1. Размещайте аналоговые каскады как можно дальше от цифровых каскадов и контроллера управления двигателем.
2. Размещайте импульсные преобразователи схемы питания и контроллер управления двигателем рядом с точкой
входа питания.
3. Все разъемы питания и порты ввода/вывода (I/O) должны быть отфильтрованы и защищены от влияния
переходных процессов.
4. Все разъемы питания и порты ввода/вывода (I/O) для достижения минимального уровня ЭМП, если это возможно,
должны быть сгруппированы на одном краю платы
(рис. 9) не смешивались с обратными токами
от цепей, генерирующих те или иные шумы
и помехи. Это главная причина, почему на-
столько важно разделение на печатной пла-
те разнородных по своей природе каскадов
электрической схемы и их земель.
Функциональное разделение
В первой части этой серии мы рассматри-
вали то, как цифровые (и другие высоко-
частотные) сигналы распространяются через
диэлектрическое пространство платы. Чтобы
избежать взаимной связи сигналов и воз-
никновения перекрестных помех, не следует
позволять различным обратным токам этих
сигналов смешиваться в одном и том же ди-
электрическом пространстве. Таким образом,
нужно разделить основные функциональные
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
126
проектирование
электромагнитная совместимость
каскады схемы. На рис. 9 показан практиче-
ский пример разбиения. Конечно, все это ста-
новится сложнее и сложнее, так как при совре-
менном тренде к миниатюризации размеры
платы постоянно уменьшаются [13].
Зная теперь, что возврат тока низкоча-
стотного сигнала (рис. 1) имеет тенденцию
распространяться по большей плоскости
«земли», можно видеть, что любые анало-
говые или низкочастотные схемы должны
быть отделены от цепей цифрового преоб-
разователя, импульсного источника питания
или контроллера двигателя. Аналогичным
образом чувствительные приемники, такие
как GPS, сотовые устройства или устройства
Wi-Fi, тоже должны размещаться отдельно
от цифровых преобразователей системы пи-
тания или схем контроллера двигателя.
Маршрутизация сигналов
Далее приведены рекомендации, которым
нужно следовать при маршрутизации сигна-
лов на печатных платах— это необходимо,
чтобы минимизировать уровни ЭМП и вы-
полнить требования стандартов в части ЭМС.
Разрывы в плоскостях возврата тока
Все опорные заземляющие плоскости воз-
врата тока (GRP) должны быть максималь-
но сплошными и иметь конструкцию без
длинных зазоров (щелей) или пазов (выбо-
рок). Такой проблемный пример приведен
на рис. 10. Как упоминалось в первой части
статьи, когда высокочастотная трасса пере-
секает зазор на пути возвратного тока, это
порождает источник синфазных токов, кото-
рые, как правило, суммируются по всей пла-
те и создают потенциальную возможность
не только для провала на сертификационных
испытаниях по уровню ЭМП, но и для отказа
самого оборудования [14,15].
В этом примере (рис. 10) есть две пробле-
мы. Первая — у нас есть цифровой сигнал,
пересекающий два промежутка в плоскости
GRP, вторая — он также пересекает и «ти-
хую» в отношении помех аналоговую об-
ласть плоскости заземления.
Кроме того, необходимо учитывать, что
синфазные токи соединяются с кабелями
питания и портов ввода/вывода, которые за-
тем их излучают. Но зазор сам по себе вно-
сит неоднородность и тоже вызывает утечку
поля в диэлектрическом пространстве, ко-
торая может связываться с соседними пере-
ходными отверстиями от других сигналов,
вызывая нежелательное соединение, подоб-
но перекрестным помехам. Здесь мы также
сталкиваемся с излучением кромок много-
слойных печатных плат, исходящим от са-
мой платы. Если частота гармоник синфаз-
ных токов составляет 1/4-1/2 длины волны
кабелей или размеров платы, то они будут
действовать как передающие антенны и из-
лучать. Можно посмотреть видеодемонстра-
цию на тему «промежутки в обратных пло-
скостях» [15].
Возвратный ток
Цифровая плоскость заземления
Рис. 10. Пример неправильного подхода к проектированию плоскостей питания и заземления
Рис. 11. Трасса передачи сигнала через одну плоскость GRP позволяет распространять поле по всему пути.
Диэлектрический слой здесь не показан для ясности, а распространение поля представлено красными волнами
Рис. 12. Трасса передачи сигнала через две плоскости, если не добавлен определенный путь для обратного тока,
приводит к утечке поля в диэлектрическом пространстве. Диэлектрический слой тут не показан для ясности,
а распространение поля представлено красными волнами
Проникновение
через переходные отверстия
Очень часто нужно пропустить сигналы
от верхней стороны к нижней (или от вну-
тренних к внутренним слоям). Для того
чтобы это выполнить, мы используем пере-
ходные отверстия, иначе не доберешься.
Если нужно только перейти с одной стороны
плоскости GRP на другую, это не проблема,
поскольку электромагнитное поле сигнала
распространяется вдоль всего пути (рис. 11).
А вот когда нужно пройти через несколько
плоскостей, уже не получится обеспечить об-
ратный путь для электромагнитной волны,
если она проходит через диэлектрическое
пространство платы (рис. 12).
Если между плоскостями нет непрерывной
линии передачи тока (сшивки переходными
отверстиями или конденсаторами), тогда вы
получите утечку поля во всем диэлектриче-
ском пространстве, когда сигнал попытается
найти путь назад к своему источнику. Эта
энергия поля будет соединяться с излучения-
ми, вызванными другими переходами, а так-
же распространяться как излучение кромок
многослойной печатной платы.
Если обе плоскости являются опорными
заземляющими плоскостями GRP, то нуж-
но просто соединить их вместе, по крайней
мере в одном месте рядом с сигналом, про-
ходящим через переходное отверстие. Это
позволяет полю распространяться по все-
му пути. Как будет сказано позже, хорошей
практикой в этом отношении является вы-
полнение максимально возможного числа
переходов между плоскостями заземления,
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЭН Ив
127
и будет весьма полезно, если они располо-
жены очень близко друг к другу (расстояние
5 мм — почти идеально). В данном случае
нет необходимости специально размещать
один такой переход на каждом проходе сиг-
нальной трассы.
Однако если две плоскости имеют разные
потенциалы, такие как рассматриваемые
нами опорная плоскость заземления GRP
и плоскость раздачи питания, тогда в обя-
зательном порядке рядом с переходным от-
верстием для передачи сигнала необходимо
установить конденсатор, сшивающий эти
плоскости. Если на данной плате существу-
ют десятки «сигнальных» переходов, то может
оказаться, что добавлять сшивающий кон-
денсатор для каждого перехода не вполне це-
лесообразно. Такова одна из причин, в связи
с которой можно равномерно распределить
такие конденсаторы по всей плате. Это также
поможет уменьшить возникновение помех,
вызванных скачками потенциала «земляной»
шины (в англ, терминологии ground bounce,
буквально — «отскок от «земли», в электрон-
ной технике это явление обычно относится
к переключению ключей, когда из-за действия
помехи шина связана с паразитной индук-
тивностью, а напряжение на затворе может
казаться меньше, чем локальный потенциал
«земли») или шумом одновременного пере-
ключения (simultaneous switching noise, SSN).
Маршрутизация питания в зависимости
от числа плоскостей питания
Традиционный подход состоит в том, что-
бы начать с одного или нескольких (в зави-
симости от количества слоев в стеке платы)
слоев заземления и уже оттуда строить сиг-
нальные слои, обычно для лучшей техноло-
гичности, одинаково на каждой стороне осно-
вы. Как правило, для этого используется воз-
врат «цифрового» тока на «землю». Другим
большим преимуществом является то, что
при очень близком расположении относи-
тельно друг друга (менее 3 мил) плоскость
заземления становится хорошим высоко-
частотным развязывающим конденсатором.
По мере увеличения количества слоев часто
лучше размещать два или более слоя основы
с заземлениями ближе к верху и низу стека.
Например, на восьмислойных платах это
нередко выполняется на уровнях 2,3 и 6,7.
Недостаток здесь состоит в том, что для
сшивания (или развязки) линий передачи
сигналов, проходящих через них, требуются
сшивающие (или развязывающие) конден-
саторы. После этого, как правило, на сиг-
нальные слои заводятся еще и необходимые
шины напряжения.
Есть одно большое преимущество марш-
рутизации питания — использование одной
или нескольких опорных плоскостей зазем-
ления GRP. Оно заключается в том, что здесь
все слои GRP могут быть сшиты вместе ма-
трицей из переходных отверстий, и поэтому
не понадобятся специальные сшивающие
конденсаторы. Кроме того, несколько сло-
ев GRP, когда они расположены на внешних
слоях, могут быть сшиты по периметру пла-
ты, чтобы образовать клетку Фарадея.
С другой стороны, каждому цифровому
устройству потребуется два-три развязыва-
ющих конденсатора на каждый вывод пита-
ния или узкие группы выводов. Кроме того,
шины питания, несущие основные цифро-
вые напряжения, должны иметь более ши-
рокие промежутки вокруг любых устройств
с высоким и пониженным напряжением,
таких как напряжение ядра, драйверы, спе-
циализированные заказные интегральные
схемы (application specific integrated circuit,
ASIC), контроллеры двигателей, процессоры
и т. д. Указанный подход поможет обеспечить
высокочастотную развязку.
Маршрутизируемые триплеты
Если нет возможности сформировать
непрерывную опорную плоскость заземле-
ния GRP, например в некоторых двухслой-
ных платах, таких как аналоговые, то циф-
ровые трассы могут маршрутизироваться
как триплеты, причем одна трасса обратного
пути тока располагается и маршрутизиру-
ется вместе с двумя сигнальными трассами.
Этот метод описан и проиллюстрирован
во второй части и предложен в [12].
Заливка «землей»
Всегда полезно заполнять пробелы между
сигнальными трассами заливкой свободного
пространства «землей». Однако нельзя за-
бывать, что эти заливки должны быть под-
ключены в нескольких местах ко всем сло-
ям GRP на вашей плате. Этот вариант дает
два преимущества. Во-первых, создает до-
полнительное экранирование, а во-вторых,
обеспечивает пути возвратного тока сигна-
лов с малым сопротивлением. Кроме чисто
электрических преимуществ, данный метод
предусматривает более удобную и более на-
дежную конструкцию платы с точки зрения
ее производства.
Многократные переходы
Хорошей практикой является создание ма-
трицы переходных отверстий, соединяющей
все области заливки «землей» и опорные слои
заземления GRP. Оптимальным вариантом
будет установка переходов на расстоянии
около 5 мм. Это обеспечит множественные
пути для обратных токов сигналов, проника-
ющих более чем в один уровень GRP. Кроме
того, если используется несколько слоев GRP,
необходимо проектировать платы с учетом их
сшивки по всему периметру. Это, повторим
еще раз, необходимо для того, чтобы создать
клетку Фарадея для сигнальных слоев между
ними и обеспечить таким образом эффектив-
ное экранирование внутренней структуры пе-
чатной платы. Данный метод особенно важен
при проектировании устройств на основе бес-
проводных технологий.
Дополнительные рекомендации
по минимизации уровня ЭМП
•	Генераторы тактовой частоты, кварцевые
генераторы, драйверы. Следует распола-
гать генераторы тактовой частоты по на-
правлению к центру платы (или в пределах
выделенной цифровой области) как можно
ближе к каскадам, для которых они пред-
назначены, и максимально далеко от краев
платы, особенно от разъемов ввода/вывода
или разъема питания.
•	Трассы тактовой частоты. Все трассы такто-
вой частоты должны быть короткими и пря-
мыми. Не рекомендуется проводить их вдоль
краев платы, поскольку они могут физически
соединиться с краем платы, вызвать ее резо-
нансы и, как следствие, излучение платы.
•	Разъемы ввода/вывода и питания.
Насколько возможно следует располагать
разъемы ввода/вывода и питания вдоль од-
ного края платы. Если один разъем выхода
расположен вдали от другого, это приведет
к повышению уровня ЭМП. Можно убе-
диться в этом, измерив их уровень между
корпусами разъемов. Что такое источник
высокочастотного шума между двумя длин-
ными проводами? Это дипольная антенна!
Так что следует быть внимательнее, если
требуется не создать излучающую «антен-
ну», а минимизировать «шумовое» падение
напряжения между всеми разъемами.
•	Линии передачи РЧ-модулей. Необходимо
помнить о том, что все линии передачи
от таких модулей — это антенны. Они
должны быть короткими и направленными
к антеннам или разъемам антенного порта
и быть закрытыми между двумя слоями
опорного заземления GRP, так что в этой
ситуации может потребоваться стек из вось-
ми или более слоев. Это необходимо для до-
стижения импеданса 50 Ом, что сведет прак-
тически на нет ЭМП при прохождении сиг-
нала через участки в слоях непосредственно
над и под линией электропередачи. Кроме
того, следует добавить ряды сшивающих
переходных отверстий, расположенные че-
рез каждые 3-5 мм, которые бы сшивали все
GRP-слои вдоль каждой стороны каждой
линии передачи для связи с антенной. Это
обеспечит дополнительное экранирование.
•	Разъемы Ethernet. Прямо под разъемами
Ethernet должна быть зона заземления для
формирования пути обратного тока. Это
поможет перейти от несимметричных сиг-
нальных пар к сбалансированным сигналь-
ным парам.
Распространенные заблуждения
•	Повороты на 90° опасны! Доказано, что для
обычных (по крайней мере до нескольких
ГГц) цифровых трасс нет необходимо-
сти снимать фаски или закруглять углы.
Изгибы на 90° можно делать там, где это
необходимо [16-18].
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
128
проектирование
электромагнитная совместимость
•	Правило 20Н. Существует также так на-
зываемое «Правило 20Н», по которому
плоскость питания должна быть откло-
нена от края GRP на расстояние не менее
чем в 20 раз от толщины слоя. Это якобы
помогло уменьшить окантовку полей.
На практике это ничего не дает, вы про-
сто удлиняете силовые линии поля [19,20].
Наверное, есть еще много всяких псевдо-
правил и заблуждений, возможно, читатели
могли бы дополнить этот список.
Заключение
Если при проектировании печатной платы
возникли проблемы с электромагнитными по-
мехами, то для того чтобы найти источники
помех и решения по их подавлению, можно
выполнить измерения с помощью пассивных
датчиков ближнего поля (переводчик статьи
не раз с успехом использовал эту методику).
Прежде чем приступить к анализу ближнего
поля, сначала необходимо узнать, как распреде-
лены поля Е и Н. Можно выполнять эти изме-
рения с помощью датчиков Е- и Н-поля, а так-
же осциллографа или анализатора спектра. Эти
зонды доступны от нескольких разных про-
изводителей. Например, набор датчиков R &
SHZ-15 (от Rohde & Schwarz) включает пять
различных пассивных датчиков для измерения
в пределах 30 МГц - 3 ГГц на печатных платах
и компонентах. Все датчики пассивны и под-
ключены к входу 50 Ом тестового приемника,
анализатора спектра или осциллографа.
Мы завершаем эту статью, посвященную
проблемам минимизации электромагнитных
помех в печатных платах. Надеемся, она сы-
грает свою роль, так как многие, к сожалению,
неправильно понимают конструкцию печат-
ной платы, тем более многослойной и с боль-
шим числом слоев в стеке. Большинство со-
временных проектов — это IoT-продукты, где
разметка и правильное проектирование печат-
ной платы с самого начала очень важны для
успеха, причем не только для снижения уров-
ня ЭМП и выполнения требований стандартов
по ЭМС, от которых не уйти [1], но и для обе-
спечения производительности конечного про-
дукта, особенно это касается чувствительно-
сти приемников беспроводных технологий.
Литература
1.	Рентюк В. Электромагнитная совместимость:
проблема, от решения которой не уйти // Ком-
поненты и технологии. 2017. № 7.
2.	Wyatt К. Design PCBs for EMI, part 1: How signals
move. March 05, 2019. www.edn.com/electronics-
blogs/the-emc-blog/4461633/Design-PCBs-for-
EMI—part-1 —Ho w-signals-move
3.	Wyatt K. Design PCBs for EMI, part 2: Basic stack-
up. March 20, 2019. www.edn.com/electronics-
blogs/the-emc-blog/4461714/Design- PCBs-for-
EMI—part-2—Basic-stack-up
4.	Wyatt K. Design PCBs for EMI, part 3: Partitioning
and routing. April 15, 2019. www.edn.com/
electronics-blogs/the-emc-blog/4461793/l/Design-
PCBs-for-EMI-part-3-Partitioning-and-routing-
5.	Wyatt A., Wyatt P., Wyatt K. EMI Troubleshooting
Cookbook for Product Designers, Scitech
Publishing, 2014. www.edn.com/electronics-blogs/
rowe-s-and-columns/4438188/Get-this-book—fix-
EMI-problems
6.	Wyatt K., lost R. J. Electromagnetic Compatibility
EMC Pocket Guide. Scitech Publishers, 2013.
7.	Schmitt R. Electromagnetics Explained. A
Handbook for Wireless/RF, EMC, and High
Speed Electronics. Newnes, 2002. www.elsevier.
com/books/electromagnetics-explained/
schmitt/978-0-7506-7403-4
8.	Bogatin E. Signal and Power Integrity. Simplified.
3rd edition. Prentice Hall, 2018.
9.	Morrison R. Digital Circuit Boards: Mach 1 GHz,
Wiley, 2012. www.wiley.com/en-us/Digital+Circ
uit+Boards%3A+Mach+l+GHz-p-9781118278116
10.	Morrison R. Fast Circuit Boards: Energy
Management. Wiley, 2018.
11.	Солберг В. Проблемы применения дискретных
SMD-элементов во внутренних слоях много-
слойных печатных плат // Электронные ком-
поненты. 2019. № 1.
12.	Beeker D. Effective РСВ Design: Techniques
То Improve Performance, www.nxp.com/files-
static/training_pdf/WBNR_PCBDESIGN.pdf
13.	Ott H. Electromagnetic Compatibility Engineering.
Wiley, 2009.
14.	Wyatt A., Wyatt P., Wyatt K. EMI Troubleshooting
Cookbook for Product Designers. Scitech
Publishing, 2014.
15.	Wyatt K., Jost R. J. Electromagnetic Compatibility
EMC Pocket Guide. Scitech Publishers, 2013.
16.	Wyatt K. Gaps in Return Planes (video).
www.youtube.com/watch?v=L441TnQgvo
17.	Johnson H. Who's Afraid of the Big Bad Bend?
www.sigcon.com/Pubs/edn/bigbadbend.htm
18.	Altium, PCB Routing Angle Myths: 45-Degree
Angle versus 90-Degree Angle, 2018. www.
resources.altium.com/pcb-design-blog/pcb-
routing-angle-myths-45-degree-angle-versus-
90-degree-angle
19.	Bogatin E. When to Worry About Trace Corners:
Rule of Thumb #24, EDN. www.edn.com/
electronics-blogs/all-aboard-/4438573/When-to-
worry-about-trace-comers—Rule-of-Thumb—24
20.	Chen H. et al. Effects of 20-H Rule and
Shielding Vias on Electromagnetic Radiation
from Printed Circuit Boards (archived at
SpeedingEdge). www.speedingedge.com/PDF-
Files/epep_20hrule.pdf
21.	Shim H., Hubing T. 20-H Rule Modelling and
Measurements, Missouri University of Science 8c
Technology (archived at Clemson University), www.
cecas.clemson.edu/cvel/pdf/EMCSO1-939.pdf
НОВОСТИ измерительная аппаратура
Новый генератор AnaPico
с диапазоном частот до 40 ГГц
Швейцарская компания AnaPico разработа-
ла новый генератор APULN40, отличающийся
очень широким диапазоном рабочих частот.
Высокоэффективные генераторы данной серии
изготавливаются в виде относительно небольших
настольных приборов. Все модели характеризуют-
ся очень низким уровнем фазового шума, прецизи-
онным разрешением по частоте, малым временем
переключения, высокой спектральной чистотой.
Генератор поддерживает различные виды анало-
говой модуляции, включая импульсную, и позволя-
ет проводить свипирование с гибким изменением
параметров. Он функционирует с ультрастабиль-
ным эталонным кварцевым генератором.
Основные характеристики:
•	Диапазон рабочих частот: 10 кГц — 40 ГГц.
•	Разрешение по частоте: 0,001 Гц.
•	Максимальное время переключения: 1,5 мс.
•	Уровень выходного сигнала:
—20...+24 дБм (0,01-6 ГГц),
—20...+ 15 дБм (26-40 ГГц).
•	Разрешение по выходной мощности: 0,01 дБ.
•	Уровень фазового шума:
— на частоте 1 ГГц: — 130 дБн/Гц (1 кГц),
—150 дБн/Гц (100 кГц);
— на частоте 10 ГГц: —113 дБн/Гц (1 кГц),
-130 дБн/Гц (100 кГц);
— на частоте 40 ГГц: —101 дБн/Гц (1 кГц),
-118 дБн/Гц (100 кГц).
•	Уровень гармоник при выходной мощности
5 дБм: —35 дБн (>6 ГГц).
•	Уровень паразитных составляющих:
—92 дБн (1,2—2,5 ГГц),
—84дБн (5-10 ГГц),
—70дБн (>20 ГГц).
•	Диапазон рабочих температур: 0...+45 °C.
• Напряжение питания: 24 В.
• Потребляемая мощность: менее 25 Вт.
• Размеры:106x172x290 мм.
• Вес: 2,5 кг.
На радиочастотном порте на передней панели
генератора используется соединитель 2,92 мм
(female).
www.radiocomp.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
AVIV
GROUP
КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ЭЛЕКТРОНИКИ
AVIV-GROUP.RU
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
И МОНТАЖ
♦

ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
РСВ I SMT I COMPONENTS
Реклама
130
технологии испытания
О целесообразности испытаний
электронной аппаратуры
электроэнергетики
на устойчивость
к воздействию ЭМИ ЯВ
Владимир ГУРЕВИЧ
Вся электронная аппаратура систем вооружения проходит обязательную
проверку на устойчивость к воздействию электромагнитного импульса
высотного ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) на специальных испытательных
стендах — симуляторах ЭМИ ЯВ. В последнее время на повестке дня стоит
задача обеспечения защиты от ЭМИ ЯВ и гражданских систем, образующих
инфраструктуру страны, в первую очередь электроэнергетики. Например,
в США этой проблеме была посвящена специальная директива президен-
та Д. Трампа, подписанная в апреле текущего года. Поскольку военными
уже накоплен большой опыт в защите электронной аппаратуры от ЭМИ ЯВ
и испытаниях этой аппаратуры на специальных стендах, то подобные ком-
петенции часто переносятся и на гражданскую аппаратуру без учета ее
специфики. Правильно ли это? В статье рассмотрен данный вопрос и сде-
лан вывод о нецелесообразности испытаний электронной аппаратуры
электроэнергетики на военных испытательных стендах.
Введение
Необходимость защиты электронного
оборудования важнейших гражданских си-
стем, образующих инфраструктуру страны,
и в первую очередь электроэнергетики, ин-
Рис. 1. Монтажные шкафы для электронной аппаратуры, используемые в электроэнергетике
тенсивно обсуждается в общедоступной за-
падной прессе уже более десяти лет, а в спе-
циальной технической литературе дискус-
сии по данной тематике ведутся уже не один
десяток лет. За этот период Международная
электротехническая комиссия (МЭК) раз-
работала 22 стандарта [1], посвященных
проблемам воздействия ЭМИ ЯВ на граж-
данскую аппаратуру и методам испытаний
такой аппаратуры на устойчивость к нему.
В составе МЭК постоянно действует коми-
тет SC77C, занимающийся стандартизацией
в этой области (членом которого является
и автор данной статьи). При Конгрессе США
уже более двадцати лет работает постоянная
Commission to Assess the Threat to the United
States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack,
подготовившая за прошедшие годы много-
численные отчеты и рекомендации по за-
щите инфраструктуры страны от ЭМИ ЯВ.
26 марта 2019 года президент США Д. Трамп
подписал специальную директиву под на-
званием “Executive Order on Coordinating
National Resilience to Electromagnetic Pulses”,
посвященную координации работ многочис-
ленных государственных и частных структур
США в области защиты гражданской инфра-
структуры от ЭМИ ЯВ. В мае 2019-го начала
действовать международная рабочая группа
WG С4.54 СИГРЭ (автор является действи-
тельным членом этой рабочей группы), де-
ятельность которой направлена на решение
проблем защиты электронной аппаратуры
электроэнергетических систем от ЭМИ ЯВ.
К сожалению, в России этой пробле-
мой на протяжении всего периода зани-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
Рис. 2. Типичная конструкция испытательного стенда так называемого волноводного типа для симуляции ЭМИ ЯВ (а точнее, составляющей Е1 ЭМИ ЯВ)
мались лишь военные сугубо для своих
целей, а гражданские специалисты остава-
лись в полном неведении о существовании
проблемы вплоть до публикаций автором
многочисленных статей и книг по указанной
теме. В книге [1] подробно описана данная
ситуация.
Электронная аппаратура в электроэнерге-
тике — это микропроцессорные устройства
релейной защиты (МУРЗ), многочисленные
управляющие и контролирующие устрой-
ства, системы автоматики, измерения, мони-
торинга и передачи данных, система СКАДА.
Как правило, такая аппаратура размещается
в монтажных шкафах — рис. 1.
С точки зрения защиты электронного обо-
рудования от электромагнитного импуль-
са высотного ядерного взрыва конструкция
монтажных шкафов очень далека от опти-
мальной и требует внесения значительных
изменений, описанных в [1,2]. Подобные из-
менения предполагают довольно существен-
ное усложнение и удорожание монтажных
шкафов с аппаратурой. Поэтому (что само
собой разумеется) эффективность таких из-
менений требует обязательной эксперимен-
тальной проверки и подтверждения.
Проблемы испытания электронной
аппаратуры электроэнергетики
на стендах — симуляторах ЭМИ ЯВ
Проверка электронного оборудования
на устойчивость к воздействию ЭМИ ЯВ
может быть произведена в соответствии
со стандартом [3] на испытательных стендах,
описанных в [1], которые изначально про-
ектировались и строились для испытания об-
разцов военной техники (рис. 2).
Современный имитатор ЭМИ ЯВ наиболее
распространенного волноводного типа со-
стоит из двух основных частей: источника
высоковольтных импульсов и антенной си-
стемы, формирующей импульс электриче-
ского поля (соответствующий составляющей
Е1 ЭМИ ЯВ) в рабочем объеме имитатора,
в котором размещен испытуемый объект
(рис. 2). В качестве источника высоковольт-
ных импульсов обычно используется гене-
ратор импульсных напряжений (ГИН), со-
бранный по схеме Маркса. В этом имитаторе
так называемая нижняя «плата» образована
металлической сеткой, залитой в бетонное
основание, а верхняя «плата» — рядами на-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
132
технологии испытания
Рис. 3. Схема испытательного стенда:
1	— передвижная батарея 220 В;
2	— шкафы с электронной аппаратурой, расположенные на расстоянии друг от друга;
3	— испытуемые электронные устройства (в частности, МУРЗ);
4	— устройства связи;
5	— исполнительное устройство (в частности, электромеханическое реле), управляемое выходными цепями МУРЗ;
6	— зарядно-подзарядный агрегат;
7	— набор металлических решеток, образующих модель системы заземления;
8	— симуляторы различных режимов работы испытуемых электронных устройств;
9	— устройства регистрации состояния испытуемых объектов;
10	— нагрузка с устройством контроля выходного напряжения зарядно-подзарядного агрегата
тянутой проволоки, поддерживаемой изоли-
рованными стойками.
Поскольку электронная аппаратура, раз-
мещенная в монтажных шкафах, соединена
посредством многожильных контрольных
кабелей, часто не экранированных, а также
силовых кабелей питания со множеством
других видов оборудования, расположенных
зачастую на расстоянии в десятки-сотни ме-
тров от шкафов, то для полноты картины ис-
пытаниям должна быть подвергнута целая
система оборудования, а не отдельно взятый
шкаф (рис. 3).
В процессе испытания такой системы
предполагалось постепенное отключение за-
щитных элементов при повторных воздей-
ствиях электромагнитного импульса (рис. 4)
для определения минимального количества
защитных элементов, при которых все еще
сохраняется работоспособность электронной
аппаратуры.
Такой подход позволил бы найти опти-
мальное решение проблемы защиты элек-
тронной аппаратуры и минимизировать за-
траты. Однако выполненные исследования
[2] поставили под сомнение такую, на пер-
вый взгляд вполне логичную, программу ис-
пытаний. Речь идет о том, что даже малей-
шее изменение монтажа внутри шкафа, на-
пример увеличение длины соединительных
проводов с 25 см до 50 см между защитным
элементом и защищаемым входом электрон-
ной аппаратуры, приводит к тому, что за-
щитные элементы (в частности, варисторы)
полностью утрачивают свою способность
защищать оборудование. А возможно ли
в принципе соблюсти во всех шкафах с элек-
тронной аппаратурой в электроэнергетике
строго идентичную внутреннюю структуру
и такие короткие соединительные провода?
Ответ на поставленный вопрос однозначен:
это в принципе невозможно.
Дополнительная проблема заключается
в невозможности сымитировать воздействие
ЭМИ ЯВ на контрольные кабели длиной
в несколько сотен метров на стенде с нижней
платой размерами 10x20 м (или близкими
Рис. 4. Стадии испытаний электронной аппаратуры с постепенным отключением защитных элементов
и повторной подачей испытательных импульсов
к этим). Как расположить кабели такой дли-
ны на столь ограниченной площади? Если
зигзагами, то импульс, наведенный в разно-
направленных частях зигзагов, будет взаимно
компенсироваться. Если расположить кабели
концентрическими кругами, то степень вли-
яния импульса электрического поля испыта-
тельного стенда, воздействующего на такой
кабель, будет, наоборот, существенно усиле-
на по сравнению с реальным. Комбинация
обоих вариантов слишком сложна для рас-
четов и практически не предсказуема.
Еще одна проблема заключается в зазем-
лении шкафов с электронной аппаратурой
и самой этой аппаратуры, расположенной
в шкафах. Эта проблема обусловлена, с од-
ной стороны, принципиальными различи-
ями между электромагнитным импульсом
молнии (ЭМИМ) и электромагнитным им-
пульсом высотного ядерного взрыва (ЭМИ
ЯВ), а с другой — конструкцией испытатель-
ного стенда с заземленной нижней платой.
ЭМИМ — это точечный электрический раз-
ряд между двумя электродами, одним из ко-
торых является облако, а другим — объект,
имеющий потенциал «земли» (или система
заземления). ЭМИ ЯВ — это не точечный,
а объемный физический процесс, обуслов-
ленный потоком электронов, движущихся
с большой скоростью по направлению к по-
верхности земли, и охватывающий области
площадью в тысячи километров. Природа
обоих явлений совершенно разная, и реак-
ция проводников на их воздействие также
различна. Например, если в качестве при-
мера представить длинный металлический
стержень, установленный на двух изоляторах
с пренебрежимо малой емкостью на «землю»
(рис. 4), то при воздействии ЭМИМ на один
его конец и заземленном втором конце через
стержень пройдет импульс тока, обусловлен-
ный высокой разностью потенциалов между
его концами.
А возникнет ли разность потенциалов
между концами стержня и будет ли через
него протекать импульс тока, если правый
конец стержня будет отсоединен от «земли»?
Ответ очевиден: нет. То есть при воздействии
ЭМИМ заземление играет важную роль.
А теперь рассмотрим влияние заземления
при воздействии на стержень ЭМИ ЯВ (рис. 5).
При воздействии ЭМИ ЯВ между концами
стержня возникнет высокая разность потен-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
испытания
технологии
133
Рис. 6. Воздействие ЭМИ ЯВ (а точнее, его составляющей Е1) на металлический стержень
Рис. 5. Воздействие ЭМИМ на металлический стержень
циалов независимо от наличия или отсут-
ствия заземления, а тока не будет даже при
наличии заземления по той простой при-
чине, что эта разность потенциалов не име-
ет никакого отношения к потенциалу «зем-
ли». Это очень похоже на изолированный
от «земли» (например, подвешенный на изо-
ляционной нити) аккумулятор (рис. 7).
Разность потенциалов между полюсами
аккумулятора не будет зависеть от наличия
или отсутствия «земли», а заземление одно-
го из полюсов не приведет к возникновению
тока в цепи заземления. Другими словами,
такой изолированный аккумулятор полно-
стью инертен к заземлению, как и изолиро-
ванный стержень при воздействии ЭМИ ЯВ.
Вернемся теперь к испытательному стен-
ду ЭМИ ЯВ (рис. 2). Поскольку импульс
электрического поля высокой напряженно-
сти создается в таком стенде между верхним
изолированным электродом и нижним за-
земленным электродом, то совершенно оче-
видно, что испытуемый объект, помещен-
ный между обоими электродами, будет вести
себя точно так, как при воздействии ЭМИМ
(рис. 5), но совсем не так, как при воздей-
ствии ЭМИ ЯВ (рис. 6). То есть на самом
деле такой испытательный стенд имитирует
воздействие разряда молнии, а не высотно-
го ядерного взрыва. При этом заземление
испытуемого объекта (например, шкафа)
и включение защитных разрядников между
цепями электронной аппаратуры и «землей»
существенно ослабят воздействие тестового
импульса (как и заземление при воздействии
разряда молнии), что ошибочно может быть
расценено как действенная мера по защите
оборудования от ЭМИ ЯВ.
Отличия электронной аппаратуры
электроэнергетики от электронной
аппаратуры систем вооружения
Но как же быть с испытаниями систем во-
оружения на таких стендах? Принципиальное
отличие систем вооружения (танков, само-
летов, ракет), которые обязательно прохо-
дят подобные испытания, заключается в том,
что, во-первых, такие системы вооружений
Рис. 7. Токи и напряжения изолированного от «земли»
(подвешенного на изоляционной нити) аккумулятора
являются компактными автономными систе-
мами с кабелями, расположенными внутри,
а не выходящими на сотни метров наружу.
Во-вторых, все экземпляры одного и того же
типа изготовлены по одним и тем же чер-
тежам со строжайшим соблюдением одной
и той же технологии и имеют пренебрежимо
малые отличия как в используемой элемент-
ной базе, так и во внутреннем монтаже, вы-
полненном одинаковыми монтажными жгу-
тами, заранее приготовленными на макетах.
В-третьих, цепи внутренней электронной
аппаратуры не имеют никакого отношения
к «земле» и ее потенциалу. Эти особенности
военной аппаратуры позволяют успешно те-
стировать ее на существующих испытатель-
ных стендах и распространять результаты
испытаний одного образца на всю партию
изделий данного типа.
Шкафы с электронной аппаратурой, ис-
пользуемые в электроэнергетике, во-первых,
имеют существенно отличающуюся от об-
разца к образцу внутреннюю конструкцию
и содержание, во-вторых, оснащены длин-
ными кабелями, выходящими в окружающее
пространство на сотни метров и входящими
в них, в-третьих, снабжены обязательным за-
землением.
Поскольку речь идет об очень корот-
ком импульсе (2,5/25 нс), воздействующем
на электрические цепи как высокочастотный
сигнал с частотой до 100 МГц, то совершенно
очевидно, что вариации внутреннего мон-
тажа и внешних кабелей, а также различные
типы используемой в шкафах аппаратуры
и их разнообразное сочетание будут так
сильно влиять на высокочастотные свой-
ства, а следовательно, и на чувствительность
аппаратуры к ЭМИ ЯВ и на эффективность
защитных элементов [2], что говорить
о распространении результатов испытаний
одного шкафа на другие шкафы просто бес-
смысленно. Тем более что существующие ис-
пытательные стенды не отражают реального
положения дел для аппаратуры, использую-
щей внешнее заземление.
В связи с этим возникает вопрос вообще
о целесообразности проведения испытаний
электронной аппаратуры электроэнергетики
на стендах, имитирующих ЭМИ ЯВ. По на-
шему мнению, сегодня уже накоплен опре-
деленный опыт в разработке мер защиты
электронной аппаратуры электроэнергетики
от ЭМИ ЯВ, описана элементная база и ма-
териалы, отличающиеся от применяемых
в военном оборудовании значительно более
низкой стоимостью [1]. Естественно, эффек-
тивность таких средств защиты ниже эффек-
тивности защиты танков или ракет, но в со-
вокупности она вполне достаточна для
предотвращения повреждений большинства
видов электронной аппаратуры в энергетике.
Попутно возникает еще один вопрос —
о целесообразности испытания электронной
аппаратуры электроэнергетики на устойчи-
вость к импульсу тока большой амплитуды
(несколько килоампер), также предусмотрен-
ному стандартом [3] и соответствующим во-
енным стандартом MIL-STD-188-125-1. Дело
в том, что нормы этих стандартов в части
импульсных токов предназначены и прак-
тически используются для проверки филь-
тров ЭМИ ЯВ — через них может проходить
импульс тока большой амплитуды, который
они должны выдерживать без повреждения.
Однако в самих стандартах не оговорено, что
данные нормы предназначены лишь для про-
верки фильтров, и поэтому их автоматически
распространяют на все виды оборудования.
Но входные цепи электронной аппаратуры,
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
134
технологии
испытания
используемой в энергетике, как логические,
так и аналоговые, а также цепи питания об-
ладают большим импедансом, а потому для
создания тока в этих цепях в несколько ки-
лоампер потребуется напряжение в десятки
киловольт. Специальное испытательное обо-
рудование позволяет создать необходимые
импульсные напряжения и токи, однако та-
кое высокое импульсное напряжение будет
намного превышать требования стандартов
к амплитуде напряжения, которую должны
выдерживать входы и выходы электронной
аппаратуры. Вследствие этого при попытке
испытания на устойчивость к импульсу тока
электронная аппаратура будет подвергнута
неоправданно высокому импульсному напря-
жению и может быть повреждена. Поэтому,
по нашему мнению, и данный вид испытаний
должен быть исключен для электронной ап-
паратуры электроэнергетики.
Выводы
По нашему мнению, стратегия должна за-
ключаться в использовании в каждом шкафу
всей совокупности известных [1,2] защитных
средств (каждое из которых в отдельности
обеспечивает частичную защиту), но только
критических видов аппаратуры и без допол-
нительных комплексных испытаний на стен-
дах-симуляторах ЭМИ ЯВ и генераторах
импульсных токов. Необходимость приме-
нения всей совокупности защитных средств
обусловлена невозможностью заранее пре-
допределить минимально необходимый
комплект таких средств, подходящий для
всех случаев, после проведения испытаний
одного-двух шкафов с аппаратурой на стен-
де — симуляторе ЭМИ ЯВ. Поэтому защита
должна быть рассчитана на самый тяжелый
случай и содержать весь необходимый ком-
плект средств. Снижение стоимости затрат
должно обеспечиваться не за счет частично-
го применения элементов и средств защиты,
а за счет защиты лишь небольшой части обо-
рудования, отнесенного к категории крити-
ческого, а не всего установленного.
Литература
1.	Гуревич В. И. Электромагнитный импульс вы-
сотного ядерного взрыва и защита электрообо-
рудования от него.М.: Инфра-Инженерия, 2019.
2.	Гуревич В. И. Защита электронной аппаратуры,
размещенной в монтажных шкафах, от ЭМИ ЯВ //
Автоматизация и IT в электроэнергетике. 2019. № 5.
3.	IEC 61000-4-25 Electromagnetic compatibility
(EMC).— Part 4 — 25: Testing and measurement
techniques.— HEMP immunity test methods for
equipment and systems, www.webstore.iec.ch/
publication/4196
новости
источники питания
Компания Analog Devices выпустила микромодуль LTM4671 — четырех-
канальный неизолированный понижающий импульсный преобразователь
со стабилизированным выходным напряжением. Миниатюрный корпус микро-
модуля содержит переключающие контроллеры, мощные полевые транзисто-
ры, индуктивности и другие пассивные элементы. Имеется встроенная защита
от перегрузки, перенапряжения и перегрева. По сути, это четыре готовых им-
пульсных блока питания водном миниатюрном корпусе. Решение позволяет
построить очень компактную систему питания, например, для процессоров
или ПЛИС. Рабочая частота LTM4671 оптимизирована для максимально эф-
фективного функционирования преобразователя в наиболее компактном
Микромодуль LTM4671
от Analog Devices
корпусе при минимальном допуске пульсаций напряжений на выходе. Частота
преобразователя по умолчанию 600 кГц для каналов 12 А и 1 МГц для каналов
5 А. Если требуется изменить частоту преобразователя, это можно сделать,
установив дополнительный резистор. Для увеличения выходных токов пред-
усмотрена возможность соединения однотипных выходов параллельно.
Возможные варианты включения:
24 А
5А
5А
10А
12А
12А
24 А
10А
Основные характеристики LTM4671:
•	четыре канала: 2x12 А, 2x5 А;
. UBX : 3,1-20 В;
•	11вых для каналов 12 А: 0,6—3,3 В;
•	11вых для каналов 5 А: 0,6—5,5 В;
•	мощность рассеивания: до 7 Вт при t +60 °C без радиатора;
•	корпус: 9,5x16x4,72 мм BGA.
www.teson.ru
Компания Mean Well представляет источники
питания открытого исполнения серии EPP-120S.
Компактные размеры (3x2 дюйма) в них сочетают-
AC/DC-источники питания открытого
исполнения на 120 Вт от Mean Well
ся с низким потреблением мощности без нагрузки
(<0,3 Вт).
Источники питания EPP-120S также отличаются
низкой ценой по сравнению с аналогами и могут
применяться в промышленном оборудовании,
электромеханических инструментах, системах
управления, электронных устройствах.
Технические характеристики:
•	Диапазон входных напряжений: 80—264 В АС.
•	Выходная мощность: 120 Вт.
•	Изоляция вход/выход: 4000 В АС.
. КПД: до 94%.
•	Конвекционное охлаждение.
•	Диапазон рабочих температур: —30...+85 °C.
•	Габариты: 76,2x50,8x28 мм.
•	Защита от:
—	превышения выходного напряжения;
—	короткого замыкания и перегрузки на выходе;
—	перегрева.
• Соответствие международным стандартам:
ЕАС/СЕ.
www.eltech.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
ФИЛЬТРЫ ЭМП
для промышленного применения
Фильтры ТЕКО — высокоэффективные фильтры
для защиты от электромагнитных помех, создаваемых
промышленным оборудованием, таким как электродвигатели,
преобразователи, инверторы, блоки питания и другим.
Реклама
125480, г. Москва,
ул. Планерная, д. 7А
тел./факс: (495) 657-87-37
testpribor@test-expert.ru
www. test-expert, ru
Специальная конструкция корпусов с экранированными отсеками, а также
качественные электронные компоненты гарантируют высокий уровень
ослабления электромагнитных помех. Доступны модели со специальным
исполнением для установки в экранированные и безэховые камеры.
СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРОВ ТЕКО:
	Источники
бесперебойного питания
	Электродвигатели и приводы
	Генераторы и преобразователи
Медицинское оборудование
	Производство
	Экранированные
и безэховые камеры
	Системы защиты информации
Системы хранения данных
136
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
Возможности взаимодействия
осциллографа RTE1104
с программной средой MATLAB
Дмитрий КАПЛУН
Максим МИНЕНКО
Как известно, осциллографы применяются для исследования амплитудных,
временных и частотных характеристик реальных электрических сигналов,
но зачастую этого недостаточно — полученный сигнал еще необходимо об-
работать. В связи с этим современные осциллографы имеют возможность
подключения и совместной работы с персональными компьютерами (ПК),
которые обладают большими вычислительными мощностями и меньшей
ценой по сравнению с осциллографами среднего и высокого ценового диа-
пазона. Подключение осциллографа к ПК, с установленной программой
по обработке полученных данных, существенно расширяет его возмож-
ности. Для проверки таких возможностей была выбрана среда MATLAB,
поскольку данная программа применяется повсеместно для проведения
сложных научно-технических исследований в различных сферах.
В статье будет рассмотрена связка, со-
стоящая из программы MATLAB
2018b и осциллографа компании
Rohde&Schwarz RTE1104 (рис. 1). Этот при-
бор является одним из лучших представи-
телей осциллографов в данной ценовой ка-
тегории: он имеет четыре канала с памятью
до 200 млн точек/канал и полосой пропуска-
ния 1 ГГц с частотой дискретизации 5 ГГц.
Следует помнить, что материал статьи от-
носится не только к конкретному осцилло-
графу и версии программы MATLAB, а при-
меним и для более старых версий MATLAB
и других современных осциллографов.
Рис. 1. Внешний вид осциллографа R&S RTE 1104
Подключение ПК с MATLAB
к осциллографу
Для работы с осциллограммами на ком-
пьютере необходимо передать массив зна-
чений с осциллографа в рабочую область
MATLAB.
Для установления связи между осцил-
лографом и ПК была выбрана Local Area
Network (LAN) — локальная вычислительная
сеть, использующая протокол VXI-11, кото-
рый поддерживается интерфейсом National
Instruments Virtual Instrument Software
Architecture (NI VISA).
NI VISA — это стандартизованная библи-
отека программного обеспечения, предо-
ставляющая функции ввода и вывода для
взаимодействия с различными устройства-
ми. VISA включает следующие интерфей-
сы: GPIB, VXI, PXI, Serial, Ethernet и USB.
Установка VISA — обязательное условие для
обмена данными с R&S RTE1104.
Для интеграции в локальную сеть при-
бор оснащен интерфейсом локальной сети,
состоящим из сетевой карты, протоколов
и разъема. Для управления через сеть ПК
и прибор должны быть подключены по ин-
терфейсу LAN к общей сети с сетевым про-
токолом TCP/IP.
Для настройки соединения требуется толь-
ко IP-адрес прибора, который используется
в VISA-строке:
TCP/IP::<IP address> [::inst0] ::INSTR
где IP address определяет прибор в сети;
instO — имя устройства локальной сети.
VISA поддерживает работу нескольких
устройств на приборе; INSTR указывает
на то, что используется протокол VXI11.
В нашем случае VISA-строка будет иметь
следующий вид:
TCPIP::RTE1104-300160::INSTR
WINS (Windows Internet Name Service) —
служба сопоставления NetBIOS-имен компью-
теров с IP-адресами узлов позволяет исполь-
зовать имя осциллографа вместо его IP-адреса.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
Рис. 2. Код программы для обмена данными
Передача данных из каналов
осциллографа в MATLAB
Для соединения осциллографа и компью-
тера предназначена программа, написанная
на языке программирования MATLAB (рис. 2).
Данная программа позволяет настраивать
параметры развертки, а также количество
и тип принимаемых данных с осциллографа.
Для успешного запуска потребуется следую-
щий набор программ и библиотек: MATLAB,
Instrument Control Toolbox и NT VISA.
Instrument Control Toolbox позволяет под-
ключать MATLAB напрямую к осцилло-
графу и другим приборам. С его помощью
можно контролировать и получать данные
с прибора без написания дополнительного
кода. Также есть возможность генерирования
данных в MATLAB для отправки на прибор
или считывания данных в MATLAB для ана-
лиза и визуализации.
Анализ сигналов
в частотной области
Периодический сигнал любой сложности
можно представить как бесконечную сумму
элементарных сигналов различной амплитуды
и частоты — гармоник. Такое разложение на-
зывается «разложение в ряд Фурье». В результа-
те преобразования Фурье получается спектр —
представление сигнала в частотной области.
Прямое преобразование Фурье непрерыв-
ного (аналогового) сигнала:
F(w)=[	(1)
J—00
где j — мнимая единица; w— угловая частота;
t— время.
По амплитудному и фазовому спектру сиг-
нала можно, применив обратное преобразо-
Рис. 3. Осциллограмма синусоиды с частотой 5 МГц и ее амплитудный спектр
ванне Фурье, получить сигнал во временной
области.
Ввиду того что осциллограмма сигнала
представлена как дискретные отсчеты, необ-
ходимо воспользоваться дискретным преоб-
разованием Фурье (ДПФ/DFT):
Хк = У Хпхе
-2тд
~~N~‘
(2)
где)— мнимая единица; п— номер гармони-
ки; к — индекс отсчетов сигнала (от 0 до N-1).
Вследствие того что память на компьюте-
ре конечна, бесконечный сигнал необходимо
ограничить. В качестве ограничителя высту-
пает окно — дополнительный множитель
в дискретном преобразовании Фурье.
г-2ту А)
_ , v_i	—-хкп
xk=N ’	(3)
где Wk — множитель, учитывающий дей-
ствие окна.
Рис. 4. Спектр сигнала, полученный в среде MATLAB
Для ускорения вычислений используется
быстрое преобразование Фурье (БПФ/FFT).
Для сравнения: сложность обычного ДПФ —
0(п*п), сложность БПФ — O(n*log п).
На рис. 3 можно увидеть временное пред-
ставление простейшего сигнала и его ампли-
тудный спектр.
Для построения спектра сигнала в MATLAB
можно воспользоваться встроенной функ-
цией fft:
1-	Y = fft(data);
2-	df = Fd / N;
3-	f = 0 : df : Fd/2-df;
4-	S = Y(l:end/2);
5-	plot(f, 2*abs(S)/N)
6-	х!аЬе1(“Частота, Гц”)
7-	ylabel( “Амплитуда,	В”)
Приведенные выше команды можно
оформить в виде отдельной программы —
m-файла или ввести построчно в Command
Window, так как MATLAB является интер-
претируемым языком.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
измерительная аппаратура
На рис. 4 показан результат работы про-
граммы. Полученный спектр совпадает
со спектром, построенным осциллографом.
У читателя может возникнуть закономер-
ный вопрос: в чем польза MATLAB, если ос-
циллограф сам прекрасно строит спектр сиг-
нала? Во-первых, все данные о сигнале и его
спектре находятся в рабочей среде MATLAB
в удобном формате массива и готовы к даль-
нейшей обработке. Во-вторых, полученный
сигнал можно использовать в дальнейшем,
например, как вход компьютерной модели
системы автоматического управления. В ос-
циллографе предусмотрена и возможность
представления спектра сигнала как в линей-
ном, так и в логарифмическом масштабе.
Синтез фильтров в MATLAB
Фильтрация сигнала, то есть селекция (вы-
бор) сигнала в частотной области, обычно
предпринимается с целью увеличения отно-
шения полезного сигнала к шумам и поме-
хам или усиления каких-нибудь полезных
качеств сигнала.
В MATLAB существует несколько способов
создания фильтров:
•	в рабочей среде MATLAB с помощью
библиотечных функций;
•	в Simulink;
•	в утилите FilterDesign.
Для получения тестового сигнала был ис-
пользован встроенный в осциллограф генера-
тор сигналов. На рис. 5 отображено наличие вы-
сокочастотных шумов у полученного сигнала.
При помощи программы, представленной
на рис. 2, перенесем полученный сигнал в ра-
Рис. 5. Осциллограмма меандра
бочую область MATLAB и построим его гра-
фик (рис. 6).
В MATLAB реализовано большое количе-
ство функций, которые используются для
создания фильтров, однако в данной статье
будет рассмотрен способ создания фильтров
при помощи утилиты FilterDesigner.
Filter Designer — мощный графический
пользовательский интерфейс (GUI) в Signal
Processing Toolbox для проектирования и ана-
лиза фильтров.
Filter Designer позволяет быстро создавать
цифровые БИХ- и КИХ-фильтры, устанав-
ливая характеристики производительности
фильтров, импортируя фильтры из рабочей
области MATLAB или добавляя, переме-
щая или удаляя полюсы и нули передаточ-
ной функции фильтра. Filter Designer также
предоставляет инструменты для анализа
фильтров, такие как амплитудно-частотные
характеристики, фазочастотные характери-
стики, карта нулей и полюсов, и т. д.
Для того чтобы открыть Filter Designer,
необходимо выполнить следующую команду:
» filterDesigner
На рис. 7 показан графический интерфейс
I QJC I
F** (<*	-
004
Пэ*
йов


Рис. 6. График меандра, построенный в MATLAB
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
139
£* W*	I1"	L-*	_________
' и у и V»* г j с a ‘ .1 - ек • аз о
Рис. 7. Стартовое окно Filter Designer
Для конструирования фильтра нужно получить сигнал в частот-
ной области с целью определения требуемого частотного диапазона.
Для этого используется программа, которая была написана ранее для
построения спектра синусоидального сигнала. На рис. 8 представлен
результат работы программы — частотное представление сигнала.
По приведенному выше спектру нельзя сделать какой-либо вы-
вод о частоте помех, поэтому можно воспользоваться функцией
MATLAB square для генерации идеального меандра (рис. 9).
Для лучшего сравнения спектров идеального и полученного с ос-
циллографа меандров можно построить их амплитудные спектры
на одном графике (рис. 10).
На рис. 10 видно, что спектры идентичны, но если масштабировать
график, то можно увидеть разницу (рис. 11).
Исходя из этого можно сделать вывод, что использование филь-
тров, дискриминирующих сигнал по частоте, нецелесообразно, по-
скольку шум присутствует на всем диапазоне частот. В таких случаях
Тпеа |>«г*
к
Рис. 8. Амплитудный спектр меандра
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
Рис. 9. Идеальный меандр, сгенерированный в MATLAB
предпочтителен сглаживающий фильтр, ко-
торый можно применить прямо в осцилло-
графе.
Протоколы передачи данных
Осциллограф Rohde & Schwarz RTE 1104 под-
держивает большое количество протоколов
передачи данных, например ARINC 429, CAN,
CAN FD, CXPI, Ethernet, UART, USB и другие.
Подробнее остановимся на протоко-
ле UART (Universal asynchronous receiver/
transmitter), или УАПП (универсальный асин-
хронный приемопередатчик). Это узел вы-
числительных устройств, предназначенный
для организации связи с другими цифровы-
ми устройствами. Преобразует передаваемые
данные в последовательный вид так, чтобы
было возможно передать их по одной физиче-
ской цифровой линии другому аналогичному
устройству. Метод преобразования хорошо
стандартизован и широко распространен
в компьютерной технике. Передача данных
в UART осуществляется по 1 бит в равные
Рис. 10. Амплитудный спектр идеального и реального меандра
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
141
Рис. 11. Масштабированный спектр двух меандров
рость 9600 бод и конфигурация 8N1, то есть
8 бит — размер данных, отсутствует бит чет-
ности, 1 стоп-бит.
Далее при помощи функции Serial.print()
происходит передача сообщения с задержкой
в 50 мс.
При помощи осциллографа можно полу-
чить сигнал передаваемого сообщения и сра-
зу его декодировать (рис. 14).
Последовательная связь на выводах TX/RX
промежутки времени. Этот временной про-
межуток определяется заданной скоростью
UART и для конкретного соединения указыва-
ется в бодах (бит/с, или битрейт).
Помимо информационных бит, UART ав-
томатически вставляет в поток синхронизи-
рующие метки — так называемые стартовый
и столовый биты (рис. 12).
Для передачи данных использовался ми-
кроконтроллер Arduino Mega (рис. 13) и би-
блиотека Serial.
Во второй строке программы происходит
инициализация последовательного порта
при помощи команды Serial.begin(baud_rate,
config), где baud_rate — скорость передачи
данных в бодах, config — параметры конфи-
гурации последовательного порта. В параме-
1' s-rrtrf	[
№	tllr ( хлю, HUAI
> 1
4
aid	(
serMl ("i	, latvon’);
1 delay(M)
• ]
Рис. 13. Программа передачи сообщения
через Arduino Меда
тры конфигурации входят размер данных,
бит четности и стоп-биты. В программе,
представленной выше, используется ско-
Рис. 14. Передача данных через последовательный порт
использует логические уровни TTL (5 В).
На рис. 14 можно увидеть, что все сооб-
щение было доставлено за 20 мс. Поскольку
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
142
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
» « н
hjf • ЬиГ » wtBOauUp
-nr - ГГ|Г • If
I • 4  |Г
п-а
DIE. » Й.
Bie_*»1* -	4 мамшп:
11 But С Ли *E LuE > 4 IL Lit MBKx: - 0
4 к *	M e Riaftor • fcit e«J»r ♦ i f
4l "	»P3
Рис. 15. Программа декодирования UART
скорость передачи данных составляет
9600 бод, за это время было передано при-
мерно 9600/50 = 192 бит информации.
Учитывая, что длина информационной
последовательности в рабочей области
MATLAB равна 1000 отсчетов, можно вы-
числить количество отсчетов, использую-
щихся для представления одного бита ин-
формации: 1000/192 = 5,2, то есть примерно
5 отсчетов на 1 бит.
Используем язык программирования
MATLAB для декодирования массива инфор-
мации (рис. 15).
Программа пересчитывает отсчеты напря-
жения в биты и заносит полученные биты
в массив:
bit_values	[0,1,1,1,0,1,1,0]
Для каждой последовательности бит вызы-
вается функция bi2de — она переводит число
из двоичной системы счисления в десятич-
ную. Полученное десятичное число поступа-
ет на вход функции char, которая ставит в со-
ответствие данному числу символ в таблице
ASCII. Через несколько итераций, количество
которых равно длине сообщения, получается
декодированное сообщение, отправленное
при помощи Arduino Mega:
answer “Elementary, Watson”
Технология NFC
Ближняя бесконтактная связь (Near Field
Communication) — это беспроводная тех-
нология малого радиуса действия, действу-
ющая в глобально доступной нелицензи-
рованной полосе частот 13,56 МГц, полоса
пропускания системы составляет ±7 кГц.
Технология поддерживает передачу данных
со скоростями 106, 212 и 424 кбит/с и имеет
потенциал более высокой скорости переда-
чи. Кроме того, в NFC предусмотрен полу-
дуплексный способ связи, то есть для обоих
устройств предназначен один и тот же канал.
Для предотвращения коллизий применяет-
ся протокол CSMA. Работу этого протокола
можно описать следующим образом: устрой-
ство, которое желает передать данные, вы-
полняет процедуру оценки чистоты кана-
ла, если передающая среда оценивается как
чистая, устройство может передать данные.
В противном случае устройство ждет неко-
торое время перед новой попыткой переда-
чи данных. Для кодирования данных в NFC
Рис. 16. Обмен данными между устройствами при помощи NFC	Рис. 17. Масштабированная осциллограмма
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
143
04
DA
ОТ
1	I	1
в»	6 в	I
О 4
Рис. 18. Осциллограмма передаваемых в MATLAB данных
используется код Миллера и Манчестерское
кодирование.
При помощи осциллографа можно уви-
деть процедуру передачи данных (рис. 16).
В качестве устройств, обменивающихся ин-
формацией, использован микроконтроллер
с поддержкой NFC и телефон.
При масштабировании осциллограммы
можно увидеть, что для передачи информа-
ции применяется амплитудная модуляция
(рис. 17).
При помощи программы по передаче
данных получим и построим приведенную
выше осциллограмму в MATLAB (рис. 18).
Большая частота дискретизации осцилло-
графа позволяет детально исследовать по-
лученный сигнал, например проверить тип
используемой модуляции, применить встро-
енные в устройство фильтры и т. д. Для даль-
нейшей обработки можно передать сигнал
в рабочую среду MATLAB.
Сотлил1са№пз Тоофсл клпв fey вммам*	# \им*<ь
(Мвф аяу алмвв w stfeBut wv Л яалдсви ивам*
9 *» I «а	0<С| кВойаг соммаасМаа Вамеаа 1м Mav * <М Саявмаасааа*	Mvcaa 1ааяваауУам*м* Саавдпй*»
У W ‘ -(< г •	м>/ ****4 C******* 45*'>аг/	Г»4-.irr» vMan i*#'''• св	•
9 »«1»аям  Омвимовавв ’ - А» ifew к^С	- СмвмжМм ***>.« I» г«к« ••< kFC Рч«м>» «н «а w паай
Маг<имн Ь*Аав

Fmar by Category
i>waaa вц	1
мамам НаИМф	и Т	v
lw»4ha«<i
3ШваУева

1
I
я
I


СЛптипкамоо ’сооо» Ubtiry lorlhe NFC Prc<otol
MoM> ma отамм «амача* *аи fea
•faeyAtaaank айвмвмвУУААмам
MM*Aiaki суеам Гм*«
vaferAUedc*
Mwro-Aiuy ClntllMT L! 00 (r* Ba*«m
lM*a м	«toaalbfa feM *• taiva еайемя aMfearteiimWr
I»
fa dk^Waaa.aaMUa»
A !n
/• *_	• вашкв  Ri
С4йк*а*

ОамАавмО
BUbmATQ Mfea JC1
f О
Irt л-j
MDaaa*a« О
>Г(1иЙ]1ГжХ«1
Рис. 19. Add-Ons Explorer
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
www.kit-e.ru
144
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
В MATLAB есть удобный механизм поиска
программных решений, не входящих в стан-
дартный набор программного обеспечения.
При помощи этого механизма любой пользо-
ватель может поделиться своими программа-
ми с другими, не выходя из MATLAB. Чтобы
найти программу, которая расшифрует по-
лученный NFC-сигнал, необходимо перейти
на вкладку НОМЕ и найти иконку Add-Ons.
В открывшемся окне можно выполнять по-
иск по ключевым словам, в нашем случае —
NFC (рис. 19).
Найденное дополнение легко устано-
вить. Для декодирования NFC требуются
Communication Toolbox, DSP System Toolbox
и Signal Processing Toolbox.
Исходя из описанных выше примеров
можно сделать вывод, что при помощи ос-
циллографа RTE1104 задача получения и ис-
следования сложных сигналов становится
более простой.
Заключение
Рассмотренные примеры раскрывают
далеко не все возможности технологии со-
вместного использования осциллогра-
фа RTE1104 и MATLAB. Существующие
функции управления осциллографом через
Интернет, построение спектрограмм, вейв-
лет-анализ и другие выходят за рамки дан-
ной статьи.
Взаимодействие программ для математи-
ческого моделирования и осциллографов
высокого класса открывает большие пер-
спективы для инженеров и исследователей
в области тестирования и отладки программ-
но-аппаратных средств. Также данная техно-
логия применима для проведения лаборатор-
ных работ в университетах, поскольку имеет-
ся возможность обеспечить дистанционный
доступ к осциллографу через сеть.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № б ’2019
Реклама
ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
В РАМКАХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЙ АНТЕННОЙ НЕДЕЛИ
22 АНТЕННЫ
О И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
CN РАДИОВОЛН
15-17 октября
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Антенные решетки • Широкополосные антенны • Смарт-антенны •
Технологии Ml МО • Излучатели • Элементы антенных трактов •
Исследования характеристик рассеяния • Измерения в антенной
технике • Распространение радиоволн • Новые материалы в
антенной технике • Новые материалы в технике СВЧ
Больше информации на www.antennaconf.com
Регистрация слушателей доступна на сайте до 10.09.2019
Совместно с
Antennas Design and Measurement International Conference
MORNSUN®
Д35-350ВТ
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
В ЗАКРЫТОМ ИСПОЛНЕНИИ
Изоляционное
напряжение
до 4000 В
переменного
тока
Рабочий
диапазон
температур
от -30 °C
до +70 °C
Электромагнитные
помехи соответствуют
стандарту
CISPR32/EN55032
Class В
Соответствуют
требованиям
работы
на высоте
5000 м
Имеет сертификат
безопасности EN62368
Соответствует
стандартам
IEC/UL62368/EN60335
* Подробная информация приведена в технических спецификациях.
MORNSUN®
E-mail: info@mornsun.cn
Website: www.mornsun-power.com
Facebook/Linkedin: Mornsun Power