Минимизатор мощности — экономия или обман счетчика? | СамЭлектрик.ру
Активный читатель, комментатор и Автор блога СамЭлектрик.ру Алексей Филиппов всесторонне рассматривает и справедливо критикует патент на изобретение и реальный прибор, который якобы позволяет экономить электроэнергию.
Экономить электроэнергию и экономить деньги – две большие разницы, о чем я подробно пишу в своей статье про Способы экономии электроэнергии .
Кроме того, статья Алексея тесно связано с моей статьёй “Способы хищения электроэнергии ” , которая была значительно урезана по требованию Роскомнадзора.
Прибор продается в интернете, стоит очень недёшево, и данная статья – отзыв об этом приборе.
Итак, статья Автора:
МОЖНО ЛИ ЗАКОННО ОБМАНУТЬ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИК?
Кажется, не так давно повсюду активно продавали некую коробочку, не помню название, которая экономит электричество.
Я как то сразу заподозрил подвох, но было любопытно, а потом мои подозрения подтвердились, когда я увидел вскрытие такой коробочки, а в ней оказалось установлен обычный конденсатор и пара индикаторных светодиодов со схемой для их питания. Не скажу, что это устройство совсем бесполезное или фейк, но и толку от него мало.
Устройство энергосбережения. Работает и приносит выгоду далеко не всегда!
В рекламе на видео демонстрировали люминесцентный светильник, потребление тока которым уменьшалось при подключении “волшебного и очень нужного” устройства. После того как я увидел что внутри, то понял как это работает, устройство попросту компенсирует реактивную нагрузку, светильник использованный в рекламе имел дроссельный балласт.
Если нагрузка будет иметь резистивный или емкостной характер, или слабо индуктивный (cos φ > 0,9), то влияния прибора на потребление электроэнергии практически не будет.Устройство «энергосбережения» разобрано. ВнутренностиОднако, в некоторых случаях, прибор позволяет действительно немного реально сэкономить, без обмана. Что не скажешь о приборе, который будет рассмотрен ниже.
Однако, в некоторых случаях, прибор позволяет действительно немного реально сэкономить, без обмана. Что не скажешь о приборе, который будет рассмотрен ниже.Устройство «энергосбережения» разобрано. Внутренности
Вопросов несколько, почему это устройство продавали нам так дорого, что будет если устройство включено в сеть, а реактивной, то-есть именно индуктивной нагрузки нет… зачем оно вообще нужно, если наши счетчики вообще не учитывают реактивную нагрузку…
Какая-то экономия конечно будет, но мизерная, за счет снижения потерь на сопротивлении проводов идущих от счётчика, до той розетки где включен прибор и то только при идеальных условиях как в рекламе – индуктивная реактивная нагрузка! Одним словом выброшенные деньги за покупку!
Потери и виды нагрузокНемного теории, но без заумных формул, так сказать для чайников. Те кто изучал электро физику знают, что существуют потери при передаче электроэнергии, а в сетях с переменным током всё намного сложнее чем для случая с постоянным током, кроме закона Ома работают ещё куча всяких законов и эффектов, от которых растут потери.
Весомый вклад в потери, кроме всех прочих, которые мы рассматривать не будем, имеет коэффициент мощности (cos φ), чем он выше, тем меньше потери. Идеальная нагрузка – активная, с точки зрения минимальных потерь в проводах, например электронагреватель с ТЭНом, его коэффициент мощности равен 1.
Индуктивное и ёмкостное сопротивление по отдельности, это два вида реактивного сопротивления, но с противоположным сдвигом фаз, если они соединены параллельно,то при правильном расчёте номиналов компенсируют друг друга. Любое из двух видов реактивных сопротивлений вредно,так как вызывает ток в сетях. Работа не совершается, (cos φ < 1), потери при этом присутствуют.
Реактивные нагрузки – индуктивная и емкостнаяРеактивные нагрузки – индуктивная и емкостная
Для примера можно подсчитать потери, которые должен учесть бытовой счётчик, если включена реактивная нагрузка. Считал всё в программе ElectroDroid.
Если включить реактивную нагрузку в сеть – конденсатор ёмкостью 5 мкф, такой как в приборе описанном выше, то в сети потечёт ток примерно 0.
5 А.
Допустим для медной проводки длиной 10 м и сечением 2.5 мм кв, от счётчика до розетки где включено устройство, потери составят аж 0.07 В и 0.035 Ватт! При всех благоприятных условиях, выходит это максимум что сможет сэкономить подобное устройство, если компенсирует индуктивную нагрузку на 100%! Внушительные цифры 🙂
Это было давно, сейчас маркетологи вроде успокоились с этой штуковиной, а может люди поумнели, что не берут больше мифический прибор…
Прибор для экономии на основе тиристоров — минимизатор ТарасоваПодходим к основной теме статьи. Наткнулся я как то на изобретателя, который изобрёл прибор для ”экономии”.
В начале я решил, что устройство для экономии как то должно бороться с реактивным (вредным) сопротивлением, желательно чтобы это еще и происходило автоматически, для максимального эффекта. Теоретически убрав реактивную составляющую, прибор всё равно не сможет дать такую большую экономию как обещает автор изобретения, стал разбираться…
Схема прибора МИМ для “снижения энергопотребления”Схема прибора МИМ для “снижения энергопотребления”
Внешний вид энергосберегающего прибора МИМВнешний вид энергосберегающего прибора МИМ
Принцип действия «прибора для экономии» оказался немного иным.
Ссылка на патент: www.freepatent.ru/patents/2451974
Сайт с подробным описанием, где можно заказать прибор для экономии электроэнергии МИМ elektromb.ru:
Приборы для энергосбережения МИМ. Обратите внимание на цену.Приборы для энергосбережения МИМ. Обратите внимание на цену.
Сайт уже пару лет как не работает.
Всё серьёзно и должно внушать доверие, это вам не просто видео на Ютубе!
Схема, указанная в патенте, может работать как обычный диммер собранный на двух мощных тиристорах. Экономия должна происходить за счёт снижения напряжения в электросети непосредственно там, где будет включатся нагрузка. Эта идея мне кажется абсурдной, так как это попросту снизит мощность электроприборов, соответственно снизит их эффективность – нагреватели станут меньше греть, лампочки слабее светить и т.д.
Всё сложнее, истину не видно на первый взгляд. Автор предлагает в комплект купить неполярный конденсатор 100 мкф (а он стоит немало!), включить его после своего прибора (МИМ) и вот тут происходит настоящее чудо, а точнее магия!
Конденсатор для работы МИМ.
Такой же применяется для запуска электродвигателей.Конденсатор для работы МИМ. Такой же применяется для запуска электродвигателей.
Чудо – не что иное как обман прибора учёта! Просто, счетчик сходит с ума и начинает меньше считать!
Любой тиристор является наполовину управляемым полупроводниковым прибором, то-есть можно управлять его открыванием, подав на управляющий электрод импульс, причем происходит открывание тиристора моментально (лавинообразно) – это ключевой момент, так как тиристор создаёт импульсную помеху, а вот закрывается тиристор только когда ток через анод и катод тиристора станет меньше тока удержания, когда синусоида будет проходить через 0. Вот здесь в описании работы я нашёл ошибку.
Цитата описание работы из текста патента минимизатора мощности МИМ:
“Подбором сопротивления цепи управляющих электродов можно добиться такого момента, когда тиристор будет выключаться и вновь включаться на гребне полуволны чуть ближе или чуть далее или несколько раз за все время прохождения полуволны, а не только при полном прохождении полуволны через ноль.
Так как мощность нагрузки определяется количеством энергии, в нее поступившей, от нуля, до вершины и чуть далее полуволны синусоиды, можем с уверенностью заявить, что убывающая энергия второй половины полуволны, той, что за вершиной, для работы не используется и теряется. Срезая, например, вершину полуволны синусоиды, МИМ позволяет отсекать частично, как фазовый регулятор, часть первой половины полуволны синусоиды и как МИМ, часть второй, убывающей полуволны синусоиды, экономя тем самым электроэнергию.”
Нельзя подбором сопротивления в цепи управляющего электрода добиться ВЫКЛЮЧЕНИЯ тиристора в принципе! Ошибка в описании работы совсем не влияет на работу прибора, ПРИБОР РАБОТАЕТ! Но именно как генератор мощных импульсных помех в электросети!
На самом деле происходит всё вот как: тиристор открывается (лавинообразно), происходит мгновенное подключение конденсатора внушительной ёмкости к сети, что вызывает большой скачок тока и просадку напряжения, форма синусоиды искажается.
Разрядка конденсатора 100 мкф происходит через нагрузку. При следующей полуволне конденсатор снова заряжается, процесс повторяется. Автор попросту подобрал номиналы конденсатора и схемы так, чтобы схема генерировала помехи в сетевое напряжение, достаточные, чтобы несинусоидальность сетевого напряжения вносила погрешность в работу счётчика.
Появляется высокочастотная составляющая (большая скорость нарастания сигнала), простыми словами счётчик “не успевает” считать цикл заряда конденсатора. Гениально и просто, браво! Ничего общего с коррекцией реактивной мощности в работе прибора нет.
Помехи, которые создает прибор МИМПомехи, которые создает прибор МИМ
Такая форма сигнала приходит на счётчик, чётко видно импульсы от заряда конденсатора огромной амплитуды, почти во весь размах синусоиды!
Форма напряжения на нагрузке при включении в сеть прибора МИМФорма напряжения на нагрузке при включении в сеть прибора МИМ
А это форма сигнала на выходе после МИМа, то-есть этим сигналом питается нагрузка.
Можно представить каково электронным приборам нелегко, каков будет гул в дросселях фильтров на входе различных бытовой электроники, а электродвигатели будут шуметь громче остальных приборов!
Описание работа Энергосберегающего прибора МИМ
No comment! 🙂 Сим салабим… Вуаля!
Внешний вид подключения устройства “экономии электроэнергии” МИМВнешний вид подключения устройства “экономии электроэнергии” МИМ
Ресурс работы МИМа вызывает сомнения, для примера конденсатор которым снабжается прибор будет расходным материалом, который придётся менять спустя 3 месяца непрерывной работы. Производитель конденсаторов указывает ресурс 3000 часов конденсатора СВВ60 серии с маркировкой ”С”, а если учесть импульсный характер тока через него, ресурс ещё снизится.
Представьте ситуацию, купив этот прибор, конденсатор ещё “свежий” экономия в начале заметна, так как всё работает как задумано, затем спустя какое то время конденсатор утратил частично свою ёмкость, это уже не так заметно, не будешь же всё время проверять работает прибор как нужно или нет, просто веришь что он работает и всё, а на самом деле это уже плацебо.
”Экономия” уже под вопросом, конденсатор стоит не дёшево.
Последствия работы такой схемы: это возможность выхода из строя счётчика, о чём Юрий Тарасов предупреждает, а также отгорание контактов везде, где только возможно из-за больших коротких всплесков тока (от десятков до сотни ампер!) Можно сказать со 100% уверенностью, что пользу такое устройство генерирующее помехи не приносит!
Во всех видео и описаниях работы прибора под названием МИМ, Юрий Тарасов оперирует около научными терминами – ловкие трюки фокусника, чтобы отвлечь зрителя.
К чему приводит импульсная помеха в сети. Коррекция реактивной составляющей.Аналогично реактивной нагрузке, импульсный ток тоже увеличивает потери в проводах, снижает отдачу от трансформаторов.
В любой схеме где есть выпрямительный диодный мост и фильтрующий конденсатор, при работе под нагрузкой происходит “откусывание” верхушки синусоиды.
Синус реальный и идеальный на выходе выпрямителя
В сетевых проводах ток потребления идёт импульсами, амплитудой в 3-10 раз больше тока нагрузки! Соответственно раз ток больше, то и сумма всех потерь в проводах больше. В схемах где используются выпрямители борются с импульсным характером потребления, при помощи пассивных и активных корректоров (англ. PFC, Power Factor Corrector), задача которых растянуть пики максимально по длительности, уменьшить таким способом амплитуду всплесков тока.
На рисунке показана эффективность PFC блоков питания компьютеров по уменьшению импульсов тока в сетевых проводах:
Работа корректора реактивной мощностиРабота корректора реактивной мощности
Красный луч показывает импульсы тока в схеме без PFC, жёлтый с пассивным, а зеленый с активным PFC.
Импульсы тока в схемах без PFC часто приводят к отгоранию контактов, иногда при большом количестве таких потребителей на одной ветви питающей сети, срабатывают защитные автоматы.
Электрики знают, что случается подгорают контакты выключателя, в люстре с энергосберегающими лампами (PF=0,5), контакты реле в датчике движения, что доказывает вред импульсного тока потребления нагрузкой.
Классическая схема диодного выпрямителя и осциллограмма на его выходеКлассическая схема диодного выпрямителя и осциллограмма на его выходе
Ток через диод двухполупериодного выпрямителяТок через диод двухполупериодного выпрямителя
Другие известные способы обманаСтоит упомянуть о совсем откровенном способе воровства – это мощный неодимовый магнит, но для борьбы с этим явлением давно применяются наклейки индикаторы магнитного поля
Магнит. К сожалению, самый популярный способ остановки счетчикаМагнит. К сожалению, самый популярный способ остановки счетчика
Анти-магнитная пломбаАнти-магнитная пломба
Но производители счетчиков не дремлют. Современные электронные счётчики регистрируют (загорается светодиод “авария”), на попытку обхода способом подсоединения вместо “0” собственного заземления, либо при отсутствии такого индикатора попросту продолжают считать.
Более хитрый способ обхода , просверлив с соседом стену и соединив с одним из его проводов “0” или фазой один из своих проводов,”0” или фазу, в новых образцах счётчиков тоже не проходит.
Подводя итог, зачем нормальному человеку всё это нужно?! Известны много способов экономить электроэнергию, без этих “изобретений”! Нужно понимать, что покупая сомнительный прибор для экономии, даём заработать и стимул псевдоизобретателям и фокусникам!
Те, кто ездит в трамвае зайцем, снижает доход от перевозки пассажиров, получается ворует не только у транспортной компании, но и у честных пассажиров, так как транспорт медленнее развивается и обновляется, качество услуг падает.
От Администратора блога СамЭлектрик. Ещё раз призываю всех честно жить и платить за потребляемые услуги.
Источник статьи — там в комментариях идёт бурное обсуждение статьи и принципов работы прибора.
Подключился даже автор этого «изобретения», который с пеной у рта доказывает пользу своего прибора.
Статьи на Дзен-канале СамЭлектрик.ру про мошенничество и фейковую экономию электроэнергии:
Система генерации электронов NRG — как можно накачивать провода свободными электронами и экономить энергию?
Зачем нужны переделанные автоматы большой мощности?
Как счетчик может «экономить» электричество
Мошенники по замене счетчиков
Обязаны ли мы менять счетчик?
Почему после замены счетчика показания увеличиваются?
А вот моя статья на Дзене про то,
Как реально (легально) экономить электроэнергию.
На сегодня всё!
Если интересны темы канала, заходите также на мой сайт — https://samelectric.
ru/ и в группу ВК — https://vk.com/samelectricНе забываем подписываться и ставить лайки, впереди много интересного!Обращение к хейтерам: за оскорбление Автора и Читателей канала — отправляю в баню.
Мой опыт изготовления своими руками прибора экономии электроэнергии
В последнее время Я часто стал встречать рекламу в интернете чудо прибора, который достаточно просто включить в розетку и он обеспечит 30-40 процентов экономии электроэнергии. И вот такой купил мой друг на рынке за 35$, но к своему удивлению он не смог заметить за несколько месяцев даже намека на экономию. Я его уговорил разобрать и посмотреть, что внутри. А там только схема питания для светодиодов, установленных в корпусе- в общем полный развод.
Долго пришлось ему рассказывать основы электротехники и про то, какие схемы действительно позволяют достичь экономии. Я даже поделился своим опытом самостоятельного изготовления схем для бытовых нужд для своего дома.
Более подробно про чудо приборы заводского изготовления читайте в конце статьи, а сейчас Я расскажу про основополагающие принципы и свой самостоятельный опыт изготовления устройств для экономии электроэнергии в своей квартире.
Как можно сэкономить электроэнергию.
Любая полная мощность состоит из полезной активной, которая производит работу и реактивной, от которой пользы нет. Она снижает эффективность всей энергосистемы.
Мы с вами по нашим электрическим счетчикам в домах, квартирах, гаражах и т. п. платим только за потребление активной энергии. А заводы и фабрики платят и за реактивную энергию, учет которой ведут специальные счетчики. Именно они ее кстати и производят при помощи оборудования с большой индуктивной составляющей.
Реактивная энергия берется из электросети для создания магнитного поля (в катушке, обмотках электродвигателя и т. п.) или электрического (в конденсаторе).
Говоря простыми словами — это электрическая энергия в электросети, которая у потребителей не используется, поэтому и Мы с вами за неё не платим. Реактивную составляющую электроснабжающие организации стараются максимально снизить с помощью конденсаторных установок так, как она снижает эффективность передачи электроэнергии.
Поэтому понятно возникновение идеи преобразования в домашних условиях реактивной энергии в полезную активную. Это можно сделать с помощью разных схем с использованием конденсаторов, которых на просторах инернета можно найти очень много. Поиском и реализацией этих схем занимался Я и мои коллеги электрики, поэтому хочу поделится своим опытом.
Опыт использования различных схем устройств экономии электроэнергии.
Сразу хочу огорчить, что сэкономить не получилось, но за то вышло хорошее устройство для подавления помех в домашней электропроводке и эффективная грозозащита. Если не верите проверьте на своем опыте.
Все подобные приборы используют в своей схеме накопители энергии или конденсаторы. Только предупреждаю, что в интернете есть ошибочные схемы при реализации, которых возможно возникновение короткого замыкания, вследствие чего может возникнуть возгорание вашего творения.
Новые электронные счетчики считают принципиально по-другому, поэтому самодельные схемы Вам не помогут, и даже могут повредить электронику устройства. Не так давно мой друг решил сделать своими руками и опробовать штуковину для экономии, которая проработала несколько минут пока не сгорела микросхема внутри счетчика.
Остановимся теперь на заводских приборах.
Приборы для экономии электроэнергии заводского изготовления.
Сейчас в средствах массовой информации и в интернете активно рекламируется чудо-прибор, который позволяет экономить до 30% электроэнергии в домашних условиях. У него много разных названий SmartBox, Energy Saver, Экономыч и др. Но суть у них всех одна втыкаешь просто в розетку и значительно меньше платишь по счетам.
С более подробной информацией вы можете ознакомиться на официальном сайте-производителя.
По словам производителя они обладают функциями по фильтрации помех, защиты от ударов молнии, перекоса фаз и да же преобразуют реактивную электрическую энергию в активную. Но к сожалению реализовать это все в одном не большом приборе на современном этапе развития технологий не возможно. Да в промышленных масштабах возможно добиться экономии максимум 10-15 процентов с использованием дорогих и объемных устройств.
Все производители аппаратов для экономии электроэнергии в домашних условиях на самом деле жульничают и продают бесполезное барахло.
Использовать устройства для экономии электричества в домашних условиях лишено всякого смысла. Но есть другие эффективные методы, позволяющие сэкономить при чем значительно. Читайте о них в следующей нашей статье.
P.s. Современная электроника и бытовая техника конструктивно выпускается с возможностями по компенсации реактивной энергии. Например, при производстве компьютерных блоков питания известные производители очень серьезно подходят к подбору комплектующих, что позволяет сократить реактивную составляющую и сэкономить от 5 до 10 % электроэнергии.
Персональный сайт — MINIMIZATOR
Dowload foto info ……
http://depositfiles.com/files/v2c3iht0y
REZONANS.zip
http://depositfiles.com/files/47aooo2z9
http://tarasov.do.am/
http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=11&t=25184
http://x-faq.ru/index.php?topic=229.0
Вся «изюминка» этой банальной схемки заключена в применении в фазосдвигающей цепи ламп накаливания в качестве резистора, меняющего свою величину при изменении тока через него.
Допустим, у нас увеличилось напряжение на входе схемы.
Напряжения между точками Vin F и Vout F (при подключенной нагрузке) также вырастет, и до момента открытия тиристора, по фазосдвигающей цепочке через лампы накаливания пойдет Большой ток. При этом их нити разогреются сильнее, их сопротивление увеличится и тиристор откроется чуть позже относительно момента прерхода синусоиды напряжения через «ноль»(естественно, что лампы не горят в полный накал и не потребляют 120 ватт ).
В результате на нагрузке сохранится прежнее напряжения.
По сути, это схема стабилизатора напряжения на нагрузке. Переменным резистором выставляется минимально допустимое для потребителя напряжение, и его величина поддерживается автоматически с определенной точностью при колебаниях напряжения в сети.
Назначение кулера не очень ясно, разве что, охлаждать радиаторы тиристоров. А включен он правильно.
Оттуда и экономия.
А к резонансу это никакого отношения не имеет !!!
All the «pearl» of the banal scheme lies in the application of phase shifting network of incandescent lamps as a resistor that changes its value when changing the current through it.
For example, we increased the voltage at the input circuit.
Voltage between points and Vin F Vout F (with a connected load) also grows, and before the opening of the thyristor, phase shifting of the chain through the bulb goes high current. At the same time they warmed up the threads stronger and increase their resistance thyristor open later on the time prerhoda sinusoidal voltage through a «zero» (of course, that the lamps do not burn in the full glow and consume 120 watts).
As a result, the load will retain the same voltage.
In essence, this scheme is a voltage stabilizer in the load. Variable resistor is exposed minimally acceptable to the consumer power, and its value is automatically provided with a certain accuracy when the voltage fluctuations in the network.
Purpose of the cooler is not very clear, except that, to cool radiators thyristors. And he turned right.
From there, and savings.
And to the resonance this has nothing to do!
Хитрый выпрямитель
Выпрямитель предназначен для питания бытовых потребителей, которые могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Это например электроплиты, камины, водонагревательные устройства, освещение и т. п. Главное, чтобы в этих устройствах не было электродвигателей, трансформаторов и других элементов, рассчитанных на переменный ток.
Устройство, собранное по предлагаемой схеме, просто вставляется в розетку и от него питается нагрузка.
Вся электропроводка остается нетронутой. Заземление не нужно. Счетчик при этом учитывает примерно четверть потребленной электроэнергии.
Теоретические основы
Работа устройства основана на том, что нагрузка питается не непосредственно от сети переменного тока, а от конденсатора, который постоянно заряжен. Естественно, питание нагрузки будет осуществляться постоянным током. Энергия, отданная конденсатором в нагрузку, восполняется через выпрямитель, но заряжается конденсатор не постоянным током, а прерывистым с высокой частотой. Счетчики электроэнергии, в том числе электронные, содержат входной индукционный преобразователь, который имеет низкую чувствительность к токам высокой частоты. Поэтому энергопотребление в виде импульсов учитывается счетчиком с большой отрицательной погрешностью.
Принципиальная схема устройства
Схема устройства приведена на рис.1.
Основными элементами являются силовой выпрямитель Br1, конденсатор C1 и транзисторный ключ T1. Конденсатор С1 заряжается от выпрямителя Br1 через ключ Т1 импульсами с частотой 2 кГц. Напряжение на С1, а также на подключенной параллельно ему нагрузке близко к постоянному. Для ограничения импульсного тока через транзистор Т1 служит резистор R6, включенный последовательно с выпрямителем.
На логических элементах DD1, DD2 собран задающий генератор. Он формирует импульсы частотой 2 кГц амплитудой 5В. Частота сигнала на выходе генератора и скважность импульсов определяются параметрами времязадающих цепей С2-R7 и C3-R8. Эти параметры могут подбираться при настройке для обеспечения наибольшей погрешности учета электроэнергии. На транзисторах Т2 и Т3 построен формирователь импульсов, предназначенный для управления мощным ключевым транзистором Т1. Формирователь рассчитан таким образом, чтобы Т1 в открытом состоянии входил в режим насыщения и за счет этого на нем рассеивалась меньшая мощность. Естественно, Т1 также должен полностью закрываться.
Трансформатор Tr1, выпрямитель Br2 и следующие за ними элементы представляют собой источник питания низковольтной части схемы.
Этот источник обеспечивает питанием 36В формирователь импульсов и 5В для питания микросхемы генератора.
Детали устройства
Микросхема: DD1, DD2 — К155ЛА3.
Диоды: Br1 – Д232А; Br2 — Д242Б; D1 – Д226Б.
Стабилитрон: D2 – КС156А.
Транзисторы: Т1 – КТ848А, Т2 – КТ815В, Т3 – КТ315. Т1 и Т2 устанавливаются на радиаторе площадью не менее 150 см2 . Транзисторы устанавливаются на изолирующих прокладках.
Конденсаторы электролитические: С1- 10 мкФ Ч 400В; С4 — 1000 мкФ Ч 50В; С5 — 1000 мкФ Ч 16В;
Конденсаторы высокочастотные: С2, С3 – 0.1 мкФ.
Резисторы: R1, R2 – 27 кОм; R3 – 56 Ом; R4 – 3 кОм; R5 -22 кОм; R6 – 10 Ом; R7, R8 – 1.5 кОм; R9 – 560 Ом. Резисторы R3, R6 – проволочные мощностью не менее 10 Вт, R9 — типа МЛТ-2, остальные резисторы – МЛТ-0.25.
Трансформатор Tr1 – любой маломощный 220/36 В.
Наладка
При наладке схемы соблюдайте осторожность! Помните, что низковольтная часть схемы не имеет гальванической развязки от электрической сети! Не рекомендуется в качестве радиатора для транзисторов использовать металлический корпус устройства.
Применение плавких предохранителей – обязательно!
Вначале проверяют отдельно от схемы низковольтный блок питания. Он должен обеспечивать ток не менее 2 А на выходе 36 В, а также 5 В для питания маломощного генератора.
Затем налаживают генератор, отключив силовую часть схемы от электросети (для этого можно временно отсоединить резистор R6). Генератор должен формировать импульсы амплитудой 5 В и частотой около 2 кГц. Скважность импульсов приблизительно 1/1. При необходимости для этого подбирают конденсаторы С2, С3 или резисторы R7, R8.
Формирователь импульсов на транзисторах Т2 и Т3, если правильно собран, обычно наладки не требует. Но желательно убедиться, что он способен обеспечить импульсный ток базы транзистора Т1 на уровне 1.5 – 2 А. Если такое значение тока не обеспечить, транзистор Т1 не будет в открытом состоянии входить в режим насыщения и сгорит за несколько секунд. Для проверки этого режима можно при отключенной силовой части схемы и отключенной базе транзистора Т1, вместо резистора R1 включить шунт сопротивлением в несколько Ом.
Импульсное напряжение на шунте при включенном генераторе регистрируют осциллографом и пересчитывают на значение тока. При необходимости подбирают сопротивления резисторов R2, R3 и R4.
Следующей стадией является проверка силовой части. Для этого восстанавливают все соединения в схеме. Конденсатор С1 временно отключают, а в качестве нагрузки используют потребитель малой мощности, например лампу накаливания мощностью до 100 Вт. При включении устройства в электрическую сеть действующее значение напряжения на нагрузке должно быть на уровне 100 – 130 В. Осциллограммы напряжения на нагрузке и на резисторе R6 должны показать, что питание её производится импульсами с частотой, задаваемой генератором.
Если всё исправно, подключают конденсатор С1, только вначале емкость его принимают в несколько раз меньше номинальной (например 0.1 мкФ). Действующее напряжение на нагрузке заметно возрастает и при последующем увеличении емкости С1 достигает 310 В. При этом очень важно внимательно следить за температурой транзистора Т1.
Если возникает повышенный нагрев при использовании маломощной нагрузки, это свидетельствует о том, что Т1 либо не входит в режим насыщения в открытом состоянии, либо полностью не закрывается. В этом случае следует вернуться к настройке формирователя импульсов. Эксперименты показывают, что при питании нагрузки мощностью 100 Вт без конденсатора С1, транзистор Т1 в течение длительного времени не нагревается даже без радиатора.
В заключении подключается номинальная нагрузка и подбирается емкость С1 такая, чтобы обеспечить питание нагрузки постоянным напряжением 220 В. Емкость С1 следует подбирать осторожно, начиная с малых значений, так как увеличение емкости приводит к увеличению выходного напряжения (до 310 В, что может вывести из строя нагрузку), а также резко увеличивает импульсный ток через транзистор Т1. Об амплитуде импульсов тока через Т1 можно судить, подключив осциллограф параллельно резистору R6. Импульсный ток должен быть не более допустимого для выбранного транзистора (20 А для КТ848А).
В случае необходимости его ограничивают, увеличивая сопротивление R6, но лучше остановиться на меньшем значении емкости С1.
При указанных деталях устройство рассчитано на нагрузку 1 кВт. Применяя другие элементы силового выпрямителя и транзисторный ключ соответствующей мощности, можно питать и более мощные потребители.
Обращаем Ваше внимание на то, что при изменении нагрузки, напряжение на ней также будет существенно изменяться. Поэтому устройство целесообразно настроить и использовать постоянно с одним и тем же потребителем. Этот недостаток в определенных случаях может оказаться достоинством. Например, изменяя емкость С1 можно в широких пределах регулировать мощность нагревательных приборов.
Прерыватель КПДв цепи преобразователя постоянного тока в постоянный ток
Аннотация: преобразователи постоянного тока в постоянный, часто используемые в аккумуляторных, портативных и других высокоэффективных системах, могут обеспечивать КПД более 95% при повышении, понижении или инвертировании питающих напряжений.
Сопротивление источника питания — один из наиболее важных факторов, ограничивающих эффективность. В этом примечании к применению описываются эффекты сопротивления источника, способы расчета эффективности, практические соображения, соображения по проектированию и показан реальный пример.Преобразователи
Потери из-за сопротивления источника могут снизить КПД на 10% или более, не считая потерь в преобразователе постоянного тока в постоянный! Если преобразователь имеет соответствующее входное напряжение, его выход будет нормальным, и может не быть очевидных признаков того, что энергия расходуется впустую.
К счастью, проверить эффективность ввода несложно (см. Раздел «Источник»).
Большое сопротивление источника может вызвать другие, менее очевидные эффекты. В крайних случаях вход преобразователя может стать бистабильным или его выход может уменьшиться в условиях максимальной нагрузки.Бистабильность означает, что преобразователь демонстрирует два стабильных входных состояния, каждое со своим КПД. Выходной сигнал преобразователя в норме, но эффективность системы может резко снизиться (см. Как избежать бистабильности).
Следует ли решить эту проблему просто за счет минимизации сопротивления источника? Нет, потому что практические ограничения и компромисс между стоимостью и выгодой, создаваемый системой, могут предложить другие решения. Например, разумный выбор входного напряжения источника питания может значительно снизить потребность в низком сопротивлении источника.Более высокое входное напряжение для преобразователя постоянного тока ограничивает требования к входному току, что, в свою очередь, снижает потребность в низком сопротивлении источника.
Системный обзор
Как показано на рис. 1 , любую регулируемую систему распределения мощности можно разделить на три основных раздела: источник, регулятор (и) (в данном случае преобразователь постоянного тока в постоянный) и нагрузку (и).Источником может быть батарея или источник постоянного тока, регулируемый или нерегулируемый. К сожалению, источник также включает в себя все рассеивающие элементы между напряжением постоянного тока и нагрузкой: выходное сопротивление источника напряжения; сопротивление проводки; и сопротивление контактов, площадок печатной платы, последовательных фильтров, последовательных переключателей, цепей горячей замены и т. д. Эти элементы могут серьезно снизить эффективность системы.
Рисунок 1. Регулируемая система распределения электроэнергии имеет три основных
разделы.
Расчет и измерение эффективности источника очень просты.EFF ИСТОЧНИК равняется (мощность, подаваемая на регулятор) / (мощность, обеспечиваемая V PS ), умноженная на 100%:
Предполагая, что регулятор потребляет незначительное количество тока в ненагруженном состоянии, вы можете измерить эффективность источника как соотношение V IN с регулятором при полной нагрузке к V IN с ненагруженным регулятором.
Регулятор (преобразователь постоянного тока в постоянный) состоит из микросхемы контроллера и связанных дискретных компонентов. Его характеристики описаны в паспорте производителя.КПД преобразователя постоянного тока в постоянный (EFF DCDC ) равен (мощность, передаваемая преобразователем) / (мощность, подаваемая преобразователю), умноженная на 100%:
Как указано производителем, этот КПД зависит от входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток нагрузки.
Нет ничего необычного в том, что КПД изменяется не более чем на несколько процентов в диапазоне тока нагрузки, превышающем два порядка величины. Поскольку выходное напряжение фиксировано, мы можем сказать, что КПД изменяется всего на несколько процентов в «диапазоне выходной мощности», превышающем два порядка величины.
DC-DC наиболее эффективны, когда входное напряжение максимально близко к выходному. Однако, если отклонение входного сигнала не является экстремальным по сравнению с техническими характеристиками, эффективность преобразователя обычно можно приблизительно оценить как константу от 75% до 95%:
В этом обсуждении преобразователь DC-DC рассматривается как двухпортовый черный коробка. Для тех, кто интересуется нюансами конструкции преобразователя постоянного тока, см. Ссылки 1-3. Нагрузка включает в себя приводимое устройство и все последовательно соединенные с ним рассеивающие элементы, такие как сопротивление ПК, контактное сопротивление, сопротивление кабеля и т.
Д.Поскольку выходное сопротивление преобразователя постоянного тока указано в паспорте производителя, это количество специально исключено. Эффективность нагрузки (EFF НАГРУЗКА ) равна (мощность, передаваемая на нагрузку) / (мощность, передаваемая преобразователем постоянного тока), умноженная на 100%:
Ключ к оптимальной конструкции системы заключается в анализе и понимании взаимодействия между преобразователь постоянного тока в постоянный и его источник. Для этого мы сначала определяем идеальный преобразователь, затем рассчитываем КПД источника, а затем проверяем наши предположения на основе данных измерений типичного преобразователя постоянного тока, в данном случае понижающего стабилизатора MAX1626.
Идеальный преобразователь постоянного тока в постоянный
Идеальный преобразователь постоянного тока в постоянный должен иметь 100% КПД, работать в произвольных диапазонах входного и выходного напряжения и подавать произвольные токи на нагрузку. Он также был бы сколь угодно маленьким и доступным бесплатно! Однако для этого анализа мы предполагаем только то, что КПД преобразователя постоянен, так что входная мощность пропорциональна выходной мощности: Для данной нагрузки это условие означает, что кривая входного тока-напряжения (IV) является гиперболической и демонстрирует отрицательную характеристику дифференциального сопротивления во всем диапазоне (, рис.
2, ).На этом графике представлены кривые ВАХ для преобразователя постоянного тока в функцию увеличения входной мощности. Для реальных систем с динамическими нагрузками эти кривые также являются динамическими. То есть кривая мощности смещается дальше от начала координат, поскольку нагрузка требует большего тока. Рассмотрение регулятора от входного порта вместо выходного порта — необычная точка зрения. В конце концов, регуляторы предназначены для обеспечения постоянного напряжения (иногда постоянного тока) на выходе. Их спецификации преимущественно описывают выходные характеристики (диапазон выходного напряжения, диапазон выходного тока, пульсации на выходе, переходные характеристики и т. Д.). Однако вход демонстрирует любопытное свойство: в пределах своего рабочего диапазона он действует как нагрузка постоянной мощности (ссылка 4). Нагрузки постоянной мощности полезны, среди прочего, при разработке тестеров батарей.
Рис. 2. Эти гиперболы представляют входные характеристики постоянной мощности для преобразователя постоянного тока в постоянный.
Расчет эффективности источника
Теперь у нас достаточно информации для расчета рассеиваемой мощности источника и, следовательно, его эффективности. Поскольку задано значение напряжения холостого хода источника (V PS ), нам нужно только найти входное напряжение DC-DC преобразователя (V IN ).Из уравнения [5] решение для I IN :I IN также может быть решено в терминах V PS , V IN и R S :
Приравняйте выражения из уравнений [6] и [7] и решить для V IN :
Чтобы понять их значение, очень поучительно визуализировать уравнения [6] и [7] графически ( Рисунок 3 ). Линия нагрузки резистора представляет собой график всех возможных решений уравнения [7], а кривая постоянного и переменного тока представляет собой график всех возможных решений уравнения [6].Пересечения этих кривых, представляющие решения пары одновременных уравнений, определяют стабильные напряжения и токи на входе преобразователя постоянного тока в постоянный.
Поскольку кривая DC-DC представляет постоянную входную мощность, (V IN +) (I IN +) = (V IN -) (I IN -). (Суффиксы + и — относятся к двум решениям, предсказываемым уравнением [8], и соответствуют знакам ± в числителе.)
Рисунок 3. Этот график накладывает линию нагрузки для сопротивления источника на DC-DC. ВАХ преобразователя.
Оптимальная рабочая точка находится при V IN + / I IN +, что минимизирует потери I IN 2R S за счет минимального потребления тока от источника питания. Другая рабочая точка вызывает большое рассеивание мощности в любых рассеивающих компонентах между V PS и V IN . Эффективность системы резко падает. Но вы можете избежать таких проблем, если установите достаточно низкий R S . Эффективность источника [(V IN / V PS ) x 100%] — это просто уравнение [8], деленное на V PS :
В уравнениях легко заблудиться, и в этом заключается значение графика анализа грузовой линии на Рисунке 3.
Обратите внимание, например, что если последовательное сопротивление (R S ) равно нулю, наклон линии нагрузки резистора становится бесконечным. Линия нагрузки тогда будет вертикальной линией, проходящей через V PS . В этот момент V IN + = V PS и КПД будет 100%. По мере увеличения сопротивления R S от 0 Ом линия нагрузки продолжает проходить через V PS , но все больше и больше наклоняется влево. Одновременно V IN + и V IN- сходятся на V PS /2, что также является точкой 50% эффективности.Когда линия нагрузки касается кривой ВАХ, уравнение [8] имеет только одно решение. Для более крупного R S уравнение не имеет реального решения, и преобразователь постоянного тока больше не работает должным образом.
Преобразователи постоянного тока в постоянный — теория и практика
Как эти кривые идеального входа соотносятся с кривыми реального преобразователя постоянного тока в постоянный? Чтобы изучить этот вопрос, стандартный оценочный комплект MAX1626 (, рис.
4, ) был настроен на выходное напряжение 3,3 В и нагрузочный резистор 6,6 Ом. Затем мы измерили кривую I-V входа (, рис. 5, ).Сразу бросился в глаза ряд неидеальных характеристик. Обратите внимание, например, что для очень низких входных напряжений входной ток равен нулю. Встроенная блокировка минимального напряжения (обозначается как V L ) обеспечивает отключение преобразователя постоянного тока в постоянный для всех входных напряжений ниже V L . В противном случае при запуске от источника питания могут потребоваться большие входные токи.
Рисунок 4. Стандартная схема преобразователя постоянного тока в постоянный иллюстрирует идеи, показанные на рисунке 3.
Рисунок 5.Выше V MIN входная ВАХ MAX1626 близко соответствует характеристике идеального устройства с КПД 90%.
Когда V IN превышает V L , входной ток возрастает до максимума, который возникает, когда V OUT впервые достигает предварительно установленного выходного напряжения (3,3 В).
Соответствующее входное напряжение (В MIN ) является минимумом, требуемым преобразователем постоянного тока для создания заданного выходного напряжения. Для V IN > V MIN кривая постоянной мощности для КПД 90% близко соответствует кривой входного сигнала MAX1626.Отклонения от идеала вызваны, в первую очередь, небольшими отклонениями в КПД преобразователя постоянного тока в зависимости от его входного напряжения.
Как избежать бистабильности
Разработчик источника питания должен также гарантировать, что преобразователь постоянного тока в постоянный никогда не станет бистабильным. Бистабильность возможна в системах, у которых линия нагрузки пересекает кривую преобразователя постоянного тока в постоянный ток при напряжении V MIN / I MAX или ниже ( Рисунок 6, ).
Рис. 6. Более пристальный взгляд на точки пересечения указывает на возможность бистабильной и даже тристабильной работы.
В зависимости от наклона и положения грузовой марки система может быть бистабильной или даже трехсторонней.
Обратите внимание, что более низкое значение V PS может позволить линии нагрузки пересекаться в одной точке между V L и V MIN , в результате чего система будет стабильной, но нефункциональной! Поэтому, как правило, линия нагрузки не должна касаться вершины кривой преобразователя постоянного тока в постоянный и не должна опускаться ниже нее.
На рисунке 6 сопротивление линии нагрузки (R S , которое имеет значение -1 / наклон) имеет верхний предел, называемый R BISTABLE :
Сопротивление источника (R S ) всегда должно быть меньше, чем R BISTABLE .Если это правило нарушается, вы рискуете крайне неэффективной работой или полным отключением преобразователя постоянного тока в постоянный.
Фактический случай
Было бы полезно построить для реальной системы зависимость, показанную в уравнении [9] между эффективностью источника и сопротивлением источника (, рис. 7, ). Предположим следующие условия:
Рисунок 7.
Этот график зависимости эффективности источника от сопротивления источника показывает несколько значений эффективности для данного R S .
В PS = 10 В Напряжение питания холостого хода
В МИН = 2 В Минимальное входное напряжение, обеспечивающее правильную работу
P IN = 50 Вт Мощность на входе DC-DC преобразователя (P OUT / EFF DCDC ).
Используя уравнение [12], R BISTABLE можно рассчитать как 0,320 Ом. Затем график уравнения [9] показывает, что эффективность источника падает по мере увеличения R S , теряя 20% при R S = R BISTABLE . Примечание: этот результат нельзя обобщать. Вы должны выполнить расчеты для каждого приложения. Одним из компонентов R S является конечное выходное сопротивление всех источников питания, определяемое регулированием нагрузки и обычно определяемое как:
Регулировка нагрузки =
Следовательно,
Источник питания 5 В / 10 А с 1 % регулирования нагрузки, например, будет только 5.
Выходное сопротивление 0 мОм — немного для нагрузки 10 А.
Эффективность источника для общих приложений
Полезно знать, какое сопротивление источника (R S ) допустимо и как этот параметр влияет на эффективность системы. R S должен быть меньше, чем R BISTABLE , как указывалось ранее, но насколько он должен быть ниже? Чтобы ответить на этот вопрос, решите уравнение [9] для R S в терминах EFF SOURCE , для значений EFF SOURCE 95%, 90% и 85%.R S 95 — это значение R S , которое дает эффективность источника 95% для данных условий входа и выхода. Рассмотрим следующие четыре примера приложений, использующих обычные системы преобразователей постоянного тока в постоянный. Пример 1 получает 3,3 В от 5 В при токе нагрузки 2 А. Для эффективности источника 95% соблюдайте осторожность, чтобы сопротивление между источником 5 В и входом преобразователя постоянного тока в постоянный ток составляло менее 162 м².
Обратите внимание, что R S 90 = R BISTABLE по совпадению. Это значение R S 90 также означает, что КПД может легко составлять 10% или 90%! Обратите внимание, что КПД системы (в отличие от КПД источника) является продуктом КПД источника, КПД преобразователя постоянного тока и КПД нагрузки.
Пример 1. Применение с использованием преобразователя постоянного тока MAX797 или MAX1653 (I OUT = 2A)
| V PS | В ВЫХ | I ВЫХ | В МИН | EFF DCDC | P ВЫХОД | R БИСТАБИЛЬНЫЙ | R S 95 | R S 90 | R S 85 |
| 5В | 3.3В | 2А | 4,5 В | 90% | 6,6 Вт | 0,307 Ом | 0,162 Ом | 0,307 Ом | 0,435 Ом |
Пример 2 аналогичен примеру 1, за исключением допустимого выходного тока (20 А против 2 А).
Обратите внимание, что требование последовательного сопротивления для 95% эффективности источника в 10 раз ниже (16 мОм против 162 мОм). Чтобы добиться этого низкого сопротивления, используйте 2 унции. медные следы ПК.Пример 2. Применение с использованием преобразователя постоянного тока MAX797 или MAX1653 (I OUT = 20A)
| V PS | В ВЫХ | I ВЫХ | В МИН | EFF DCDC | P ВЫХОД | R БИСТАБИЛЬНЫЙ | R S 95 | R S 90 | R S 85 |
| 5В | 3.3В | 20A | 4,5 В | 90% | 66 Вт | 0,031 Ом | 0,016 Ом | 0,031 Ом | 0,043 Ом |
В примере 3 получается 1,6 В при 5 А при напряжении источника 4,5 В (то есть 5–10%).
Системное требование 111 мОм для R S 95 может быть выполнено, но нелегко.Пример 3. Применение преобразователя постоянного тока MAX1710 с отдельным источником питания +5 В (В PS = 4,5 В)
| V PS | В ВЫХ | I ВЫХ | В МИН | EFF DCDC | P ВЫХОД | R БИСТАБИЛЬНЫЙ | R S 95 | R S 90 | R S 85 |
| 4.5В | 1,6 В | 5A | 2,5 В | 92% | 8 Вт | 0,575 Ом | 0,111 Ом | 0,210 Ом | 0,297 Ом |
Пример 4 аналогичен примеру 3, но с более высоким напряжением питания (V PS = 15 В вместо 4,5 В). Обратите внимание на полезный компромисс: существенное увеличение разницы между входным и выходным напряжениями привело к падению эффективности только преобразователя постоянного тока в постоянный, но общая эффективность системы повысилась.
R S больше не является проблемой, потому что большое значение R S 95 (> 1 Ом) легко достигается. Система с входным фильтром и длинными входными линиями, например, может поддерживать эффективность источника на уровне 95% или более без особого внимания к ширине линии и сопротивлению разъемов.Пример 4. Применение преобразователя постоянного тока MAX1710 с отдельным источником питания +5 В (В PS = 15 В)
| V PS | В ВЫХ | I ВЫХ | В МИН | EFF DCDC | P ВЫХОД | R БИСТАБИЛЬНЫЙ | R S 95 | R S 90 | R S 85 |
| 15 В | 1.6В | 5A | 2,5 В | 86% | 8 Вт | 3,359 Ом | 1,149 Ом | 2,177 Ом | 3,084 Ом |
Заключение
При рассмотрении технических характеристик преобразователя постоянного тока возникает соблазн максимизировать эффективность, задав напряжение питания как можно ближе к выходному напряжению.
Однако эта стратегия может увеличить затраты из-за наложения ненужных ограничений на такие элементы, как проводка, соединители и разводка трассы.Может даже пострадать эффективность системы. Аналитические инструменты, представленные в этой статье, должны сделать такие компромиссы энергосистемы более интуитивно понятными и очевидными.Ссылки
- Эриксон, Роберт В. Основы силовой электроники. Чепмен и Холл, 1997.
- Ленк, Рон. Практическое проектирование источников питания. IEEE Press и McGraw Hill, 1998.
- Готтлиб, Ирвинг М. Источники питания, импульсные регуляторы, инверторы и преобразователи. Второе издание, TAB Books, 1994.
- Веттрот, Джон.«Контроллер обеспечивает постоянную нагрузку». EDN, 14 марта 1997 г.
Заземление и разъединение: изучите основы сейчас и спасите себя от многих горя позже! Часть 2: развязка
Понимание необходимости развязки на основе спецификаций отказа источника питания
В прошлой статье мы подчеркнули важность поддержания заземления с низким импедансом, чтобы обеспечить путь для цифровых и аналоговых обратных токов.
В этой статье обсуждается не менее важная и связанная с этим тема развязки источника питания для поддержания низкого импеданса в точках, где мощность поступает на интегральную схему (ИС).
Аналоговые интегральные схемы, такие как усилители и преобразователи, имеют как минимум два или более контактов питания. В случае устройств с однополярным питанием один из выводов обычно соединяется с землей. Устройства со смешанными сигналами, такие как АЦП и ЦАП, могут иметь аналоговое и цифровое напряжение питания, а также напряжение ввода-вывода. Цифровые ИС, такие как ПЛИС, также могут иметь несколько напряжений источника питания, таких как напряжение ядра, напряжение памяти и напряжение ввода-вывода.
Независимо от количества выводов питания, в технических паспортах IC указаны допустимые диапазоны для каждого источника питания как для рекомендуемых рабочих диапазонов, так и для абсолютных максимальных значений, и эти пределы должны соблюдаться как для правильной работы, так и для предотвращения повреждений.
Однако небольшие колебания напряжения источника питания из-за шума или пульсации источника питания — даже если они остаются в пределах рекомендованных рабочий диапазон — может привести к снижению производительности устройств.
В случае усилителя, например, небольшие изменения источника питания вызывают небольшие изменения входного и выходного напряжения, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Отклонение источника питания усилителя показывает чувствительность выходного напряжения к изменениям в шине питания.Чувствительность усилителя к изменению напряжения источника питания часто количественно определяется коэффициентом отклонения источника питания (PSRR) и определяется отношением изменения напряжения источника питания к изменению выходного напряжения. Пожалуйста, обратитесь к Tutorial MT-043 для более подробного обсуждения.
На рисунке 1 показано, как PSR типичного высокопроизводительного усилителя (OP1177) ухудшается с частотой примерно 6 дБ / октаву (20 дБ / декаду).
Кривые показаны как для положительного, так и для отрицательного напряжения.Несмотря на 120 дБ при постоянном токе, PSRR быстро падает на более высоких частотах, где все больше и больше нежелательной энергии в линии электропередачи будет напрямую связываться с выходом.
Если усилитель управляет нагрузкой и в шинах питания присутствует нежелательный импеданс, то ток нагрузки модулирует шины питания, тем самым создавая повышенный шум и искажения в сигнале переменного тока.
Производительность преобразователей данных и других ИС со смешанными сигналами также ухудшается из-за шума в источниках питания, хотя фактическое значение PSRR может не быть указано в таблице данных.Шум источника питания также может влиять на цифровые схемы различными способами, включая уменьшение запаса шума логического уровня и введение ошибок синхронизации из-за джиттера часов.
Правильная локальная развязка является обязательной на печатной плате
Типичная 4-слойная печатная плата обычно проектируется со слоем заземления, слоем мощности, а также верхним и нижним сигнальными слоями.
Контакты заземления ИС для поверхностного монтажа подключаются к плоскости заземления напрямую через переходные отверстия на контактах, тем самым сводя к минимуму нежелательный импеданс в заземляющем соединении.
Шина источника питания обычно расположена на уровне плоскости питания и направляется к различным выводам питания ИС. Простая модель ИС, показывающая соединения питания и заземления, показана на Рисунке 2.
Рис. 2. Модель ИС, показывающая импеданс следа и конденсатор локальной развязки.Токи, генерируемые внутри ИС, показаны как ток I T . Ток, протекающий через импеданс следа Z, вызывает изменение напряжения источника питания V S .В зависимости от PSR IC это может привести к различным типам снижения производительности, как обсуждалось ранее.
Чувствительность к шуму питания и пульсации можно свести к минимуму, подключив соответствующий тип локализованного развязывающего конденсатора непосредственно между выводом питания и заземляющей пластиной, причем соединение должно быть как можно более коротким.
Разделительный конденсатор действует как накопитель заряда для переходного тока и шунтирует его непосредственно на землю, тем самым поддерживая постоянное напряжение источника питания на ИС.Хотя путь обратного тока проходит через заземляющую пластину, обратный ток обычно не вызывает значительного напряжения ошибки из-за низкого импеданса заземляющей пластины.
На рис. 3 показано, как высокочастотный развязывающий конденсатор должен располагаться как можно ближе к микросхеме. В противном случае индуктивность соединительной дорожки отрицательно скажется на эффективности развязки.
Рисунок 3. Правильное и неправильное размещение высокочастотного развязывающего конденсатора.
На левой диаграмме на Рисунке 3 соединение как с выводом питания, так и с землей как можно короче, поэтому это была бы наиболее эффективная конфигурация. Однако на правой диаграмме на рисунке 3 дополнительная индуктивность и сопротивление на дорожке печатной платы вызовут снижение эффективности схемы развязки и могут вызвать проблемы с помехами из-за увеличения замкнутого контура.
Выбор правильного типа развязывающих конденсаторов
Для развязки низкочастотного шума обычно требуются электролитические конденсаторы (обычно от 1 мкФ до 100 мкФ), которые действуют как резервуары заряда для низкочастотных переходных токов.Высокочастотный шум источника питания лучше всего снижается с помощью керамических конденсаторов для поверхностного монтажа с низкой индуктивностью, подключенных непосредственно к контактам источника питания ИС (обычно от 0,01 мкФ до 0,1 мкФ). Все развязывающие конденсаторы должны подключаться непосредственно к заземляющей пластине с низким сопротивлением, чтобы быть эффективными. Для этого соединения с минимизировать дополнительную последовательную индуктивность.
В большинстве технических паспортов IC показаны рекомендуемые схемы развязки источника питания в разделе приложений, и эти рекомендации всегда следует выполнять, чтобы гарантировать правильную работу устройства.
Ферритовые шарики (непроводящая керамика, изготовленная из оксидов никеля, цинка, марганца или других соединений) также могут использоваться для развязки в фильтрах источника питания.
На низких частотах (<100 кГц) ферриты являются индуктивными, поэтому их можно использовать в LC-фильтрах низкочастотной развязки. На частотах выше 100 кГц ферриты становятся резистивными (низкая добротность). Импеданс феррита зависит от материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения, количества витков, размера, формы и температуры.
Ферритовые бусины не всегда необходимы, но они добавляют дополнительную изоляцию от высокочастотного шума и развязку, что часто бывает желательно.Возможные предостережения здесь заключаются в том, чтобы убедиться, что шарики никогда не насыщаются, особенно когда операционные усилители управляют высокими выходными токами. Когда феррит насыщается, он становится нелинейным и теряет свои фильтрующие свойства.
Обратите внимание, что некоторые ферриты даже до полного насыщения могут быть нелинейными. Следовательно, если силовой каскад должен работать с низким выходным искажением, феррит следует проверить на прототипе, если он работает вблизи этой области насыщения.
Типичные импедансы ферритовых бусин показаны на рисунке 4.
Неидеальное поведение конденсаторов из-за паразитного сопротивления и индуктивности требует тщательного обдумывания при выборе правильного типа для приложений развязки. Обсуждение развязки продолжается в следующем столбце, где мы исследуем различные типы развязывающих конденсаторов и их применение.
Итак, мы завершаем колонку традиционной викториной по схемам. Решение можно найти на форуме StudentZone на EngineerZone. ®
Рисунок 5. Тест: какова эквивалентная входная емкость сети? Попробуйте проделать это в уме.использованная литература
Указание по применению AN-1142, Методы компоновки печатной платы высокоскоростного АЦП. Analog Devices, январь 2012 г.
Учебник MT-100, Методы макетирования и прототипирования. Analog Devices Inc., 2009.
. Учебное пособие MT-101, Методы развязки. Analog Devices, Inc.
, 2009.
Учебное пособие MT-031, Заземление преобразователей данных и разгадка тайны «AGND» и «DGND».Analog Devices, Inc., 2009.
Радио, которое мы можем отправить в ад
Пандемическим летом 2020 года было несколько ярких пятен. Одним из самых ярких событий стал полет американских астронавтов на Международную космическую станцию и их безопасное возвращение на Землю на борту коммерческого космического корабля от SpaceX. Эта демонстрация имела большое значение по многим причинам, одна из которых заключалась в том, что она предлагала будущее, в котором НАСА, освобожденное от требований выводить людей на низкую околоземную орбиту, могло бы целиться гораздо дальше.Возможно, до Венеры.
Волнение по поводу возможной миссии к Венере было вызвано (теперь несколько спорным) открытием газа фосфина — возможного признака микробной жизни — в атмосфере этой планеты. Но вторая планета от Солнца имеет настолько экстремальные условия, что самый долговечный посадочный модуль, советский Венера-13, мог отправлять данные всего за 2 часа 7 минут.
Средняя температура поверхности Венеры составляет 464 ° C, атмосфера плотная, с высококоррозионными каплями серной кислоты, а атмосферное давление на поверхности примерно в 90 раз выше, чем на Земле.Тем не менее, ученые считают Венеру близнецом нашего домашнего мира.
Размер и масса этих двух планет, конечно, очень близки. И свидетельства указывают на схожие первые дни: на протяжении 3 миллиардов лет на Венере, возможно, были огромные океаны, как и у нас на Земле, и поэтому, возможно, там была жизнь. Какие катаклизмы привели к потере воды Венерой? Ученые-планетологи хотели бы узнать об этом, потому что это может повлиять на нашу судьбу по мере изменения климата.
Чтобы решить эту и другие загадки Венеры, нам понадобится несколько очень способных роботизированных посадочных мест.Но можем ли мы построить машины — в комплекте с приборами, средствами связи, управляемостью и мобильностью — которые смогут выжить в такой враждебной среде не только часами, но и месяцами или годами?
Мы можем. Технологии материалов достаточно продвинулись с 1960-х годов, когда бывший Советский Союз начал запуск своих спускаемых аппаратов серии «Венера» на Венеру, чтобы гарантировать, что внешний корпус и механика будущего посадочного модуля смогут прослужить несколько месяцев. Но как насчет этой нежной электроники? Сегодняшние кремниевые системы не продержатся и дня в условиях Венеры.(Мы, конечно, имеем в виду земной день. Венерианский день — это 243 земных дня.) Даже добавление активных систем охлаждения может не дать им больше, чем дополнительных 24 часа.
Ответ — полупроводник, который сочетает в себе два обильных элемента, углерод и кремний, в соотношении 1: 1 — карбид кремния. SiC может выдерживать чрезвычайно высокие температуры и при этом нормально работать. Ученые из Исследовательского центра Гленна НАСА уже более года эксплуатируют схемы из карбида кремния при температуре 500 ° C, демонстрируя не только то, что они могут выдерживать тепло, но и могут выдерживать столько времени жизни, сколько потребуется посадочному модулю на Венеру.
Карбид кремния уже находит применение в силовой электронике для солнечных инверторов, электронике для электроприводов электромобилей и передовых коммутационных аппаратах для интеллектуальных сетей. Но создание схем SiC, которые могут управлять марсоходом на адском пейзаже Венеры и отправлять данные оттуда на Землю, испытает этот материал до предела. Если это удастся, мы получим нечто большее, чем просто передвижной форпост в одном из наименее гостеприимных уголков Солнечной системы. Мы также узнаем, как перемещать беспроводные датчики в места на Земле, которые они никогда раньше не бывали — на лопастях реактивных двигателей и газовых турбин, на головках буровых установок для глубоких нефтяных скважин и внутри хоста. высокотемпературных промышленных производственных процессов под высоким давлением.Возможность размещать электронику в этих местах дает значительный шанс снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание оборудования, одновременно повышая производительность и безопасность как инструментов, так и людей в промышленных условиях.
Фактически, наша команда вместе с членами Королевского технологического института KTH в Стокгольме и Университета Арканзаса в Фейетвилле считает, что схемы из карбида кремния могут доставить нас туда и дальше, к приложениям, которые мы еще не могли себе представить.
Карбид кремния ни в коем случае не новый материал.Крупномасштабное производство приписывают Эдварду Гудричу Ачесону в 1895 году. Американский химик пытался создать искусственные алмазы, когда в его экспериментах были получены кристаллы SiC. Впервые соединение было успешно использовано в качестве электронного материала в 1906 году, когда Генри Харрисон Чейз Данвуди изобрел SiC-радиодетектор. По сей день он считается первым промышленным полупроводниковым прибором.
Однако, как известно, большие кристаллы SiC трудно воспроизводить, и только в конце 1990-х инженеры изобрели оборудование, позволяющее выращивать кристаллы, достаточно хорошие, чтобы их можно было использовать для изготовления силовых транзисторов.Эти первоначальные пластины из карбида кремния были всего 30 миллиметров в поперечнике, но промышленность постепенно прогрессировала до диаметров пластин 50, 75, 100, 150, а теперь и 200 мм, что сделало устройства более экономичными. За последние 20 лет исследования и прогресс неуклонно росли до такой степени, что силовые полупроводниковые устройства на основе SiC теперь можно приобретать на коммерческой основе.
Карбид кремния может похвастаться очень привлекательными свойствами как полупроводниковый материал. Первый из них — это критическая напряженность электрического поля, почти в 10 раз превышающая кремниевую.Это свойство в основном является точкой, в которой материал разрушается и начинает бесконтрольно проводить электричество, иногда со взрывом. Итак, если у вас есть кремниевое устройство и устройство из карбида кремния того же масштаба, устройство из карбида кремния может выдерживать в 10 раз большее напряжение. В качестве альтернативы, если бы два транзистора были построены для работы с одинаковым напряжением, устройство из карбида кремния могло бы быть физически намного меньше. Такая разница в размерах дает преимущество в энергопотреблении.При одинаковом «пробивном напряжении» (например, 1200 вольт) SiC-транзистор имеет сопротивление включения кремниевого транзистора от 1/200 до 1/400, и, следовательно, меньшие потери мощности. Этот меньший размер также обеспечивает более высокую частоту коммутации в преобразователе мощности, что означает меньшие, более легкие и менее дорогие конденсаторы и катушки индуктивности.
Вторым удивительным свойством карбида кремния является теплопроводность: поскольку SiC нагревается из-за электрической проводимости, тепло может быть быстро отведено, что продлевает срок службы устройства.Фактически, среди широкозонных полупроводников SiC по теплопроводности уступает только алмазу. Это свойство позволяет подключать транзистор из карбида кремния высокой мощности к радиатору того же размера, который вы использовали бы на кремниевом компоненте с гораздо меньшим энергопотреблением, и при этом получать полностью функциональное и долговечное устройство.
С точки зрения ученых, надеющихся исследовать другие планеты, радио, пожалуй, самая важная система.
Третье свойство, наиболее важное для работы на Венере, — это очень низкая собственная концентрация носителей заряда SiC при комнатной температуре.Собственная концентрация носителей заряда соответствует тому, сколько носителей заряда делает доступным тепло для проведения электричества. (Допирование полупроводника атомами другого элемента может увеличить доступные носители заряда. Но собственная концентрация — это то, что есть без допирования.) Вы можете подумать, что здесь низкое значение, особенно такое, которое ниже, чем у кремния, было бы плохо. Но это не тот случай, если мы хотим работать при высоких температурах.
Вот почему. Причина, по которой кремний перестает работать как полупроводник при повышении температуры, не в том, что он плавится, горит или что-то в этом роде.Вместо этого транзисторы начинают заполняться термически генерируемыми носителями заряда. Тепло дает некоторым электронам достаточно энергии, чтобы вскипеть из валентной зоны, где они связаны с атомами, в зону проводимости, оставляя после себя положительно заряженные дырки. Разделенные электроны и дырки теперь могут вносить вклад в проводимость. При умеренных температурах, скажем, от 250 до 300 ° C для кремния, это просто вызывает утечку тока через транзисторы и становится шумным. Но при более высоких температурах собственная концентрация носителей превышает любой вклад легирования, и вы больше не можете выключить транзисторы — они становятся похожими на переключатели, застрявшие в положении «включено».
Напротив, SiC с его более широкой запрещенной зоной и меньшим количеством собственных носителей заряда имеет гораздо больший температурный запас перед тем, как произойдет «переполнение транзистора», что позволяет ему продолжать переключаться при температуре выше 800 ° C.
В совокупности эти свойства позволяют SiC работать при более высоком напряжении, мощности и температуре, чем кремний. И даже при температурах, при которых кремний может работать, SiC часто превосходит его, потому что устройства можно переключать на более высокие частоты с меньшими потерями.Сложите все это вместе, и вы получите более эффективные и надежные устройства, а также схемы и системы, которые меньше, легче и способны выжить в среде Венеры.
В то время как будущему посадочному модулю Venus потребуются высоковольтные силовые транзисторы, большинство его схем — в процессорах, датчиках и радиоприемниках — должны быть низковольтными. В карбиде кремния они гораздо менее развиты, чем в кремнии, но из-за проблемы с упаковкой мы начали.
Когда дискретные силовые устройства из карбида кремния нашли коммерческое применение, инженеры осознали необходимость уменьшения электрических паразитных факторов — нежелательного сопротивления, индуктивности и емкости, что приводит к потере энергии. Один из способов — лучше интегрировать с помощью усовершенствованной компоновки схемы управления, привода и защиты с силовыми устройствами. В кремниевой силовой электронике эти схемы расположены на печатных платах (PCB). Но на более высоких частотах, которых могут достичь силовые транзисторы SiC, паразитные характеристики печатной платы могут быть слишком большими, что приведет к чрезмерному шуму.Упаковка или даже объединение этих схем с силовыми устройствами устранит шум. Но последний вариант означал бы изготовление этих схем из карбида кремния.
При комнатной температуре карбид кремния не является естественным выбором для низковольтной микроэлектроники по нескольким причинам. Возможно, наиболее важным является то, что напряжение не может быть настолько низким, как и энергопотребление. Малая запрещенная зона кремния означает, что вы можете питать микроэлектронику с напряжением всего 1 В. Но ширина запрещенной зоны карбида кремния почти в три раза больше.Следовательно, минимальное напряжение, необходимое для проталкивания тока через транзистор — пороговое напряжение — также больше. Обычно мы используем 15 В для питания нашей «низковольтной» SiC-микроэлектроники.
Исследователи по всему миру пытались исследовать низковольтную микроэлектронику на SiC более 20 лет, поначалу с ограниченным успехом. Однако за последние 10 лет исследователи из наших университетов, а также из Кри, Института интегрированных систем и устройств Фраунгофа, Университета Пердью, NASA Glenn, Университета Мэриленда и Raytheon UK сделали некоторые прорывы.
С увеличением температуры увеличивается собственная концентрация носителей полупроводника — количество электронов, обладающих достаточной энергией, чтобы вносить вклад в проводимость. После достижения определенной концентрации транзистор фактически заполняется носителями заряда и не отключается. Это происходит для большинства кремниевых устройств при температуре около 250 ° C, но устройства из карбида кремния все еще могут переключаться при 1000 ° C. Иллюстрация: Эрик Врилинк
Одной из первых ключевых микроэлектронных схем, созданных командой из Арканзаса, был драйвер затвора, который напрямую управляет силовым транзистором через его входной терминал или затвор.Мы завершили несколько версий схемы, которые могут быть упакованы с силовым устройством (или даже поверх него), и протестировали их при температурах, подобных Венере. Эта схема, а также более поздние версии, обеспечивали очень точное управление силовыми устройствами, максимизируя эффективность при минимизации электромагнитных помех. Самой большой проблемой было создание конструкции, которая могла бы адаптироваться к меняющимся условиям и даже учитывать эффекты старения, которые неизбежно возникают в суровых условиях Венеры.
Драйверы ворот важны, но с точки зрения ученых, надеющихся исследовать другие планеты, радио, возможно, является самой важной системой. В конце концов, нет смысла отправлять пакет научных инструментов на другую планету, если вы не можете вернуть данные на Землю.
Компактные и надежные радиосистемы могут оказаться еще более важными для будущих планетарных миссий, потому что они могут передавать данные внутри самого марсохода, заменяя некоторые из тысяч двухточечных проводов в этих машинах.Отказ от проводов в пользу беспроводного управления и контроля позволяет сэкономить значительную массу, что является жизненно важным товаром в поездке на 40 миллионов километров.
Значительная часть наших последних усилий была связана с разработкой и тестированием компонентов межпланетного радиоприемопередатчика на основе карбида кремния. Карбид кремния не стал бы первым выбором, скажем, для радиостанции 5G, работающей на Земле. Во-первых, при комнатной температуре его подвижность носителей заряда — часть того, что устанавливает верхний предел частот, которые может усиливать полупроводник — ниже, чем у кремния.Но при температурах поверхности Венеры кремний больше не функционирует, поэтому есть смысл попытаться адаптировать карбид кремния к этой задаче.
Мы спроектировали, построили и протестировали около 40 различных схем для условий 500 ° C.
Что касается радиочастот, то у карбида кремния есть одно преимущество. Редкость носителей заряда означает, что устройства, изготовленные из этого материала, имеют низкие паразитные емкости. Другими словами, зарядов мало, поэтому они вряд ли будут взаимодействовать таким образом, чтобы снизить производительность устройства.
Архитектура приемопередатчика, на которую мы нацелены, называется гетеродином с низкой промежуточной частотой. (По-гречески гетеро означает различный, а дина — мощность.) Чтобы понять, что это означает, давайте проследим за входящим сигналом через приемную сторону системы. Радиосигналы от антенны усиливаются малошумящим усилителем, а затем подаются на микшер. Смеситель объединяет полученный сигнал с другой частотой, близкой к несущей частоте сигнала. Это микширование создает сигнал на двух новых промежуточных частотах, одна выше несущей, а другая ниже.Затем более высокая частота удаляется фильтром нижних частот. Оставшаяся промежуточная частота, более подходящая для обработки, усиливается и затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем, который передает полученные биты, представляющие принятый сигнал, в блок цифровой обработки.
То, как мы на самом деле реализовали ВЧ-схемы, которые выполняли все эти функции, было определено высокочастотными характеристиками технологии биполярных переходных транзисторов из карбида кремния (BJT), разработанной в компании KTH.Эта технология привела к созданию фундаментальных радиочастотных схем, необходимых для создания приемопередатчика для отправки и приема сигналов 59-мегагерцового диапазона — баланса между высокочастотными ограничениями транзистора и ограничениями пассивных компонентов схемы, которые становятся более ограничительными на более низких частотах. (Эта частота находится примерно в диапазоне 80 МГц, который использовался посадочными модулями Венеры. Современная миссия на Венеру, вероятно, сначала отправит свои данные на спутник, вращающийся вокруг планеты, который затем может использовать частоты дальнего космоса НАСА для передачи данных. дом.)
Одной из основных частей трансивера является смеситель, который преобразует сигнал с частотой 59 МГц в промежуточную частоту 500 килогерц. Сердцем нашего смесителя является биполярный переходной транзистор SiC, на входы которого поступает как входящий РЧ-сигнал с частотой 59 МГц, так и сигнал с частотой 59,5 МГц. Выход коллекторного вывода транзистора подключается к сети конденсаторов и резисторов, рассчитанных на 500 ° C, которые фильтруют высокие частоты, оставляя только промежуточную частоту 500 кГц.
Во время тестирования тепло проходит через микросхему драйвера затвора из карбида кремния. Изображение: Университет Арканзаса
По сравнению с низкочастотными аналоговыми и цифровыми схемами, которые идут после смесителя, ВЧ-схемы создавали проблемы на всех этапах разработки, в том числе отсутствие точных моделей транзисторов, проблемы с согласованием импедансов для обеспечения прохождения большей части сигнала и надежность резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и печатных плат.
Эти печатные платы, кстати, совсем не похожи на те, к которым вы привыкли. Вездесущие печатные платы FR-4, которые лежат в основе всего, от портативных гаджетов до высокопроизводительных серверов, быстро прогнулись и развалились в условиях Венеры. Поэтому вместо этого мы используем так называемую низкотемпературную керамическую плиту. Чипы прикрепляются к этой твердой доске с помощью золотых проводов вместо алюминия, который вскоре станет мягким. Серебряные межсоединения, некоторые из которых покрыты титаном, соединяют компоненты в цепь вместо медных дорожек, которые отрываются от печатной платы.Индукторы на плате выполнены в виде спиралей из золота. (Да, эти схемы были бы довольно дорогими.)
Каким бы важным ни был миксер , будущему марсоходу Venus потребуется гораздо больше. На данный момент между Университетом Арканзаса и KTH мы спроектировали, построили и протестировали около 40 различных схем для условий 500 ° C. Эти схемы включают в себя другие радиочастотные и аналоговые части приемопередатчика, а также многие цифровые схемы, необходимые для обработки данных с приемопередатчика и будущих датчиков планетарной науки.Некоторые из них будут знакомы многим инженерам, например, таймер 555, 8-битный аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь, схема фазовой автоподстройки частоты и библиотека логических схем. Мы признаем, что, поскольку это детали университетского производства, которые производятся в небольших количествах, долгосрочные испытания еще не проводились. Наши лаборатории проработали максимум неделю или две при высокой температуре. Однако мы воодушевлены расширенными экспериментами других групп и используем их, чтобы указать, что наши схемы и устройства могут работать дольше.
Примечательно, что исследовательский центр NASA Glenn Research Center недавно сообщил об ИС из карбида кремния с почти 200 транзисторами на чип, которые работали в течение полных 60 дней в камере окружающей среды Венеры этого центра. Камера подвергала транзисторы давлению 9,3 мегапаскалей, температуре 460 ° C и особой едкой атмосфере планеты. Ни один из этих транзисторов не вышел из строя, что наводит на мысль, что они могли бы проработать гораздо дольше, если бы в камере было больше времени.
Впереди еще много работы.Нам нужно сосредоточиться на интеграции различных схем, которые были разработаны, и на повышении выхода рабочих схем. Мы все еще должны разработать больше схем и доказать, что они могут работать вместе в течение месяцев или лет с необходимой стабильностью при температурах поверхности Венеры. Этот последний момент особенно важен, если радиоприемники из карбида кремния и другие маломощные схемы когда-либо будут иметь смысл в коммерческих приложениях, таких как реактивные и газовые турбины. При достаточных усилиях и приоритете до этого могут потребоваться годы, а не десятилетия.
Будут ли схемы из карбида кремния готовы к будущей миссии на Венеру? Вы можете более разумно возразить, что без них миссия не будет готова.
Эта статья появится в майском выпуске 2021 года под названием «Венера зовет».
Эта статья была исправлена 19 мая 2021 года, чтобы дать правильное атмосферное давление на поверхности Венеры.
Важность ширины дорожек на печатной плате при проектировании печатных плат
Важность ширины дорожек на печатной плате в дизайне печатной платы
Существует несколько факторов, определяющих ширину, длину и стиль дорожек в процессе проектирования печатной платы вашего следующего прототипа печатной платы.В этой статье мы расскажем о различных приложениях, требующих определенных характеристик разводки трасс, а также о том, как и когда включить их в конструкцию вашей печатной платы.
Что такое ширина следа?
Начнем с основ. Что такое ширина дорожки и почему так важно указывать конкретную ширину дорожки? Целью трассировки печатной платы является подключение любого вида электрического сигнала, будь то аналоговый, цифровой или силовой, от одного соединения к другому.
Соединение может быть штифтом компонента, ответвлением более крупной трассы или плоскости, или пустой контактной площадкой или контрольной точкой, предназначенной для зондирования.Ширина дорожек часто измеряется в милах или тысячах дюймов. Стандартная ширина дорожки для обычного сигнала (без особых требований) может находиться в диапазоне 7–12 мил и достигать нескольких дюймов, но есть много вещей, которые следует учитывать при определении ширины и длины дорожки.
Приложение часто определяет ширину и типы дорожек в дизайне печатной платы, и в определенный момент обычно существует баланс между стоимостью изготовления печатной платы, ее плотностью / размером и производительностью.Если к плате предъявляются особые требования к конструкции, такие как оптимизация скорости, уменьшение шума или связи, или высокий ток / напряжение, ширина и типы дорожек могут быть более важными, чем оптимизация производственных затрат на печатную плату без покрытия или общий размер платы.
Спецификации трассировки при изготовлении печатных плат
Как правило, следующие спецификации, связанные с трассировкой, начинают увеличивать затраты на изготовление печатных плат.
Затраты становятся значительно выше из-за более жестких допусков на печатные платы и более высокого оборудования, необходимого как для производства, так и для проверки или тестирования печатных плат:
- Ширина дорожек меньше 5 мил (0.005 ”)
- Расстояние между дорожками менее 5 мил
- Отверстия диаметром менее 8 мил
- Толщина следа меньше или больше 1 унции (что соответствует 1,4 мил)
- Дифференциальные пары и контролируемая длина или импеданс трассы
Конструкции с высокой плотностью, включающие посадочные места на печатной плате, такие как BGA с очень мелким шагом или параллельные шины с большим количеством сигналов, могут потребовать ширины дорожек, равной 2,5 мил, и специальных переходных отверстий, таких как просверленные лазером микро-переходные отверстия диаметром 6 мил или меньше.Напротив, для некоторых мощных конструкций могут потребоваться очень большие дорожки или плоскости, занимающие весь слой и имеющие более толстые унции заливки, чем стандартные. Приложения с ограниченным пространством могут потребовать очень тонких плат, содержащих несколько слоев, и ограниченную толщину заливки меди, равную половине унции (толщина 0,7 мил).
В некоторых других случаях конструкция с высокоскоростной связью от одного периферийного устройства к другому может потребовать дорожек с контролируемым импедансом и определенной шириной и расстоянием друг от друга, чтобы минимизировать отражения и индуктивную связь.Или может потребоваться определенная длина конструкции, чтобы соответствовать другим связанным сигналам в шине. Приложения с высоким напряжением требуют определенных функций безопасности, таких как минимальное расстояние между двумя открытыми дифференциальными сигналами для предотвращения образования дуги. Какой бы ни была функция или характеристика, определение трассировки имеет значение, поэтому давайте рассмотрим множество приложений.
Различная ширина и толщина дорожек
Обычно печатная плата содержит дорожки различной ширины, поскольку они зависят от потребностей сигнала (как показано на рисунке 1).Показанные более тонкие кривые предназначены для сигналов уровня общего назначения TTL (транзисторно-транзисторная логика) без каких-либо специальных требований для защиты от сильного тока или шума.
Это наиболее распространенные типы следов на печатной плате.
Рисунок 1. Пример 4-слойной платы, содержащей дорожки различной ширины и типов
Более толстые дорожки были оптимизированы для пропускной способности по току и используются для периферийных устройств или функций, связанных с питанием, которые требуют более высокой мощности, таких как вентиляторы, двигатели и общая подача питания на компоненты более низкого уровня.И есть даже дифференциальный сигнал (высокоскоростной USB), показанный в верхней левой части рисунка с определенным интервалом и шириной, определенными для удовлетворения требований к сопротивлению 90 Ом. На рисунке 2 показана немного более плотная плата с 6 слоями и компонентом BGA (сетка шариков), требующим более тонких дорожек.
Пример 6-слойной платы, содержащей 256-контактный компонент BGA с шириной дорожек 5 мил
Как рассчитывается ширина следа печатной платы?
Давайте рассмотрим процесс вычисления определенной ширины трассы для сигнала питания, доставляющего ток от одного компонента питания к периферийному устройству.В этом примере мы будем вычислять минимальную ширину дорожки для тракта питания, используемого для двигателя постоянного тока. Тракт питания начинается с предохранителя, проходит через H-образный мост (компонент, используемый для управления подачей мощности через обмотки двигателя постоянного тока) и заканчивается на разъеме двигателя. Средний длительный максимальный ток, потребляемый двигателем постоянного тока, будет около 2 ампер.
Теперь дорожка печатной платы действует как резистор, и чем длиннее и уже дорожка, тем больше сопротивления добавляется. (1 / c) , где в соответствии с рекомендациями IPC для внешнего (или верхнего / нижнего) слоя, k = 0.2] / (Толщина [унция] * 1,378 [мил / унция]) , где 1,378 соответствует стандартной толщине заливки в 1 унцию.
Включив 2 ампера в приведенный выше расчет, мы получим минимум 30 мил для следа.
Но это не говорит нам о том, каким будет падение напряжения. Это немного сложнее, так как требует расчета сопротивления дорожки, которое можно рассчитать по уравнению, показанному на рисунке 4.
Рис. 4. Формула для определения сопротивления проводов печатной платы
В этой формуле ρ = удельное сопротивление меди, α = температурный коэффициент меди, T = толщина дорожки, W = ширина дорожки, L = длина дорожки и t = температура.Если все связанные значения вставить для дорожки длиной 0,8 дюйма и шириной 30 мил, мы обнаружим, что сопротивление дорожки будет около 0,03? и снизит напряжение примерно на 26 мВ, что будет более чем нормально для приложения. Полезно знать, что влияет на эти ценности.
Расстояние между дорожками и длина печатной платы
Для цифровых проектов с высокоскоростной связью могут потребоваться определенные интервалы и настроенная длина, чтобы минимизировать перекрестные помехи, связи и отражения. Некоторыми распространенными приложениями для этого являются последовательные дифференциальные сигналы на основе USB и параллельные дифференциальные сигналы на основе RAM.Как правило, для USB 2.0 требуется маршрутизация дифференциальной пары со скоростью 480 Мбит / с (высокоскоростной класс USB) или выше. Отчасти это связано с тем, что высокоскоростной USB обычно работает при гораздо более низком напряжении и дифференциале, что приближает общий уровень сигнала к минимальному уровню шума.
При маршрутизации высокоскоростных USB-линий необходимо учитывать три важных момента : ширину трассы, расстояние между трассами и длину трассы .
Все они важны, но наиболее важным из трех является обеспечение максимального совпадения длины двух трасс.Как правило, если дорожки отличаются друг от друга более чем на 50 мил (для высокоскоростного USB), это значительно увеличивает риск отражений, которые могут привести к плохой связи. Согласованный импеданс 90 Ом является общей спецификацией для разводки дифференциальных пар, и для этого трассы должны быть оптимизированы по ширине и разносу.
На рисунке 5 показан пример дифференциальной пары, подключенной к высокоскоростному интерфейсу USB, содержащей дорожки шириной 12 мил с интервалом 15 мил.
Рисунок 5. Дифференциальная маршрутизация для высокоскоростного USB2.0
Интерфейс для компонента на основе памяти, содержащего параллельный интерфейс, такой как DDR3-SDRAM, будет иметь гораздо более жесткие ограничения с точки зрения длины трассировки. Большинство программного обеспечения для проектирования печатных плат более высокого уровня будет иметь функции настройки длины, которые оптимизируют длину трассы для соответствия всем связанным сигналам на параллельной шине. На рисунке 6 показан пример схемы DDR3 с настроенными по длине трассами.
Рисунок 6.Пример трассировок памяти DDR3 с настройкой длины
Залитые землей следы и плоскости
Для некоторых приложений с чувствительными к шуму компонентами, такими как беспроводные микросхемы или антенны, может потребоваться небольшая дополнительная защита. Проектирование дорожек и плоскостей со встроенными переходными отверстиями заземления может значительно помочь минимизировать связь, улавливаемую ближайшими дорожками или плоскостями, а также внешними сигналами, которые проникают в край платы.
На рисунке 7 показан пример модуля Bluetooth, размещенного у края платы с антенной (помеченной шелкографией «ANT») на внешней стороне толстой дорожки, содержащей встроенные переходные отверстия, подключенные к заземляющей пластине.Это помогает изолировать антенну от других бортовых схем и плоскостей.
Рис. 7. Модуль Bluetooth со встроенной трассой заземления для подавления шума
Другой метод этой встроенной трассы заземления (или плоскости многоугольника в данном случае) может быть использован для защиты схем платы от внешних беспроводных сигналов. На рисунке 8 показана чувствительная к шуму печатная плата со встроенной плоскостью заземления по периметру платы.
Рис. 8. Плоскость заземления с переходными отверстиями, покрывающими чувствительную печатную плату для защиты от внешних помех
Лучшие практики для трассировки печатных плат
Характеристики трассировки в мире печатных плат зависят от многих факторов, поэтому при прокладке следующей печатной платы обязательно следуйте лучшим практикам, и вы найдете баланс между стоимостью изготовления печатной платы, плотностью схемы и общей производительностью.
Если вы ищете предложение для вашего следующего приложения для печатной платы, свяжитесь с нашей командой экспертов, чтобы помочь вам получить именно то, что вам нужно, по разумной цене.Мы специализируемся на производстве печатных плат и сборке печатных плат в соответствии со сложной конструкцией, которую невозможно произвести или собрать в обычных домах.
Позвольте нам помочь вам воплотить ваш дизайн в реальность.
— Учебное пособие
В сообщении подробно описаны различные методы настройки схемы коррекции коэффициента мощности или схемы PFC в конструкциях SMPS, а также описаны лучшие практические варианты для этих топологий, чтобы они соответствовали современным PFC. правила ограничения.
Разработка эффективных схем питания никогда не была простой задачей, однако со временем исследователи смогли решить большинство проблем, и точно так же современные конструкции SMPS также оптимизируются с наилучшими возможными результатами. благодаря появлению нормативных стандартов, которые сыграли важную роль в обеспечении более строгих параметров качества для современных блоков питания.
PFC Guidelines
Современные ограничения качества электроснабжения довольно жестко устанавливаются коллективными усилиями производителей, поставщиков и других заинтересованных органов управления.
Среди множества параметров качества, установленных для современных источников питания, коррекция коэффициента мощности (PFC), которая фактически осуществляется в форме подавления гармоник, была объявлена обязательным требованием правилами IEC 61000-3-2.
Из-за этого проектировщики вынуждены сталкиваться с более серьезными проблемами при разработке каскадов коррекции коэффициента мощности в своих конструкциях источников питания, чтобы соответствовать этим строгим современным законам, а также к тому, что источники питания становятся все более и более внушительными по своим характеристикам и диапазону применения, правильно структурируя их. Схемы PFC не становятся проще для многих производителей на арене.
Представленные руководства специально предназначены для всех тех ассоциаций и профессионалов, которые занимаются производством или проектированием ИИП обратного хода, чтобы облегчить им самые идеальные конструкции и расчеты PFC в соответствии с их индивидуальными требованиями.
Обсуждения, включенные в эти учебные пособия, помогут вам разработать схемы PFC даже для значительно больших устройств в диапазоне до 400 Вт, 0,75 А.
Читатели также получат возможность узнать о выборе одноступенчатых изолированных преобразователей, которые также включают в себя драйверы светодиодов.Пошаговое руководство по проектированию и инструкции, а также сравнения на уровне системы, многие разработчики, активно работающие в области силовой электроники, будут проинформированы, чтобы найти наиболее оптимальный подход для их конкретных потребностей
Цель коррекции коэффициента мощности
Коэффициент мощности Оптимизация схемы коррекции в современных модулях SMPS (импульсный источник питания) могла развиться в недавнем прошлом из-за появления ряда усовершенствованных соответствующих интегральных схем (ИС), которые позволили создать различные конструкции PFC, имеющие определенные режимы операции и с возможностью индивидуального решения проблем.
С увеличением диапазона топологий SMPS сложность проектирования и реализации PFC в настоящее время также усугубляется.
В первом уроке мы узнаем о рабочих деталях конструкции, которые в большинстве своем предпочитают любые профессионалы.
В основном, коррекция коэффициента мощности помогает оптимизировать входной ток в автономных источниках питания, чтобы они могли увеличивать реальную мощность от доступной входной сети.
В соответствии с обычным требованием данный электроприбор должен имитировать себя как нагрузку с чистым удельным сопротивлением, чтобы обеспечить нулевое потребление реактивной мощности.
Это условие приводит к генерации почти нулевых входных гармонических токов, другими словами, оно позволяет полностью синхронизировать потребляемый ток по фазе с входным напряжением питания, которое обычно имеет форму синусоидальной волны.
Это достижение позволяет устройству потреблять «реальную мощность» из сети на наиболее оптимальных и эффективных уровнях, что, в свою очередь, приводит к минимизации потерь электроэнергии и повышению ее эффективности.
Такое эффективное использование электроэнергии не только помогает устройству представить себя наиболее эффективно, но и помогает коммунальным предприятиям и задействованному капитальному оборудованию для процесса.
Вышеупомянутая функция, кроме того, позволяет освободить линии электропередач от гармоник и возникающих в результате помех между устройствами в сети.
Помимо вышеупомянутых преимуществ, включение PFC в современные блоки питания также соответствует нормативным требованиям, установленным в Европе и Японии стандартом IEC61000-3-2, которому должно соответствовать все электрическое оборудование.
Вышеупомянутое условие регулируется для большинства электронных устройств, которые могут иметь номинальную мощность более 75 Вт в соответствии со стандартами оборудования класса D или даже выше, определяя наивысшую амплитуду гармоник линейной частоты в диапазоне до 39-й гармоники.
Помимо этих стандартов, PFC также используется для обеспечения других показателей эффективности, таких как Energy Star 5.0, жизненно важная для компьютеров, и Energy Star 2.0 для систем питания и телевизоров с 2008 года.
Определение коэффициента мощности
PFC или коэффициент мощности Поправку можно определить как отношение реальной мощности к полной мощности и выразить как:
PF = активная мощность / полная мощность, где реальная мощность выражается в
Вт, а полная мощность выражается в ВА.
В этом выражении активная мощность определяется как среднее мгновенное произведение тока и напряжения по фазе или циклу, тогда как полная мощность рассматривается как среднеквадратичное значение тока, умноженное на напряжение.
Это говорит о том, что всякий раз, когда эквиваленты тока и напряжения синусоидальны и находятся в фазе друг с другом, результирующий коэффициент мощности равен 1,0.
Однако в условиях, когда параметры тока и напряжения являются синусоидальными, но не синфазными, возникает коэффициент мощности, являющийся косинусом фазового угла.
Условия коэффициента мощности, описанные выше, применяются в случаях, когда напряжение и ток являются чистыми синусоидальными волнами, в сочетании с ситуацией, когда сопутствующая нагрузка состоит из резистивных, индуктивных и емкостных компонентов, которые могут быть нелинейными по своей природе. , который не регулируется параметрами входного тока и напряжения.
Топологии SMPS обычно вносят нелинейный импеданс в линию питания из-за объясненного выше характера его схемы.
Как работает SMPS
Схема SMPS в основном включает в себя выпрямительный каскад на входе, который может быть полуволновым или двухполупериодным выпрямителем, и дополнительный конденсатор фильтра для поддержания выпрямленного напряжения на нем до пикового уровня синусоиды входного источника питания. волна до тех пор, пока не появится следующий пик синусоидальной волны и не повторит цикл зарядки этого конденсатора, что приведет к требуемому пиковому постоянному напряжению на нем.
Этот процесс зарядки конденсатора в каждом пиковом цикле переменного тока требует, чтобы вход был снабжен током, достаточным для удовлетворения нагрузки, потребляемой SMPS, в промежутках между этими пиковыми интервалами.
Цикл реализуется путем быстрого сброса большого тока в конденсатор, который прикладывается к нагрузке путем разрядки до наступления следующего пикового цикла.
Для этой неравномерной схемы заряда и разряда рекомендуется, чтобы импульсный ток от конденсатора был на 15% выше среднего требования нагрузки.
Из рисунка выше видно, что, несмотря на значительные искажения, параметры напряжения и тока явно синфазны.
Однако, если мы применим термин «косинус фазового угла» к вышеизложенному, это приведет к неправильному выводу о том, что источник питания имеет коэффициент мощности 1,0
Верхняя и нижняя формы волны показывают количество гармоник в Текущий.
Здесь указывается «содержание основной гармоники» по сравнению с амплитудой 100%, в то время как высшие гармоники представлены как дополнительные проценты от основной амплитуды.
Однако, поскольку реальная мощность определяется только основной составляющей, в то время как другие дополнительные гармоники представляют только полную мощность, фактический коэффициент мощности может быть значительно ниже 1,0.
Мы называем это отклонение термином «коэффициент искажения», который в основном отвечает за возникновение неединичного коэффициента мощности в модулях SMPS.
Выражение для реальной и кажущейся мощности
Общее выражение, которое описывает связь между реальной и полной мощностью, может быть дано следующим образом:
Где cosΦ формирует коэффициент смещения, возникающий из фазового угла Φ между формами сигнала тока / напряжения. а cosΦ означает коэффициент искажения.
Обращаясь к диаграмме ниже, мы можем наблюдать ситуацию, которая показывает идеальную коррекцию коэффициента мощности.
Мы видим, что здесь форма волны тока совершенно идеально повторяет форму волны напряжения, поскольку оба, очевидно, работают синфазно и синхронно друг с другом.
Следовательно, здесь можно принять, что гармоники входного тока почти равны нулю.
Коррекция коэффициента мощности против снижения гармоник
Глядя на предыдущие иллюстрации, становится очевидным, что коэффициент мощности и низкие гармоники работают синхронно друг с другом.
Обычно считается, что если указаны пределы для соответствующих гармоник, это может помочь ограничить загрязнение входного тока в линиях электропередач путем устранения мешающих токовых помех другим приборам, находящимся поблизости.
Следовательно, хотя обработка входного тока может быть названа «коррекцией коэффициента мощности», выходная величина уточнения, хотя эта обработка понимается как содержание гармоник в соответствии с международными руководящими принципами.
Для топологий SMPS это обычно элемент смещения, который приблизительно равен единице, что приводит к следующим соотношениям между коэффициентом мощности и гармоническими искажениями.
В выражении THD представляет полное гармоническое искажение как квадратичную сумму вредных гармоник по отношению к основному содержанию, выражая относительный вес ассоциированного гармонического содержания по отношению к основному эквиваленту. Другое уравнение связывает абсолютное значение коэффициента гармоник. THD, а не в% пропорции, что означает, что THD должен быть практически нулевым, чтобы создать единичный коэффициент мощности.
Типы коррекции коэффициента мощности
Характеристика формы входного сигнала на приведенном выше рисунке демонстрирует типичный «активный» тип коррекции коэффициента мощности для устройства SMPS, введенный между конфигурацией входного выпрямителя и конденсатором фильтра, а также через интегральную схему PFC управление процессом вместе с соответствующей схемой, чтобы гарантировать, что входной ток когезионно следует форме волны входного напряжения.
Этот тип обработки можно рассматривать как наиболее распространенный тип PFC, используемый в современных схемах SMPS, что можно увидеть на рисунке ниже.
При этом ни в коем случае не обязательно, чтобы для предлагаемого PFC использовались только «активные» версии с использованием ИС и полупроводников. Обычно приветствуются другие формы конструкции, которые могут гарантировать разумное количество PFC ниже установленных нормативов.
Было замечено, что на самом деле одиночный индуктор, заменяющий положение «активного» аналога, способен довольно удовлетворительно подавлять гармоники, контролируя пики и достаточно эффективно распределяя ток синхронно с входным напряжением.
Конструкция с пассивной коррекцией коэффициента мощности
Однако для этой формы пассивного регулирования коэффициента мощности может потребоваться достаточно громоздкий индуктор с сердечником из железа, и поэтому ее можно использовать в приложениях, в которых компактность не является решающим требованием. (стр. 12)
Пассивная одиночная катушка индуктивности может показаться быстрым решением для коррекции коэффициента мощности, но для приложений с высокой мощностью размер может стать неинтересным из-за непрактично больших размеров.
На приведенном ниже графике мы можем наблюдать входные характеристики трех вариантов 250-ваттных вариантов ИИП для ПК, каждый из которых представляет форму волны тока с эквивалентным масштабным коэффициентом.
Мы легко можем видеть, что результат, полученный от PFC на основе пассивного дросселя, на 33% выше пиков тока, чем с активным аналогом фильтра PFC.
Несмотря на то, что он может соответствовать стандартам IEC61000-3-2, он определенно не будет соответствовать недавнему более строгому правилу требований 0.9PF и не соответствует уровню приемлемости QC, установленному в соответствии с этими новыми стандартами.
Базовая блок-схема
В связи с продолжающейся тенденцией на рынке электроники, когда мы можем наблюдать рост цен на медь вместе с ростом производства магнитных сердечников и внедрением современных, гораздо более дешевых полупроводниковых материалов, это не будет сюрпризом. если мы заметим, что активный подход PFC становится более популярным, чем пассивный аналог.
И эта тенденция может стать еще более сильной в ближайшем будущем, представляя все более и более совершенные и усовершенствованные решения PFC для многих разработчиков и производителей SMPS.
Сравнение гармоник входной линии со стандартами IEC610003-2
На рисунке ниже мы можем видеть кривые трех отдельных результатов ИИП ПК мощностью 250 Вт со ссылкой на ограничения IEC6000-3-2. Указанное ограничение действует для всех гаджетов класса D, таких как ПК, телевизоры и их мониторы.
Показанный предел содержания гармоник фиксируется в соответствии с входной мощностью устройств. Для продуктов, связанных с осветительными приборами, такими как светодиодные фонари, лампы CFL, обычно соблюдаются ограничения класса C, которые идентичны их предельным значениям входной мощности.
Для других нетрадиционных электронных устройств предел PFC устанавливается пропорционально минимальной входной мощности 600 Вт.
Если мы посмотрим на кривую пассивной коррекции коэффициента мощности, то обнаружим, что она вряд ли соответствует установленному пределу ограничения, просто ситуация типа «прикоснуться и уйти» (гармоника №3)
Анализ характеристик пассивной коррекции коэффициента мощности
На следующем рисунке мы Можно увидеть классический пример схемы пассивной коррекции коэффициента мощности, разработанной для традиционного блока питания ПК.Примечательным здесь является соединение центрального отвода индуктора PFC с входным линейным входным напряжением.
В режиме выбора 220 В (переключатель разомкнут) задействуются все две части индуктора, а сеть выпрямителя работает как полная мостовая схема выпрямителя.
Однако в режиме 110 В (переключение замкнуто) только 50% или половина катушки используется через левую боковую секцию катушки, в то время как секция выпрямителя теперь преобразована в схему удвоения полуволнового выпрямителя.
Поскольку выбор 220 В должен генерировать около 330 В после двухполупериодного выпрямления, это формирует вход шины для SMPS и обладает возможностью значительных колебаний в соответствии с входным линейным напряжением.
Пример принципиальной схемы
Хотя эта конструкция пассивной коррекции коэффициента мощности может выглядеть довольно простой и впечатляющей по своим характеристикам, она может иметь несколько заметных недостатков.
Наряду с громоздкостью PFC, на его производительность влияют еще две вещи: во-первых, наличие механического переключателя, который делает систему уязвимой для возможной ошибки человека при работе с устройством, а также связанные с этим проблемы износа. .
Во-вторых, отсутствие стабилизации линейного напряжения приводит к относительной неэффективности с точки зрения экономической эффективности и точности преобразования мощности постоянного тока в постоянный, связанной с выходом PFC.
Контроллеры режима критической проводимости (CrM)
Этап контроллера, называемый режимом критической проводимости, который также называют переходным режимом или контроллером пограничного режима проводимости (BCM), представляет собой конфигурации схем, которые можно найти эффективно применяемыми в приложениях светотехники.Несмотря на простоту использования, эти контроллеры относительно дороги.
На следующей схеме 1-8 показана схема обычного контроллера CrM.
Обычно PFC контроллера CrM будет обладать схемой, показанной выше, которую можно понять с помощью следующих пунктов:
Вход каскада опорного умножителя получает сигнал соответствующего размера от соответствующего выхода усилителя ошибки, имеющего низкочастотный полюс.
Можно увидеть, что на другой вход умножителя ссылается стабилизированное фиксированное напряжение постоянного тока, извлеченное из выпрямленного линейного входа переменного тока.
Таким образом, результирующий выходной сигнал умножителя является произведением относительного постоянного тока с выхода усилителя ошибки и опорного сигнала в виде двухполупериодных синусоидальных импульсов переменного тока от входа переменного тока.
Этот выходной сигнал каскада умножителя можно также увидеть в форме полноволновых синусоидальных импульсов, но с соответствующим уменьшением пропорционально приложенному сигналу ошибки (коэффициенту усиления), используемому в качестве эталона для входного напряжения.
Амплитуда сигнала этого источника регулируется соответствующим образом, чтобы реализовать правильную заданную среднюю мощность и обеспечить надлежащее регулируемое выходное напряжение.
Каскад, который отвечает за обработку амплитуды тока, заставляет ток течь в соответствии с формой выходного сигнала умножителя, однако можно ожидать, что амплитуда сигнала тока линейной частоты (после сглаживания) будет вдвое меньше, чем у этого эталонного сигнала от умножителя. мультипликативный этап.
Здесь операции схемы формирования тока можно понять следующим образом:
Ссылаясь на приведенную выше диаграмму, Vref обозначает выходной сигнал каскада умножителя, который затем подается на один из операционных усилителей компаратора, второй вход которого ссылается на текущий сигнал формы волны.
На выключателе питания ток через катушку индуктивности медленно увеличивается, пока сигнал на шунте не достигнет уровня Vref.
Это заставляет компаратор переключать свой выход с ВКЛ на ВЫКЛ, отключая питание схемы.
Как только это произойдет, напряжение, которое постепенно нарастало на катушке индуктивности, начинает медленно падать до нуля, и как только оно достигает нуля, выход операционного усилителя возвращается в исходное состояние и снова включается, и цикл повторяется.
Как следует из названия вышеупомянутой характеристики, схема управления системой никогда не позволяет току индуктора подниматься выше заданного предела в непрерывном и прерывистом режимах переключения.
Эта схема помогает прогнозировать и вычислять взаимосвязь между средним пиковым уровнем тока на выходе операционного усилителя. Поскольку ответ имеет форму треугольных волн, среднее значение формы волны означает ровно 50% фактических пиков треугольной формы волны.
Это означает, что результирующее среднее значение токового сигнала треугольных волн будет = ток индуктора x R sense или просто положить половину предварительно установленного опорного уровня (Vref) операционного усилителя.
Частота регуляторов, использующих вышеуказанный принцип, будет зависеть от сетевого напряжения и тока нагрузки. Частота может быть намного выше при более высоком линейном напряжении и может изменяться при изменении линейного входа.
Режим критической проводимости с ограничением частоты (FCCrM)
Несмотря на свою популярность в различных приложениях управления PFC для промышленных источников питания, описанный выше контроллер CrM имеет некоторые присущие ему недостатки.
Основным недостатком этого типа активного управления PFC является нестабильность частоты по отношению к условиям линии и нагрузки, которая показывает увеличение частоты с более легкими нагрузками и более высокими линейными напряжениями, а также каждый раз, когда входная синусоида приближается к переходам через ноль. .
Если попытаться исправить эту проблему, добавив ограничитель частоты, на выходе будет искаженная форма волны тока, что кажется неизбежным из-за того, что «Ton» остается не настроенным для этой процедуры.
Однако разработка альтернативной техники помогает достичь истинной коррекции коэффициента мощности даже в прерывистом режиме (DCM). Принцип работы можно изучить на рисунке ниже и с прилагаемыми уравнениями.
Ссылаясь на приведенную выше диаграмму, пиковый ток катушки можно оценить, решив:
Средний ток катушки относительно цикла переключения (который дополнительно принимается как мгновенный линейный ток для данного цикла переключения, в связи с тем, что частота коммутации обычно выше, чем частота сети, на которой происходят колебания сетевого напряжения), выражается формулой:
Объединение вышеуказанного соотношения и упрощения терминов дает следующее:
Вышеприведенное выражение ясно указывает на и подразумевает, что в случае реализации способа, в котором алгоритм заботится о поддержании тонны.tcycle / Tsw на постоянном уровне, это позволит нам получить синусоидальный линейный ток с единичным коэффициентом мощности даже в прерывистом режиме работы.
Хотя приведенные выше соображения показывают некоторые явные преимущества для предлагаемой техники контроллера DCM, она не кажется идеальным выбором из-за связанных с ней высоких уровней пикового тока, как показано в следующей таблице:
Для достижения В идеальных условиях PFC разумным подходом было бы реализовать условие, при котором режимы работы DCM и Crm объединены для извлечения наилучшего из этих двух аналогов.
Следовательно, когда условия нагрузки невелики и CrM работает на высокой частоте, схема переходит в режим работы DCM, и в случае, когда ток нагрузки высокий, условие Crm может сохраняться, так что ток пики не имеют тенденции выходить за нежелательные высокие пределы.
Такой вид оптимизации двух предложенных режимов управления лучше всего можно представить на следующем рисунке, где преимущества двух режимов управления объединены для достижения наиболее желательных решений.
Продолжает режим проводимости
Режим непрерывной проводимости PFC может стать довольно популярным в конструкциях SMPS из-за их гибкости применения и диапазона, а также связанных с ними нескольких преимуществ.
В этом режиме текущее пиковое напряжение поддерживается на более низком уровне, что приводит к минимальным коммутационным потерям в соответствующих компонентах, и, кроме того, входная пульсация отображается на минимальном уровне с относительно постоянной частотой, что, в свою очередь, позволяет значительно ускорить процесс сглаживания. проще для того же.
Следующие атрибуты, связанные с типом CCM PFC, необходимо обсудить более подробно.
Vrms2 Control
Одним из важнейших атрибутов большинства универсальных конструкций PFC является опорный сигнал, который должен быть имитацией выпрямленного входного напряжения с понижением частоты.
Этот минимизированный выпрямленный эквивалент входного напряжения, наконец, применяется в схеме для формирования правильной формы сигнала для выходного тока.
Как обсуждалось выше, для этой операции обычно используется каскад схемы умножителя, но, как мы знаем, каскад схемы умножителя может быть относительно менее рентабельным, чем традиционная система умножения со входом.
Классический пример компоновки показан на рисунке ниже, который демонстрирует подход PFC в непрерывном режиме.
Как можно видеть, здесь повышающий преобразователь запускается с помощью ШИМ режима среднего тока, который отвечает за определение тока катушки индуктивности (входной ток для преобразователя) по отношению к командному сигналу тока, V ( i), что можно рассматривать как уменьшенный эквивалент входного напряжения V (in) к пропорции VDIV.
Это реализуется путем деления сигнала напряжения ошибки на квадрат сигнала входного напряжения (сглаженного конденсатором Cf, чтобы создать упрощенный коэффициент масштабирования по отношению к уровню входного напряжения).
Хотя вам может показаться немного неудобным видеть, что сигнал ошибки делится на квадрат входного напряжения, причина этой меры заключается в создании петлевого усиления (или переходного зависимого отклика), который может не основываться на срабатывание входного напряжения.
Возведение в квадрат напряжения в знаменателе нейтрализует значение Vsin вместе с передаточной функцией ШИМ-управления (пропорциональность наклона графика тока индуктивности входному напряжению).
Однако одним из недостатков этой формы PFC является гибкость умножителя, которая заставляет этот каскад быть немного переоцененным, особенно секции управления мощностью схемы, так что он выдерживает даже самые худшие сценарии рассеивания мощности.
Управление режимом среднего тока
На приведенном выше рисунке мы можем видеть, как опорный сигнал, создаваемый умножителем V (i), обозначает форму сигнала и диапазон масштабирования входного тока PFC.
Указанный каскад ШИМ обеспечивает соответствие среднего входного тока эталонному значению.Процедура выполняется через каскад регулятора режима среднего тока, как показано на рисунке ниже.
Управление в режиме среднего тока в основном сконфигурировано для регулирования среднего тока (вход / выход) со ссылкой на управляющий сигнал Icp, который, в свою очередь, создается за счет использования низкочастотного контура постоянного тока через каскад схемы усилителя ошибки, и это ничего, кроме эквивалентного тока, соответствующего сигналу Vi, который показан на предыдущем рисунке.
Усилитель тока каскада функционирует как интегратор тока, а также как усилитель ошибки, чтобы регулировать форму волны, тогда как сигнал Icp, который генерируется через Rcp, становится ответственным за выполнение управления входным напряжением постоянного тока.
Чтобы гарантировать линейный отклик от усилителя тока, его вход должен быть аналогичным, что означает, что разность потенциалов, генерируемая на R (шунт), должна быть аналогична напряжению, генерируемому вокруг Rcp, потому что у нас не может быть постоянного тока. через вход неинвертирующего резистора усилителя тока.
Выходной сигнал, генерируемый усилителем тока, должен быть «низкочастотным» сигналом ошибки, зависящим от среднего тока шунта, а также сигнала от Isp.
Теперь генератор генерирует пилообразный сигнал, который используется для сравнения с ним вышеупомянутого сигнала, точно так же, как это сделано в схеме управления режимом напряжения.
Это приводит к созданию ШИМ, определяемых путем сравнения двух вышеупомянутых сигналов.
Расширенные решения PFC
Различные методы управления PFC, как обсуждалось выше (CrM, CCM, DCM), и их варианты предоставляют разработчикам различные варианты конфигурирования цепей PFC.
Однако, несмотря на эти варианты, постоянный поиск лучших и более совершенных модулей с точки зрения эффективности сделал возможным диагностику более сложных конструкций для этих приложений.
Мы обсудим это подробнее, так как эта статья будет пополняться последними новостями по этой теме.
список лучших регулируемых цепей тока и бесплатная доставка
ИС космического класса улучшают дизайн спутникового мониторинга — Электронный дизайн Электронный дизайнAlpha и Omega Semiconductor представляют решения для беспроводных передатчиков зарядки — Yahoo Finance Yahoo Finance Текущие ставки по ипотеке возвращаются выше 3% | Личные финансы | roanok__ — Roanoke Times Roanoke TimesКак спроектировать прецизионный токовый насос с операционными усилителями — Технические статьи — Все о схемах Все о схемахПроектирование повышающего преобразователя PCM-COT с динамически регулируемым выходным напряжением — Eetasi__ Eetasi__ Текущие ставки по ипотечным кредитам упали ниже 3% — KoamNewsNo__ KoamNewsNo__Make Switch from Discrete to Integrated Load Switch, Ideal Diodes, and eFuse — Electronic Design Electronic DesignChina High Frequency Hybrid Solar Inverter 1000W 12VDC / MPPT Tracking Voltage 120-450V on Global Sources, 1000W Hybrid Solar Inverter, 1000W Solar Inverter, solar инвертор — Global Sources Global Sources Переключатель мощности с прецизионной регулировкой ограничения тока от Diodes Incorporated обеспечивает высокий уровень защиты автомобильных подсистем — Business Wire Business Wire Ограничитель тока предлагает защиту цепи с низким падением напряжения — Электронный дизайн Электронный дизайн Датчик высокого тока — everti__ everti__Как выбрать Правый прот ection for your circuit — Электронный дизайн Электронный дизайн 10 лучших настольных источников питания 2021 года — Bestgamingpro — Лучший игровой про Лучшее игровое устройство Защитное устройство для автомобильных цепей с широким диапазоном напряжения — everti__ everti__ Как спроектировать оптимальную электронную нагрузку для сильноточных низковольтных источников питания (Часть 1) — Электронный дизайн Электронный дизайнЛучшие производители кабелей — GineersNow GineersNow Регулируемое понижающее управление постоянным током постоянного / постоянного тока: светодиодный контроллер от Diodes Incorporated — Новости — Все о схемах Все о схемахСхема VR: некоторые операционные усилители — Hackaday Hackaday Линейный дизайн ИС драйвера светодиодов снижает потери (ЖУРНАЛ) — Светодиоды Журнал Светодиоды Журнал Рекомендации по размещению индуктора на печатной плате импульсного источника питания — everti__ everti__Что делает стабилизатор напряжения с низким уровнем шума? — Блог — octopar__ octopar__О построении физически точных макромоделей аналоговых переключателей — everti__ everti__Custom Isolated Variac действительно единственный в своем роде — Hackaday Hackaday3-Time Mr.Олимпия Фрэнк Зейн поделился своими достижениями в 79 лет — menshealt__ menshealt__Toshiba добавляет новую микросхему eFuse, электронный предохранитель для многократного использования, который предлагает регулируемую защиту от перенапряжения и функцию вывода сигнала FLAG — Business Wire Business WirePocket-Size генератор белого шума для быстрого тестирования сигнала цепи ответ — everti__ everti__Загрузка операционного усилителя низкого напряжения для работы с сигналами и источниками высокого напряжения — everti__ everti__Sensex набирает 381 балл, Nifty набирает рекордные результаты после заявлений о политике RBI — Mint MintИспользование регулятора напряжения в качестве источника постоянного тока — Hackaday Hackaday5 вещей, которые могут замедлить Скорость зарядки вашего электромобиля в домашних условиях — Автомобиль__ Новости Car__ NewsPower Management, Глава 7: ИС регуляторов напряжения — Технология силовой электроники Технология силовой электроники Конструкции солнечных дневных ламп обеспечивают недорогие решения для освещения, Часть 1 — ED__ ED__5 LDO-регуляторы с высоким выходным током — Электронный дизайн Электроника DesignRoc Бортпроводник kShox | Лучшая подвеска для горного велосипеда — Велоспорт Велоспорт Решение проблем: умножение цифро-аналогового преобразователя — everti__ everti__Drive LDO на выход 0 В с однополярным питанием — Электронная конструкция Электронная конструкция Простая схема измеряет относительную интенсивность двух источников света — everti__ everti__USB Type-C Boost и Buck -Улучшенные решения для программируемых источников питания — Электронный дизайн Электронный дизайн Входы и выходы источников питания — Дизайн управления Дизайн управления Генераторы прямоугольных импульсов имеют независимую регулировку частоты и рабочего цикла — ED__ ED__Переключение на SMPS для повышения эффективности — Hackaday Hackaday Универсальный источник питания для макетов — Elektor ElektorПодробнее о Инструментальные усилители с тремя операционными усилителями — Технические статьи — Все о схемах Все о схемах Здесь все, что вам нужно знать о автоматических выключателях для защиты двигателей — Уэльс247 Wales2472-in-1 Светодиодный драйвер обеспечивает регулируемый ток, напряжение — Технология силовой электроники Power E lectronics Technology2022 KTM RC 200 обзор, трек-райд — Autocar India Autocar India Умные и предохранители становятся еще умнее — электронный дизайн. Электронный дизайн. 35 новаторов до 35 лет: Аднан Мехоник — MIT Technology Review. MIT Technology Review. Области применения — FierceElectronics FierceElectronics DC-DC удовлетворяет потребности в распределении энергии приложений NewSpace — ED__ ED__ Как отключается автоматический выключатель? — Hackaday Hackaday До свидания аналоговые LDO? — Линейный стабилизатор ED__ ED__1000 Вт с выходным током 10 А — Технология силовой электроники Технология силовой электроникиInfineon выпускает микросхему драйвера для слаботочных светодиодных осветительных приложений — Журнал светодиодов Светодиодный журнал Регулируемый диод ограничения тока регулирует от 50 мА до 80 мА — Технология электронных продуктов Технология электронных продуктов Упрощение питания IC Проекты: 3 компании занимаются системами преобразования энергии — Новости — Все о схемах Все о схемахDallas Invents: на неделю с 20 июля выдано 149 патентов »Dallas Innovates — dallasinnovate__ dallasinnovate__В чем разница между топологиями преобразования постоянного тока в постоянный? — Электронный дизайн Электронный дизайн Уникальные приложения для управления затвором позволяют быстро включать / выключать ваш усилитель высокой мощности — everti__ everti__Constant Current — Hackaday HackadayDual-Channel Smart High Side Switch предназначен для автомобильных систем с напряжением 12 В — Электронный дизайн Электронный дизайн Схема — Radio World Radio WorldParts: LM317 Регулируемый регулятор напряжения — Hackaday HackadayTop 10 Best Current Monitoring Relays 2020 — Bestgamingpro — Best gaming pro Лучшие игровые pro в PowerBites: AI Power Conversion, NASA Electric X-Plane — Электронный дизайн Электронный дизайн Электромобили: понимание терминологии — Автомобиль__ Новости Автомобиль__ Новости Преобразование аудио / видео приемника в регулируемый трехфазный источник питания — Электронный D esign Electronic DesignИспользуйте термическое снижение номинальных характеристик для увеличения ожидаемого срока службы автомобильных светодиодов — ED__ ED__Сбрасываемый электронный предохранитель от Toshiba — Electronics Weekly Electronics WeeklyУмный выключатель высокого напряжения с регулируемым ограничением тока — electropage__ electropage__ Правильный способ снизить ток — Electronics Weekly Electronics WeeklyDallas Invents: 138 Патенты выданы на неделю с 10 августа »Dallas Innovates — dallasinnovate__ dallasinnovate__Создание регулируемого источника питания с фиксированным напряжением — Hackaday HackadayNegative Linear Regulator Особенности Сверхмалый шум, Сверхвысокий PSRR — Электронный дизайн Электронный дизайн EiceDRIVER ™ 6EDL7141: Полностью программируемый трехфазный драйвер — everti__ everti__ Конденсатор с электронной переменной производительностью с широким диапазоном и высокой стоимостью — ED__ ED__Программируемый материал может ускорить производство фотонных интегральных схем — IEEE Spectrum IEEE SpectrumИспользовать интеллектуальные переключатели нагрузки для защиты от предела тока — Электронный дизайн Электронный дизайн Регулировка Стабильный регулятор напряжения — Hackaday HackadayВсе о контроллерах двигателей постоянного тока — Что они из себя представляют и как они работают — Новости ThomasNet Новости ThomasNetПростые схемы снижают уровень шума регулятора — ED__ ED__Архитектура и работа источника питания с обратным ходом — Дизайн электроники Дизайн электроникиУправление LM317T с помощью сигнала ШИМ — ED__ ED__Минимизация падения напряжения источника питания на печатных платах — Электронный дизайн Электронный дизайнDallas Invents: выдано 147 патентов за неделю с 29 июня »Dallas Innovates — dallasinnovate__ dallasinnovate__Power Tips # 88: Как заблокировать преобразователь мощности, который реагирует на икоту — ED__ ED__Step -Down Controller Характеристики Регулируемый привод затвора от 5 до 10 В — Технология силовой электроники Технология силовой электроникиУстройство микротоковой электростимуляции | Все о схемах — Все о схемах Все о схемах Операционный усилитель с нуля — Hackaday HackadayExtend Digipot низкого напряжения для управления регулируемым регулятором — Электронный дизайн Электронный дизайн Возрождение малых схем (32): Регулируемый малошумящий двойной источник питания — Elektor Регулятор LDO ElektorTI, созданный для поддержки 2.Диапазон входного напряжения от 4 В до 18 В с «сверхнизким» IQ — Новости — Все о схемах Все о схемахЭлектронный источник питания усилителя впрыска топлива. | Все о схемах — Все о схемах Все о схемахКачественный подход к импульсному покрытию — Продукты Журнал для отделки Продукты Журнал для отделки
STAFF PICK
Код
STAFF PICK
Код
STAFF PICK
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
Код ПЕРСОНАЛА
Код
000000 ПЕРСОНАЛ
000
000000 ПЕРСОНАЛ
000
000
ВЫБОР
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
ПЕРСОНАЛ
000000
000
000
000 ПИК
000
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
900 02 КодНАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
000
000 PICK
000 PICK
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ВЫБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ПЕРСОНАЛ
Код
Код ПЕРСОНАЛА
000
000000
000
000
000
000 ОТБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ОТБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ОТБОР ПЕРСОНАЛА
Код
ОТБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
НАБОР ПЕРСОНАЛА
Код
Код ПЕРСОНАЛА
Код
_ 9000 Ставки по ипотекесегодня выше с 30-летней ставкой по ипотеке, увеличивающейся на 0.06 процентных пунктов с прошлой недели. Ипотечные ссуды с фиксированной ставкой на 15 лет и ипотеки с регулируемой ставкой 5/1 также допускаются.
1_ Текущие ставки по ипотеке на этой неделе снизились. в то время как ставка по ипотеке с регулируемой процентной ставкой 5/1 увеличилась до 2,52%. Ставки по ипотеке на этой неделе упали ниже 3% после снижения всего на 0,02%.
регулируемая цепь тока
Переход на конструкцию SoC с низким энергопотреблением с одновременным повышением производительности
Раньше, в эпоху настольных ПК, основной целью проектирования СБИС была оптимизация скорости вычислительных функций в реальном времени, таких как игры, сжатие видео и графика.Благодаря этому у нас теперь есть полупроводниковые ИС, которые могут объединять различные блоки графической обработки и модули обработки сигналов, способные удовлетворить наши потребности в развлечениях и вычислениях. Несмотря на то, что эти проектные усилия позволили достичь вычислительной мощности в реальном времени, они не удовлетворили растущую потребность в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, которые достаточно способны выполнять те же сложные операции, не потребляя столько энергии.
Растущий спрос на портативные и даже носимые электронные устройства для связи, вычислений и развлечений потребовал увеличения времени автономной работы, меньшего энергопотребления и меньшего веса устройства.Учитывая это, кажется, что существует необходимость в разработке решения, которое могло бы использовать методы проектирования с низким напряжением и низким энергопотреблением. Теперь, когда энергопотребление также рассматривается как важный критерий при проектировании СБИС, пространство для проектирования может быть расширено, что усложняет и без того важные задачи. Чтобы создать идеальное решение этой проблемы, «конструкция с низким энергопотреблением» должна рассматриваться как решающий фактор.
Рассеиваемая мощность в СБИС
Сегодняшним потребителям нужно устройство, оснащенное всеми современными функциями по разумно низкой цене.Им нужны мобильные устройства и приложения, которые обеспечивают такой же уровень эффективности, как и их немобильные аналоги, без ущерба для срока службы батареи. Если мы проанализируем основные функции, которые потребители просят от смартфона, около 70% пользователей хотят длительного разговора и работы в режиме ожидания. Им нужны более изящные мобильные телефоны, для которых может потребоваться высокая степень интеграции кремния, используемая для продвинутых процессов; однако эти процессы имеют более высокое рассеивание мощности, что дополнительно приводит к повышению температуры.
Рассеиваемая мощность может быть определена как произведение общего тока, подаваемого в цепь, на общую потерю напряжения или ток утечки. Когда дело доходит до портативности устройств, рассеяние мощности является неизбежным ограничением.
Почему энергопотребление так важно в SoC?
Управление питанием важно в системе на кристалле по следующим причинам:
- Затраты, связанные с упаковкой и охлаждением
- Время работы в режиме ожидания и время работы от аккумулятора
- Устойчивость к цифровым помехам
- Заботы об окружающей среде
Типы рассеиваемой мощности
В схемах рассеиваемая мощность можно разделить на следующие типы:
Статическое рассеяние мощности: Рассеивание мощности происходит в виде тока утечки, когда система не запитана или находится в режиме ожидания.В схемах имеется несколько источников тока утечки, включая допороговую утечку, утечку диодов вокруг транзисторов и n-колодцев, туннельные токи, утечку затвора и т. Д.
Динамическое рассеяние мощности : Логические переходы заставляют логические вентили заряжать и разряжать нагрузочную емкость. Другими словами, этот тип рассеивания мощности происходит из-за коммутационной активности транзисторов.
Минимизация рассеиваемой мощности за счет конструкции с низким энергопотреблением
Компании СБИС могут принять ряд мер для уменьшения рассеиваемой мощности.Некоторые из способов реализации конструкции с низким энергопотреблением обсуждаются ниже:
Понизить напряжение питания
Снижение напряжения может оказаться эффективным способом снижения энергопотребления. Без необходимости использования каких-либо специальных технологий или схем, уменьшение напряжения питания в два раза может привести к снижению потребления энергии в четыре раза. Однако производительность также снижается из-за снижения напряжения питания, чего можно избежать, уменьшив пороговое напряжение.
Физическая емкость
Динамическое энергопотребление схемы напрямую зависит от подключаемой физической емкости. Таким образом, помимо снижения напряжения, уменьшение емкости может быть еще одним способом достижения меньшего рассеивания.
Процесс проектирования
СБИС с низким энергопотреблением может быть достигнута путем оптимизации на многих уровнях процесса проектирования, начиная с системного и алгоритмического уровней и заканчивая уровнями схем и топологий.
Системный уровень
Разделение на разделы и отключение питания
Уровень алгоритма
Сложность, регулярность и параллелизм
Архитектурный уровень
Параллелизм, избыточность, конвейерная обработка и кодирование данных
Цепь уровня (логика)
Рекуперация энергии, стили логики и размер транзисторов
Технологический уровень
Устройства понижения порога и многопороговые устройства
Заключение
С ростом числа портативных устройств каждый из нас хочет иметь мощное, компактное и энергоэффективное устройство.