Блок питания на микросхеме: Обзор импульсных блоков питания и электронных трансформаторов. Часть 5

Содержание

Простой регулируемый блок питания 0,8-34 В, до 10 А на LM317 с транзистором, схема, пояснение работы.

В этой статье предлагаю разобрать весьма неплохой регулируемый трансформаторный  блок питания, линейный стабилизатор которого собран на базе микросхемы LM317. Данный блок питания, при использовании именно таких электронных компонентов, что нарисованы на схеме, способен обеспечить максимальное выходное напряжение до 34.5 вольт. Это напряжение ограничено самой микросхемой линейного стабилизатора напряжения, а именно максимальное выходное напряжение на LM137 это 36 вольт, ну и минус около 0,6-1.5 вольта, которые осядут на база-эмиттерном переходе транзистора. Максимальный ток у блока питания может быть до 10 ампер, но при определенных условиях, о которых будет сказано ниже в этой статье. Коэффициент пульсаций у этого БП равен где-то 0,1%.

Перечень электронных компонентов, что используются в этой схеме:

Tr1 — трансформатор на 26 вольт и выходной ток до 10 ампер (280 Вт и более)
VD1 — диоды или мост на ток более 10 А и обратное напряжение более 40 В

D1 — микросхема линейного стабилизатора типа LM317, LM338, LM350
VT1 — биполярный транзистор типа КТ819, КТ829 и аналогичные
R1 — 5 кОм
R2, R3 — 240 Ом
R4 — 3-10 кОм
R * — от 1 кОм до 5 кОм подбирается под нужное выходное напряжение
C1 — 5000-10000 мкф и напряжение больше рабочего напряжения
C2 — 10 мкф
C3 — 470 мкф

Сразу стоит заметить для новичков, что это блок питания с линейным стабилизатором напряжения. То есть, при регулировке выходного напряжения все лишнее напряжение просто преобразуется в тепло. Оно оседает на регулируемых силовых компонентах, а именно на микросхеме стабилизатора D1 и силовом биполярном транзисторе VT1. И именно транзистор берет на себя всю лишнюю электрическую энергию и преобразует его просто в тепло, через собственный нагрев корпуса. А это значит, что чем больше тока будет потреблять нагрузка и чем меньше напряжения мы установим на выходе данного блока питания, тем меньше КПД будет этого блока питания. При минимальном напряжении на выходе и максимальном токе этот блок питания становится больше похож на электрический обогреватель. Причем в этом режиме он менее всего экономичен. К сожалению это проблема абсолютно всех линейных стабилизаторов.

Но эту проблему в значительной степени можно исправить если использовать трансформатор с несколькими выходными обмотками. То есть, мы от вторичной обмотки делаем выводы с шагом допустим 5 вольт. Находим подходящий переключатель, который нам будет подключать нужный вывод вторичной обмотки с наиболее подходящим напряжением, что мы будем использовать в конкретном случае, для конкретной нагрузки. Такой вариант переключения напряжений, что далее подается на схему стабилизатора напряжения, делает схему блока питания гораздо экономичнее, значительно повышая ее общий коэффициент полезного действия.

Теперь что касается самих рабочих компонентов этой схемы. Чтобы на выходе получить максимальное напряжение до 34.5 вольт и силу тока до 10 ампер понадобится силовой трансформатор мощностью не менее 280 Вт. Почему именно такая минимальная мощность должна быть у трансформатора. Дело в том, что максимальное входное напряжение для микросхемы D1 (LM317) 37 вольт. Но стоит учесть, что это амплитудное значение напряжения, которое будет у нас на выходе диодного моста при наличии сглаживающего конденсатора C1. Как известно, напряжение на выходе трансформатора имеет действующее значение, которое в 1,41 раза меньше амплитудного. То есть, мы 37 вольт делим на 1,41 и получаем около 26 вольт действующего напряжение, которое должна обеспечить нам вторичная обмотка имеющегося трансформатора. Следовательно, 26 вольт умножаем на 10 ампер и получаем мощность 260 Вт, ну и добавим небольшой запас по мощности с учетом различных потерь. И в итоге нам и нужен трансформатор с мощностью не менее 280 Вт. Ну, и как я ранее заметил, хорошо, чтобы он имел отводы от вторичной обмотки с шагом примерно 3-5 вольт, для повышения КПД этой схемы блока питания. Трансформатор лучше использовать тороидальный, он более эффективный, чем другие типы.

Поскольку мы будем работать с током до 10 ампер, то диодный пост также нужен с прямым током не менее 10 А, а лучше брать с запасом где-то 15-20 А. В схеме сглаживающий конденсатор C1 имеет емкость 5000 мкф, хотя лучше все же поставить микрофарад так на 10 000, сглаживание импульсов будет только лучше. Его напряжение должно быть более 35 вольт.

В схеме использована микросхема типа LM317, максимальный ток которой равен 1,5 ампер (если это оригинал, а не Китайская копия). Если у вас есть аналогичные микросхемы стабилизаторов напряжения типа LM338, LM350, рассчитанные на больший ток, то можно в схему поставить и их. Поскольку LM317 может выдержать ток всего лишь до 1,5 А, а мы планируем работать с током до 10 А, то в схему добавлен усилитель тока в виде биполярного транзистора КТ819 или КТ829 (составной). Чтобы убрать дополнительные пульсации напряжения, возникающие на выходе транзистора, в схеме предусмотрена отрицательная обратная связь в виде резистора R3. Именно этот резистор дает сигнал микросхеме, которая делает работу транзистора более стабильной. Резисторы R1 и R2 нужны для нормальной работы самой микросхемы линейного стабилизатора LM317. Напряжение на выходе задается сопротивлением R1. Резистор R4 служит небольшой нагрузкой на выходе блока питания, и также он способствует разряду выходного конденсатора после выключения схемы.

На схеме параллельно резистору R1 можно увидеть еще один резистор, отмеченный звездочкой. Он нужен, чтобы убрать с регулирующего напряжения резистора R1 так называемую мертвую зону. То есть, при работе с более низкими напряжениями (если вы сделаете блок питания на другое, более низкое напряжение) сопротивления резистора в 5 кОм будет много, и на нем появляется участок, при котором напряжение никак не меняется на выходе блока питания. Следовательно, поставив параллельно регулируемому резистору еще одни резистор с подходящим сопротивлением мы уменьшаем его величину и убираем эту самую мертвую зону.

В целом схема полностью рабочая и вполне способна выдавать ток до 10 ампер при условии, что вы будете использовать трансформатор, у которого будут дополнительные отводы на вторичной обмотке. Это нужно, чтобы уменьшить выделение тепла на биполярном транзисторе до минимума. Если же вы попытаетесь делать регулировку выходного напряжения только за счет транзистора, то даже его максимального рабочего тока не хватит, чтобы нормально рассеять все тепло, что на нем оседает. В этом случае он просто у вас сгорит. Чтобы облегчить нормальную работу биполярного транзистора параллельно ему можно поставить еще несколько штук таких же транзисторов, что распределит выделяемое тепло уже по нескольким элементам. Ну, и обязательно, как микросхема стабилизатора LM317, так и транзистор КТ819 должны быть установлены на радиатор с подходящими размерами. Включать схему без охлаждающего радиатора не рекомендуется, поскольку силовые элементы очень быстро выйдут из строя из-за перегрева.

Видео по этой теме:

P.S. Если собрать эту схему с учетом всех замечаний и рекомендаций, что были в этой статье, то данный лабораторный блок питания с регулировкой выходного напряжения будет работать вполне хорошо и надежно. Эта схема уже мной собиралась и ее работа была полностью проверена.

Простой, импульсный блок питания на IR2153

Сегодня поговорим и рассмотрим распространённую схему импульсного источника питания построенную на микросхеме IR2153.

Итак, мы имеем схему импульсного источника питания, которая запитывается от 220 вольт и скажем на выходе у неё появляется некоторое напряжение для запитки чего-либо, то есть, какой-то усилитель, либо какая-то другая конструкция.

По входу у нас 220 переменки, идёт на фильтр L1 с плёночными С1 и С2 конденсаторами, но этот дроссель можно убрать из схемы и просто заменить перемычками, всё прекрасно будет работать и без него.

Дальше напряжение поступает на полноценный двухполупериодный диодный мост, я использовал не готовую диодную сборку, а обычные диоды 1N4007, 4 диода собрал из них диодный мост, на диодном мосту напряжение выпрямляется, но выпрямляется не до конца, потому что там, всё равно остается какая-то полуволна, этот синус поступает на сглаживающий конденсатор, в данном случае здесь 100 микрофарад 400 вольт.

Сглаживающий конденсатор, если когда поступает на него напряжение мультиметром сделать замер, напряжение будет чуть больше, чем скажем 220 вольт, может быть 250-280 вольт. С чем это связано? — это конденсатор заряжается до своего амплитудного значения, дальше после сглаживающего конденсатора напряжение поступает на схему.

Минус диодного моста у нас получается общий, то есть для запитки всей схемы силовой части и для микросхемы это IR2153, то есть для генератора.

Питание микросхемы осуществляется — плюс на первый вывод, минус на четвертый вывод. Микросхема запитывается через цепочку, R1, VD3, сглаживающий конденсатор С4, который сглаживает помехи от резистора и всей этой цепочки, чтобы микросхема нормально работала.

При подключении и сборки всей схемы необходимым мультиметром проверить выводы на микросхеме 1 + и 4 нога минус напряжение должно быть в районе 15 вольт, тогда микросхема будет нормально работать и генерировать импульсы.

Дальше у нас между 8 и 6 ногой микросхемы стоит пленочный конденсатор (С6) на 220 нанофарад, вообще емкость этого конденсатора подбирается исходя из частоты генератора, то есть в данном случае частота генератора в районе 47- 48 килогерц, конденсатор может быть и 0,2 микрофарад и 0,47 и 0,68 даже один микрофарад, то есть, тут этот конденсатор особо не критичен.

Данная микросхема работает на частоте 47-48 килогерц, цепочка которая обеспечивает данную частоту это резистор R2 — 15К и пленочный или керамический конденсатор (С5) один нанофарад или можно поставить 820 пикофарад.

5 вывод и 7 вывод микросхемы генерируют прямоугольные, управляющие импульсы, которые через резисторы R4 и R3 поступают на затворы мощных, полевых транзисторов, то есть эти резисторы нужны, чтобы не спалить случайно транзисторы.

Например импульс поступает на затвор мощного полевого транзистора, далее через балластный конденсатор (С7) на 220 нанофарад 400 вольт на первичную обмотку трансформатора Т1.

Что касаемо трансформатора, трансформатор был взят с компьютерного блока питания.

Его нужно немного доработать, то есть выпаять, разобрать, опустить в кипяток, чтобы расплавить клей, которым склеен феррит или нагреть паяльный феном, одеваем какие-то перчатки, чтобы не обжечь руки и потихонечку располовиниваем и сматываем все обмотки этого трансформатора.

Из расчета того, что мне на выходе нужно было получить в районе 25 вольт, первичная обмотка проводом 0,6 миллиметров в две жилы наматывается целиком 38 витков. Каждый слой изолировал скотчем, то есть слой обмотки, слой изоляции, потом сверху вниз опять все мотаем в одну сторону, изолируем всё и мотаем вторичную обмотку.

Вторичная обмотка — 7 жил, тем же проводам 0,6 миллиметров и мотаем в ту же сторону — это очень важно, те кто начинает разбираться в импульсных источниках питания, всё мотаем в одну и ту же сторону.

Всего 7 или 8 витков вторичной обмотки и потом всё это дело обратно склеиваем и собираем весь феррит на место.

Транзисторы установлена на небольшой теплоотвод, этого вполне достаточно при нагрузке где-то в районе 100 ватт. Два транзистора закреплены через теплопроводящие прокладки и термопасту.

Сейчас мы всё это включим в сеть, возьмём мультиметр и померяем напряжение на выходе.

Но есть еще такой момент, перед запуском блока питания всё делаем последовательно, то есть берём лампочку на 100 ватт 220 вольт и через лампочку подключаем наш блок питания, если лампочка не загорелась или там слегка вспыхнула спираль, значит конденсатор зарядился и как бы всё нормально, можно аккуратно проверять на выходе наше напряжение.

Если допустим лампочка горит, то уже в схеме есть какие-то косяки, либо где-то не пропаяно, либо где-то сопли на плате или какой-то компонент неисправен. Так что, перед сборкой берите исправные детали.

Включаем мультиметр в режим измерения постоянного напряжения 200 вольт и измеряем на выходе наше напряжение у меня выдаёт 29 вольт

Хотелось бы сказать, что это моя первая конструкция, то есть я собирал также, как и начинающий радиолюбитель, которые побаиваются собирать свои первые и импульсные источники питания, и больше прибегают к сетевым трансформатором.

Архив к статье, можно скачать.

Автор; Тумин Игорь

Как вам статья?

Мне нравитсяНе нравится

Простой импульсный блок питания на IR2153

Самодельный импульсный источник питания — полумост на специализированной микросхеме IR2153 на 120 — 150 Вт

Часто начинающие радиолюбители опасаются связываться с конструированием импульсных источников питания полагая, что это очень сложно. тем не менее, используя доступные современные специализированные микросхемы можно очень быстро и относительно легко построить простой ИБП на различные напряжения и мощности, который можно с успехом использовать для питания различных радиолюбительских конструкций.

Микросхема IR2153 представляет собой высоковольтный драйвер с встроенным генератором, аналогичным по структуре типовому генератору на таймере 555. Микросхема выпускается в 8-выводном корпусе типа DIP-8 или SOIC-8

Заказать микросхему IR2153 на Алиэкспресс

Типовая схема включения микросхемы приведена на рисунке ниже. (схема взята из документации на IR2153):

Функции выводов микросхемы:
1 — VCC — Напряжение питание логики и внутреннего драйвера
2 — Rt — Времязадающий резистор
3 — Ct — Времязадающий конденсатор
4 — COM — Земля
5 — LO — Выход драйвера верхнего уровня
6 — Vs — Возврат плавающего источника питания верхнего уровня
7 — HO — Выход драйвера нижнего уровня
8 — Vb — Плавающий источник питания ключей верхнего уровня

Частота преобразования, на которой работает блок питания на IR2153, определяется резистором, включенным между выводами RT(2) и CT(3) и конденсатором, включенным между выводом CT(3) и общим проводом COM(4).

Номиналы этих элементов можно определить, воспользовавшись специальной таблицей на рисунке ниже (нажмите чтобы увеличить):

Слева по оси Y видим значения частоты, внизу на оси X — значения сопротивления резистора RT. Кривые на графике соответствуют шести фиксированным значениям емкости конденсатора CT. Допустим у нас конденсатор емкостью 1000 пФ, смотрим что для этого с резистором сопротивлением 1 кОм частота преобразования будет около 80 кГц.

Предлагаемый блок питания обеспечивает нагрузочный ток около 3A при выходном напряжении около 12..50 В. Выходное напряжение можно легко изменить, изменив количество витков вторичной обмотки импульсного трансформатора. Как рассчитать трансформатор будет описано ниже. Подобный блок питания я успешно использовал совместно со звуковым стереофоническим усилителем мощности на двух микросхемах микросхемах TDA2050. Также можно использовать в гитарном комбо-усилителе с усилителем на тех же TDA2050 или для питания каких — то других устройств с похожими потребностями.

Схема блока питания приведена на рисунке ниже (кликните чтобы увеличить):

Преимущество этой схемы — она крайне проста и содержит минимум деталей. Недостатки — отсутствие стабилизации выходного напряжения и цепей защиты.
О деталях. Термистор NTC1 установлен последовательно с входом устройства и служит для уменьшения броска тока в момент включения блока питания. Сопротивление термистора при комнатной температуре — в районе 3 Ом. Бросок тока при включении блока в сеть 230 вольт возникает в момент заряда сглаживающего конденсатора C3. Терморезистор можно выпаять из платы старого компьютерного блока питания, как впрочем и некоторые другие компоненты этой схемы. Поэтому не выбрасывайте старые компьютерные блоки, из них можно добыть много полезного для радиолюбительской практики. В принципе, терморезистор можно исключить из схемы, заменив его постоянным резистором мощностью пару ватт и сопротивлением 3-5 Ом. Можно применить термистор типа NTC 5D-9 или других типов с подходящими параметрами, например вот эти с Алиэкспресс.

Предохранитель F1 удалять из схемы крайне нежелательно.

Компоненты С1, L1 и C2 образуют сетевой фильтр, который предотвращает проникновение высокочастотных помех от нашего блока в сеть 230 В. Конденсаторы C1 и C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 250..275 вольт. На работу блока питания сетевой фильтр не оказывает влияния, а служит для защиты питающей сети. Этот узел можно исключить, а обмотки катушки на плате заменить перемычками.

Диодный мост D1 служит для выпрямления переменного напряжения 230 вольт, поэтому нужно применить мостик с соответствующими параметрами, например типа KBP307 рассчитанный на ток до 3A при напряжении до 1000V.

резистор R1 — гасящий, через него течет ток питания микросхемы. Нужно применить резистор мощностью не менее 2 ватт. резисторы R3 и R4 в цепях затворов ключевых транзисторов могут иметь номинал от 15 до 33 Ом. Ключевые транзисторы можно использовать любые на подходящую мощность и напряжение не менее 600 вольт. Отлично подойдут распространенные IRF840. Для увеличения надежности блока, а также если вы захотите увеличить мощность, ключевые транзисторы желательно установить на радиаторы.

Самой ответственной деталью является импульсный трансформатор. Его можно намотать, например, на кольцевом сердечнике от электронного трансформатора, на популярном среди радиолюбителей советском ферритовом кольце с проницаемостью 2000, а можно использовать трансформатор от компьютерного блока питания. В зависимости от нужного напряжения на выходе, такой трансформатор можно использовать без переделки. На рисунке ниже показана схема такого трансформатора и его внешний вид

Если нужно большее напряжение то придется разобрать трансформатор и перемотать вторичную обмотку. Разобрать такой трансформатор не всегда получится без его повреждения, поэтому в таком случае лучше намотать трансформатор самому, например, на ферритовом кольце. Для полумолстовой схемы в сердечнике трансформатора не требуется зазор, что упрощает задачу изготовления трансформатора в домашних условиях.

Расчет импульсного трансформатора

Предположим что мы хотим использовать самодельный трансформатор на основе советского ферритового кольца. Прежде всего нам нужно скачать программу для расчета. Будем использовать бесплатную программу Lite-CalcIT.

Программа очень маленькая и не нуждается в какой-либо инсталляции. Просто скачиваем архив по ссылке, разархивируем файлы программы в какую-нибудь папку и запускаем (можно запускать с флэшки).

Предположим что у нас есть ферритовое кольцо российского производства типа М2000НМ, с размерами 40х25х11.
Я хочу получить на выходе выпрямителя постоянное напряжение 40 вольт и мощность нагрузки 120 вт.
При этом у меня в наличии только провод диаметром 0.5 мм.

Итак, начинаем.

В окне программы справа вверху нажимаем кнопку «Выбор Сердечника»

Открывается дополнительное окно в котором выбираем следующие параметры:

включаем радиокнопку «Форма» — R (кольцо),
в верхнем выпадающем списке выберем R 40,0/25,0/11,0 2000НМ Россия,
дальше в списке «материал» выбираем 2000НМ Россия
После этого нажимаем на кнопку Применить.
Если появляется окно предупреждения то игнорируем его, так как мы еще не ввели правильные параметры обмоток трансформатора.
В основном окне программы задаем следующие параметры:

Схема преобразования: Выбираем Полумостовая.

Схема преобразования: Выбираем Полумостовая.

Напряжение питания: постоянное.
Минимальное: 266 В.
Номинальное: 295 В.
Максимальное: 325 В.
Тип контроллера: IR2153.
Частота генерации 41 кГц.
Стабилизации выходов – нет.
Принудительное охлаждение – нет.

Для вторичной обмотки выбираем:
Номинальное напряжение = 40 В.
Номинальная мощность = 120 Вт.
Диаметр провода указываем 0.5мм.
Для первичной обмотки также укажем диаметр провода = 0.5мм

Схему выпрямления выбираем типа 1.

У нас все готово и теперь нажимаем на кнопку Рассчитать!
В правой половине окна читаем данные нашего импульсного трансформатора.

Мы получили:

  • Габаритная мощность трансформатора = 348.7 Вт,
  • Потребляемая нагрузкой мощность = 123.2 Вт,
  • Коэффициент заполнения окна = 0.116,
  • Число витков первичной обмотки = 70,
  • Диаметр провода первичной обмотки = 0.5, намотка в один провод,
  • Число витков вторичной обмотки = 22 + 22 (у нас обмотка из 2 частей, с отводом от середины),
  • Диаметр провода вторичной обмотки = 0.5, намотка в ТРИ провода

Окно программы будет выглядеть вот так (кликните чтобы увеличить):

Как видим, размеры кольца более чем достаточны для наших целей. Перед намоткой трансформатора берем наждачную бумагу или надфиль и слегка притупляем острые грани ферритового кольца, чтобы при плотной намотке они не повредили изоляцию обмотки.

Наматываем на кольцо один слой изоленты или фторопластовой ленты, после чего наматываем 70 витков первичной обмотки, равномерно распределяя провод по кольцу.

После намотки первичной обмотки изолируем ее сверху, наматывая пару слоев изоленты (малярного скотча, фторопластовой лены, и т.д.) и сверху наматываем обе части вторичной обмотки по 22 витка каждая. Намотку вторичных обмоток необходимо производить жгутом из трех проводов, диаметром 0.5 мм. также стараемся равномерно распределять провод по кольцу. Это улучшит качество работы трансформатора.

Обычно собранный из исправных деталей блок начинает работать сразу. Первое включение в сеть производим через лампу накаливания мощностью примерно 60 ватт. Включаем лампу последовательно с блоком питания. При первом включении лампа должна вспыхнуть и погаснуть — это зарядился сглаживающий конденсатор. Если лампа горит постоянно, это означает что блок питания неисправен. Может быть замыкание в монтаже либо наличие некачественных деталей. Проверяем монтаж и детали, и включаем снова через лампу. если все хорошо, проверяем наличие выходного напряжения на выходе блока. Имейте в виду, что при включении блока в сеть через лампу накаливания, нагружать его каким-либо серьезным током блок нельзя. Если блок работает, можно попробовать включить его напрямую в сеть и проверить как он держит нагрузку. Если блок периодически запускается и сразу выключается, это может означать нехватку напряжения питания микросхемы IR2153, в таком случае можно немного уменьшить сопротивление резистора R1

При работе с импульсными блоками питания соблюдайте осторожность. На элементах схемы присутствует опасное для жизни напряжение!

[apvc_embed type=»customized» border_size=»1″ border_radius=»1″ background_color=»» font_size=»14″ font_style=»» font_color=»» counter_label=»Visits:» today_cnt_label=»Today:» global_cnt_label=»Total:» border_color=»» border_style=»dotted» padding=»5″ width=»200″ global=»true» today=»false» current=»true» icon_position=»» widget_template=»None» ]

Регулируемый блок питания из неликвидов. — Радиомастер инфо

Рассказано, как основе 5-вольтовой микросхемы LM2576T-5.0 сделать блок питания с регулировкой напряжения 0…30В и тока 0…3А с КПД не менее 80%.

Так получилось, что у меня в наличии микросхемы LM2576T-5.0 в достаточно большом количестве, несколько десятков. Подобные им регулируемые LM2576T- ADJ как-то быстро разошлись, потому что на их основе собирается довольно популярная, особенно раньше, схема регулируемого блока питания:

Она многократно описана и хорошо работает. Я решил попробовать реализовать эту схему на микросхеме LM2576T-5.0. Ее штатная схема подключения согласно DataSheet выглядит так:

Подключить микросхему LM2576T-5.0 для регулировки выходного напряжения от 5В и до максимального входного, за минусом нескольких вольт, можно по схеме, показанной ниже:

Здесь показана микросхема с регулируемым выходом от 1,2В до 50В (до 50В потому что HV остальные до 40В). Если по такой схеме подключить LM2576T-5.0 то регулировка будет начинаться от 5В (возможно придется изменить R1 и R2).

После внимательного изучения DataSheet у меня появилась надежда на то, что с микросхемой LM2576T-5.0 все-таки можно собрать регулируемый блок питания с такими пределами, как и у LM2576T- ADJ. Отличие микросхем показано ниже:

Как видно, если микросхема регулируемая, то делитель внутри микросхемы R1, R2 отсутствует. R2=0 а R1 совсем нет. В остальных случаях делитель есть и номиналы зависят от выходного напряжения. У микросхемы LM2576T- ADJ делитель внешний и его можно изменять.

Принцип работы следующий. На нижний вход усилителя ошибки внутри микросхемы подается опорное напряжение 1,23В. На верхний вход напряжение с делителя R1, R2. На сам делитель поступает напряжение с выхода микросхемы. Если напряжение на выходе увеличится таким образом, что в средней точке делителя будет больше 1,23В, то появится управляющий сигнал, который понизит выходное напряжение до нормы, для LM2576T-5.0 это 5В. При этом на двух входах усилителя ошибки одинаковое напряжение по 1,23В.

Теперь вернемся к первой схеме регулируемого блока питания. При отсутствии делителя у регулируемой микросхемы напряжение на ее входе должно быть около 1,23В. Если там напряжение выше, то микросхема уменьшает выходное напряжение пока на входе 4 не будет 1,23В. Если напряжение на выходе ниже, то повышает. Переменным резистором через компаратор LM393 происходит регулировка выходного напряжения. Аналогично работает схема ограничения выходного тока.

Если микросхема LM2576T-5.0, то на ее входе (вывод 4) нормой является напряжение 5В. Если мы хотим его уменьшить, то на вывод 4 нужно подать больше 5В. А поскольку напряжение питания LM393 в данной схеме 5В, то на ее выходе управляющий сигнал не может иметь значение больше 5В. Соответственно невозможно управлять выходным напряжением LM2576T-5.0.

В соответствии с DataSheet микросхемы LM393 ее напряжение питания может быть от 3В до 36В. Если запитать от 9В, то проблему управления L M2576T-5.0 можно решить. И действительно, при использовании схемы приведенной ниже, на 5-ти вольтовой микросхеме LM2576T-5.0 можно реализовать блок питания с регулировкой выходного напряжения от 0 до 30В и тока от 0 до 3А.

В схему регулируемого блока питания внесены еще незначительные изменения.

Для уменьшения взаимного влияния схемы регулировки напряжения на регулировку тока и наоборот пришлось добавить диод VD4.

Резистор RV1d добавлен для улучшения плавности регулировки напряжения.

Рассмотрим работу схемы.

Регулировка напряжения.

Напряжение на выводе 3 микросхемы LM393 определяется делителем R4, R5. При максимальном напряжении на выходе равном 30В на выводе 3 у LM393 будет напряжение (30В : (22к + 2,7к)) х 2,7к = 3,28В. Максимальное напряжение на выводе 2 той же микросхемы устанавливается в верхнем положении ползунка RV1 и равно 4,5В. Оно обязательно должно быть чуть больше напряжения на выводе 3. Резистором RV1 мы можем изменять напряжение на выводе 2. Схема блока питания будет изменять напряжение на выходе до тех пор, пока оно не установится на выводе 3 таким же, как и на выводе 2.

Регулировка тока.

Здесь работает вторая половина LM393.  На вывод 5 подается падение напряжения c шунта R10. При токе 3А (максимум для LM2576T-5.0) оно составит 3А х 0,2 Ом = 0,6В.  Делитель R7, RV2 рассчитывается таким образом, чтобы на выводе 6 при вращении RV2 напряжение изменялось от 0 до значения чуть больше 0,6В. Если напряжение на выводе 5 будет превышать напряжение на выводе 6, то загорится светодиод LED1 и повысится напряжение на выводе 4 у LM2576T-5.0 до значения, при котором напряжение на выходе уменьшится, следовательно, уменьшится выходной ток и падение напряжения на R10 до значения равного выставленному на выводе 6 у LM393.

Другими словами, схема работает таким образом, чтобы напряжения на выводах 5 и 6 были одинаковыми. Если мы изменим регулятором напряжение на выводе 6, то схема изменит выходное напряжение LM2576T-5.0. При этом изменится и выходной ток. Изменяться все будет до тех пор, пока падение напряжения на R10 не станет равным выставленному на выводе 6.

КПД схемы около 80%.

В качестве дросселя ставил:

  1. Индуктивность на кольце из распыленного железа (желто-белое) 24х13х10, 40 витков Ø0,9мм, индуктивность 123 мкГн.
  2. Индуктивность на ферритовом стержне (желтый торец) L 50мм, Ø7,5мм, 96 витков Ø0,6мм, индуктивность 308 мкГн.

Ниже на фото показаны два варианта дросселя.

Результаты работы схемы с разными вариантами дросселя практически одинаковые.

Схема регулируемого блока питания собрана на макете и показала результаты в соответствии с заявленными выше значениями, напряжение от 0 до значения входного напряжения, за минусом 2…3 вольта, ток практически от 0 до 3А.

Печатную плату можно использовать такую же, как для первой схемы в статье. Добавить диод VD4 модно разрезав дорожку. Резистор RV1d можно подпаять навесным монтажом на переменный резистор RV1.

В перспективе я планирую изготовить печатную плату и разместить блок питания в корпусе. По окончании материал выложу на этом сайте.

Материал статьи продублирован на видео:

 

 

Микросхема для блока питания LNK626, и ремонт блока питания

Одним прекрасным летним утром я обнаружил полное отсутствие наличия интернета. Дальнейшие проверки показали во-первых отсутствие свечения каких бы то ни было светодиодов на роутере, а во-вторых — отсутствие какого бы то ни было напряжения на выходе блока питания. Блок питания этот я уже однажды ремонтировал — издох выходной конденсатор. Но на этот раз всё оказалось серьёзнее. Благо был запасной БП…

Вскрытие показало, что у главной и единственной микросхемы сорвало крышу, и из неё вышел волшебный дым. А все мы знаем, что микросхемы работают на волшебном дыме, который туда закачивают на заводе, и если дым вышел — всё, микросхему придется менять, потому что закачать в неё этот дым в домашних условиях нет совершенно никакой возможности, не говоря уже о том, что его и не купить-то нигде, прямо заговор производителей!

Кроме ШИМ-контроллера (хотя это в данном случае не совсем корректное название, кстати, вот даташит на него) издохли и оба входных конденсатора, на 400В и 4.7 и 10мкФ, благо я их тоже купил, ну и предохранительный резистор.


Теперь о предмете обзора. Вот они красавицы:

Как видим это распай, что с моей точки зрения хорошо, ножки залужены красиво, и ничто не предвещает беды. Но я решил перестраховаться и проверить их все. Для этого я запаял панельку

Ну и поочередно проверил все 10 микросхем, и все 10 оказались рабочими. Панельку решил оставить

Это лишнее

Это готовый БП.

Шо могу сказать? Я доволен. Про наличие в наших радиолавках я даже не пытался узнать, потому что в чипе-дипе одна микруха стоит почти баксик, и это без доставки, а значит если вдруг свершится чудо и в одной из локальных радиолавок будет эта микруха — то будет уже по полтора-два бакса, что как видим соизмеримо с десятком микрух из Китая. И когда оно нужно в одном экземпляре и реальную цену не знаешь — то и фиг бы с ним, а когда видел сколько оно стоит на али — от местных цен становится не очень хорошо. И да, я понимаю что сравнивать новое в магазине и распай из Китая — некорректно. Зато выгодно 😉 А оставшиеся микрухи, я уверен, пригодятся. Микрухи могу смело рекомендовать к приобретению, и продавец, вероятно, тоже неплохой.

Схема блок питания на tl494 с регулировкой напряжения и тока

Представляем схему импульсного самодельного блока питания на микросхеме tl494 с возможностью регулировки выдаваемого напряжения и тока. Такой блок питания обычно называют лабораторным блоком питания потому что при помощи него можно запитать как низковольтные маломощные потребители так и зарядить аккумулятор. Такой блок питания может выдать 30 Вольт при силе тока до 10 А.

Составные части импульсного блок питания на tl494

Блок питания можно разделить на 3 части:

1. Внутренний блок питания

Это блоки питания необходим для запитки вентилятора охлаждения, шим контроллера и вольтамперметра. Сюда подойдет любой блок питания с небольшой мощностью. Лучше конечно не собирать свой а использовать готовые решения, к примеру можно взять AC-DC преобразователь.

2 Блок управления.

Блок состоит из микросхемы TL494 и драйвера на 4-х транзисторах.

Схема включения TL494 получается очень простая, такая схема подключения довольно распространена у радиолюбителей. При помощи резистора R4 осуществляется регулировка напряжения от 0 до максимального значения, а при помощи R2 задается максимальное значение силы тока. Резисторы R11 и R12 можно использовать многооборотные.

Блок управления можно собрать на отдельной плате.

Печатная плата блока управления

3 Силовая часть

Большую часть деталей можно взять из старого блока питания компьютера, входной фильтр, выпрямитель, конденсаторы тоже берем из него.

Далее нам необходимо изготовить трансформатор управления силовыми ключами. Большинство радиолюбителей пугает тот факт что придется изготавливать трансформатор. Но в нашем случае все просто.

Для изготовления трансформатора понадобится колечко R16 x 10 x 4.5 и провод МГТФ 0.07 кв. мм. Провод берем 3 отрезка по 1 метру и делаем 30 витков в 3 провода на кольце.

Дроссель L1 также наматывается на ферритовое кольцо медным проводом длинной 1.5-2 метра и сечением 2 мм. Такая намотка позволят достичь приблизительно требуемой индуктивности.

Во множестве блоков питания есть второй дроссель на ферритовом стрежне, в качестве L2 можно взять его.

Силовой трансформатор тоже берется из блока питания от компьютера, но выходное напряжение будет 20 Вольт. Для того чтобы получить 30 Вольт, силовой трансформатор нужно перемотать. Для больших токов предпочтительнее брать ферритовые кольца.

Схема блок питания на tl494 с регулировкой напряжения и тока

Расчет для нашего блока питания 30 вольт 10 ампер. Трансформатор-донор из компьютерного блока питания оказался 39/20/12:

Печатная плата блок питания

 

Внешний вид готового блока питания

 

 

Схема лабораторного импульсного блока питания на микросхеме IR2153


Продолжим работу с картиной неизвестного художника «Девочка с персиками и импульсным блоком питания».
Ощущение свежести, молодости, радостно-спокойного настроения создаётся, прежде всего, когда мы рассматриваем девочку, которая, слегка вскинув брови и излучая тихий свет, ласково поглаживает металлический кожух лабораторного ИБП, расположившегося на белоснежной скатерти большого деревянного стола.
С удовольствием позируя художнику, сомкнув губы и пристально всматриваясь в нас, она задумалась о чем-то.

А задумалась она, скорее всего, о том, что импульсный блок питания и лабораторный блок питания — это несколько разные вещи, где-то даже, не вполне совместимые.
Профессиональный мощный лабораторный источник питания с регулируемым выходным напряжением — это здоровый и тяжёлый металлический ящик, с могучими силовыми 50-ти герцовыми трансформаторами, классическими аналоговыми стабилизаторами, и не подвластный ни современным схемотехническим изыскам, ни транспортировке посредством неокрепших девичьих рук.
Зато такую вещь не стыдно подключить к любой самой чувствительной схеме с обострённой реакцией на различные типы наводок по питающим цепям.

Так вот! Такие лабораторные БП мы на этой странице рассматривать не будем!
Для большинства радиолюбительских поделок сгодится и импульсный агрегат. О том, чтобы он не сильно плевался импульсными помехами, как в бытовую электросеть, так и в нагрузку — внимательно позаботимся в рамках данной передовицы.

И, как водится, начнём с жизненно важной схемы (Рис.1), обеспечивающей плавный пуск ИБП и осуществляющей защиту всего устройства от токовых перегрузок и КЗ.

Рис.1

Обстоятельный «разбор полётов» данного узла мы провели на странице Ссылка на страницу, для желающих ознакомиться — добро пожаловать по ссылке.

Далее приведём схему собственно импульсного понижающего преобразователя с регулируемым импульсным стабилизатором напряжения на борту.

Рис.2

Технические характеристики блока питания с импульсным стабилизатором напряжения:

Входное переменное напряжение 180…240 В,
Регулируемое выходное напряжение 1,5…50 В,
Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более 3 А,
Срабатывание защиты по выходному току 3 А,
Срабатывание защиты по входному току 1,5 А,
Уровень пульсаций выходного напряжения, не более 15 мВ.

По большому счёту, всё нарисованное на схеме (Рис.2) мы уже так же подробно обсудили на различных страницах сайта. Поэтому, чтобы не повторяться, приведу ссылки на эти материалы:

Основная часть импульсного блока питания, выполненная на DA1, T1, T2, Tr1, описана на прошлой странице   Ссылка на страницу.
Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме LM2576HV-ADJ с картинками — на странице   Ссылка на страницу

Импульсный трансформатор намотан на низкочастотном ферритовом кольце EPCOS N87 с габаритной мощностью 265 Вт и размерами R 30,5×20,0×12,5.
Первичная обмотка содержит 63 витка обмоточного провода диаметром 0,7мм,
Вторичная — 23 витка провода диаметром 1,2мм.

Как правильно мотать эти обмотки, и что делать, если под рукой не оказалось сердечника приведённого типоразмера, опять же, подробно и, опять-таки, с картинками расписано на странице Ссылка на страницу

Поскольку устройство работает в импульсном режиме с достаточно высоким КПД, полупроводники не нуждаются в больших теплоотводах. В нашем случае, для рассевания тепла транзисторов Т1, Т2 достаточно теплоотвода суммарной площадью 100 см2. Такие же радиаторы вполне сгодятся и для выходного выпрямительного моста, и для интегрального стабилизатора DA2.

Если работа источника питания предполагается с нагрузками, не критичными к пульсациям выходного напряжения, вполне допустимо отпочковать от схемы (Рис.2) элементы L2, С9, С10. Уровень пульсаций выходного напряжения в этом случае возрастёт до величины 120-200 мВ.

 

Новый дизайн микросхемы изолированного источника питания повышает эффективность

Исследовательская группа под руководством профессора Ченг Линь из Школы микроэлектроники Университета науки и технологии Китая добилась значительных успехов в области разработки полностью интегрированных изолированных микросхем питания. Исследовательская группа предложила микросхему источника питания на основе стеклянного корпуса на уровне пластины (FOWLP), обеспечивающего пиковую эффективность преобразования 46,5% и удельную мощность 50 мВт/мм 2 .

По сравнению с традиционной микросхемой с изолированным источником питания, эта новая конструкция микросхемы соединяет приемную и передающую микросхемы через микротрансформатор, выполненный из слоя перемонтажа, что исключает необходимость в дополнительных микросхемах трансформатора. Таким образом, потребность в трех или даже четырех микросхемах в существующей конструкции микросхем снизилась, что значительно повысило эффективность изолированного источника питания.

Изолированный корпус системы питания и микросхема. (Фото: Pan Dongfang)

Кроме того, исследователи предложили технологию управления напряжением сети с переменным конденсатором, который поддерживает пиковое напряжение сети в лучшем и безопасном диапазоне напряжений даже в более широком диапазоне напряжения питания.Конструкция эффективно повышает эффективность преобразования и удельную мощность микросхемы, обеспечивая новое решение для разработки изолированных микросхем питания в будущем.

Эта работа была опубликована на Международной конференции IEEE по твердотельным схемам (ISSCC) и выбрана в качестве демонстрации на собрании. 1

Артикул
  1. D. Pan et al., “ 33,5 A 1,25 Вт, пиковая эффективность 46,5 % Трансформатор в корпусе Изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный с использованием стеклянного разветвителя на уровне пластины 50 мВт/мм 2 Плотность мощности, » Международная конференция IEEE по твердотельным схемам (ISSCC), 2021 г., 2021 г., стр.468-470, doi: 10.1109/ISSCC42613.2021.9365955.

Для получения дополнительной информации посетите здесь .


Еще от SAE Media Group

Журнал Medical Design Briefs

Эта статья впервые появилась в выпуске журнала Medical Design Briefs за ноябрь 2021 года.

Читать больше статей из этого номера здесь.

Другие статьи из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Микросхемы импульсных источников питания сокращают утечку энергии

Микросхемы импульсных источников питания таких фирм, как Power Integrations Inc.(Сан-Хосе, Калифорния), Fairchild Semiconductor International (Сан-Хосе, Калифорния) и STMicroelectronics Inc. (Лексингтон, Массачусетс) предлагают значительное снижение энергопотребления, особенно когда продукты находятся в режиме ожидания или без нагрузки. Продавцы говорят, что такие чипы становятся все более важными из-за распространения энергоемких электронных устройств в домах и на предприятиях.

Power Integrations Серия импульсных ИС преобразования мощности LinkSwitch предназначена для замены маломощных линейных трансформаторов в адаптерах и зарядных устройствах мощностью 3 Вт и ниже (см. рисунок ).LinkSwitch, наряду с семействами продуктов TinySwitch-II и TOPSwitch-GX от Power Integrations, позволяет компании работать с источниками питания мощностью от 0 Вт до 250 Вт, или 90% всех производимых в настоящее время блоков питания переменного и постоянного тока, по словам директора Рича Фасслера. маркетинга продукта.

По словам Фасслера, по сравнению с блоками питания на базе линейных трансформаторов LinkSwitch имеет меньшие размеры, меньший вес, лучшую энергоэффективность и превосходную производительность. Он добавляет: «Меньший вес может легко привести к значительной экономии средств, если, например, производителю трансформаторов приходится доставлять продукцию по воздуху, чтобы соответствовать графикам поставок.

Микросхемы

LinkSwitch объединяют силовой полевой МОП-транзистор, ШИМ-контроллер, схемы запуска при высоком напряжении, ограничения тока и отключения при перегреве на одной микросхеме CMOS. Чип LinkSwitch, состоящий всего из 14 компонентов, может реализовать защищенный от сбоев импульсный источник питания постоянного напряжения/постоянного тока (CV/CC) с универсальным входом, отвечающий мировым стандартам энергоэффективности.

Используя технологию, разработанную для устройств Power Integrations TOPSwitch для приложений с более высокой мощностью, конструкция LinkSwitch CV/CC сочетает в себе первичный зажим, обратную связь, питание IC и функции компенсации контура, устраняя до 20 внешних компонентов, обычно используемых в альтернативных конструкциях коммутаторов.В целом, по словам Фасслера, эта технология позволяет исключить до 50 внешних компонентов и может использоваться без оптопары, которая обычно требуется на вторичной стороне трансформатора.

Микросхемы

Power Integrations обеспечивают защиту от перегрузки в условиях короткого замыкания на выходе, а также защиту от перегрева и ограничения тока, автоматический перезапуск для защиты от короткого замыкания и разомкнутой системы, а также технологию EcoSmart для снижения энергопотребления источника питания в режиме ожидания и без -условия нагрузки.Эти функции позволяют инженерам соблюдать все текущие или предлагаемые правительственные директивы по энергетике.

«Потребление энергии становится все более серьезной проблемой, — отмечает Фасслер. «В большинстве домов в Соединенных Штатах имеется более дюжины единиц электронного оборудования, подключенного к разветвителям, а блоки питания основаны на конструкции линейных трансформаторов. Подсчитано, что до 10% производимой нами энергии тратится впустую, когда продукты находятся в режиме ожидания или без нагрузки. LinkSwitch может сократить потери энергии до 90%.

Выключатель питания Fairchild RS6X1220RT предназначен для приложений с прямым или обратным питанием постоянного тока, а также для телефонов VoIP (передача голоса по Интернет-протоколу), цифровых телефонов с функциями, промышленных источников питания и источников питания центрального офиса связи и УАТС.

Предлагаемая в корпусах TO-220F-5L и D2-PAK-5L микросхема Fairchild объединяет полевой транзистор SenseFET с лавинным номиналом (минимальная пробивная способность 200 В) с микросхемой ШИМ с токовым режимом, что сводит к минимуму потребность во внешних компонентах. упрощает конструкцию и снижает затраты.По словам Боба Конрада, старшего вице-президента и со-генерального управляющего группы Fairchild IC, встроенный 300-кГц генератор повышает эффективность и позволяет использовать трансформаторы меньшего размера.

Выключатель питания имеет защиту от перенапряжения, перегрузки, поциклового ограничения тока и защиты от перегрева. Он имеет прецизионные источники тока с температурной компенсацией для компенсации контура и схемы защиты от сбоев, а также включает в себя обнаружение пониженного напряжения в линии, дистанционное включение/выключение режима ожидания, блокировку при пониженном напряжении и оптимизированный драйвер гашения и включения/выключения затвора.

Конрад говорит, что переключатель питания может заменить дискретные полевые МОП-транзисторы/контроллеры или преобразователи с вызывным дросселем (RCC), занимая меньше места на плате и обеспечивая более высокую надежность.

STMicroelectronics предлагает два однокристальных автономных обратноходовых преобразователя для преобразования мощности переменного тока в постоянный: VIPer12A и VIP22A. Оба сочетают схему ШИМ с полевым МОП-транзистором вертикальной мощности. VIPer12A предназначен для автономных зарядных устройств мощностью от 1 Вт до 10 Вт (от 1 Вт до 5 Вт для широкого диапазона входного напряжения от 115 до 230 В).Его схема управления принимает вспомогательное напряжение питания от 8 В до 40 В. Особенности включают возможность запуска от нулевого вспомогательного напряжения с использованием автоматически управляемого источника тока от сетевого напряжения, работу в импульсном режиме для легких нагрузок и автоматическую блокировку минимального напряжения с гистерезисом. .

VIP22A имеет режим управления по току, фиксированную частоту коммутации 60 кГц и диапазон напряжения от 8 до 40 В V DD . Он может обеспечивать мощность до 12 Вт (20 Вт для европейского сетевого напряжения) в автономных зарядных устройствах, изолированных или неизолированных резервных источниках питания для телевизоров и видеомониторов, а также вспомогательных импульсных источниках питания для управления двигателями и других приложений.Чип обеспечивает автоматический пакетный режим в условиях низкой нагрузки; вспомогательная блокировка минимального напряжения с гистерезисом; встроенный высоковольтный источник пускового тока; и защита от перегрева, перегрузки по току и перенапряжения с автозапуском.

Для получения дополнительной информации об этой статье, CIRCLE 345 на сервисной карте считывателя

Новый дизайн микросхемы изолированного источника питания

Фотография корпуса и чипа изолированной системы питания. Кредит: ПАН Дунфан

Недавно исследовательская группа под руководством проф.Ченг Линь из Школы микроэлектроники Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук добился успехов в области разработки полностью интегрированных изолированных микросхем питания.

Исследователи предложили чип на основе стеклянного корпуса на уровне пластины (FOWLP), обеспечивающий пиковую эффективность преобразования 46,5% и удельную мощность 50 мВт/мм 2 .

По сравнению с традиционной изолированной микросхемой источника питания, в этой новой конструкции приемная и передающая микросхемы соединяются между собой через микротрансформатор, выполненный из слоя перемонтажа, что исключает необходимость в дополнительных микросхемах трансформатора. Таким образом, снизилась потребность в трех или даже четырех микросхемах в существующей конструкции микросхемы, что значительно повысило эффективность изолированного источника питания.

Кроме того, исследователи предложили технологию управления напряжением сети с переменным конденсатором, которая поддерживает пиковое напряжение сети в наилучшем безопасном диапазоне напряжений даже в более широком диапазоне напряжения питания.

Эта конструкция эффективно повышает эффективность преобразования и удельную мощность микросхемы, предоставляя новое решение для конструкции микросхемы с изолированным питанием в будущем.

Эта работа опубликована на Международной конференции IEEE по твердотельным схемам (ISSCC) и была выбрана в качестве демонстрации на собрании.


Чипы меньшего размера открывают двери для новых приложений RFID
Дополнительная информация: Дунфан Пан и др.33,5 А, 1,25 Вт, пиковая эффективность 46,5 %, изолированный преобразователь постоянного тока в корпус, использующий стеклянную разветвляющуюся упаковку на уровне пластины, с плотностью мощности 50 мВт/мм2, 2021 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) (2021). DOI: 10.1109/ISSCC42613.2021.9365955 Предоставлено Китайская академия наук

Цитата : Новый дизайн микросхемы изолированного источника питания (13 мая 2021 г.) получено 14 апреля 2022 г. с https://techxplore.com.com/news/2021-05-isolated-power-chip.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Микроконтроллер

— Что именно поджаривает чип при инвертировании питания?

Что выпускает волшебный синий дым при превышении рабочего напряжения или изменении напряжения питания?

Применяется к любому «чипу»

Чрезмерный ток, вызывающий чрезмерное рассеивание мощности (\$I^2 R\$) и/или избыточное напряжение, вызывающее пробой изоляции из-за высокой напряженности внутреннего поля в сочетании с отсутствием теплопроводности от устройств внутри микросхемы.

Учитывайте нелинейный, асимметричный (чувствительный к полярности), физически малый характер внутренних устройств и их небольшие пути теплопроводности. Соедините это с разрушением очень тонких изолирующих слоев низким напряжением (высокое поле В/м), создавая двунаправленные пути проводимости с низким сопротивлением.

Внутренняя температура отдельного устройства повышается очень быстро и разрушает его полупроводниковые/изоляционные свойства. После разрушения это создает другие пути с низким сопротивлением, вызывающие множественные каскадные сбои в других устройствах на чипе.

Все это происходит очень быстро и это одностороннее событие . ( Подумай Шалтай-Болтай — Собрав все части вместе, вы не вернетесь к тому, с чего начали — Шалтай покинул здание)

Как ты мог его починить?

В принципе, вы не можете заставить магию не существовать. В цепи будет так много взаимодействующих неисправностей, что будет практически невозможно локализовать какую-либо неисправность. (Помните, что даже в «простой» ИС вы имеете дело с сотнями тысяч устройств.) Все неисправные устройства должны быть идентифицированы и заменены одновременно (при условии, что у вас есть возможность восстановить все неисправные устройства на атомарном уровне) — пропустите только одно, и вам придется начинать заново при включении питания.

Простое решение (и наиболее экономичное по времени и деньгам): выбросьте дохлую ошибку, научитесь на опыте, замените ее совершенно новой микросхемой с полными характеристиками и в следующий раз будьте более осторожны с источником питания.

Дизайн блока питания

— Нейрохром

Как вы, наверное, заметили, статьи в моей базе знаний свободны от рекламы.Вместо того, чтобы отвлекать вас назойливой рекламой, прошу вашего пожертвования. Если вы считаете содержимое этой страницы полезным, рассмотрите возможность сделать пожертвование, нажав кнопку «Пожертвовать» ниже.

Конструкция блока питания  

Конструкция блока питания, похоже, вызывает некоторое замешательство и у любителей самоделок. Я решил, что пролил свет на эту тему, предоставив математику, необходимую для расчета мощности.

Как упоминалось на странице «Тепловой расчет», мощность, потребляемая от источника питания, включая ток покоя, для заданного выходного колебания может быть рассчитана как

.

, где P S — полная мощность питания, I смещения — ток покоя или смещения, V OUT пик — пиковое выходное напряжение, R L — импеданс нагрузки и V CC это напряжение питания.Предполагается, что усилитель работает от симметричного источника питания, т.е. V CC = -V EE . Максимальный выходной размах определяется напряжением питания и падением выходного напряжения LM3886, которые указаны в техническом описании, как показано ниже.

LM3886 обрезает асимметрично, при этом отрицательный размах обрезается раньше положительного. Таким образом, пиковый неискаженный размах, возможный для LM3886, на 2,5 В меньше напряжения питания. Точно так же ток покоя можно найти в техпаспорте.В этом примере я буду использовать обычное число, а не наихудший случай.

Пример: Напряжение питания: ±25 В; Сопротивление нагрузки: 4 Ом. Мощность, потребляемая от источника питания при полной неискаженной выходной мощности, может быть рассчитана как:

Мощность источника питания для диапазона распространенных напряжений питания и импедансов нагрузки приведена в таблице ниже.

ВКЦ В OUTpeak П Л П С
±25 В 22.5 В 4 Ом 92,0 Вт
±25 В 22,5 В 8 Ом 47,3 Вт
±28 В 25,5 В 4 Ом 116 Вт
±28 В 25,5 В 8 Ом 59,6 Вт
±35 В 32,5 В 8 Ом 94,0 Вт

P S — общая мощность, потребляемая усилителем от источника питания.Исходя из этой мощности, необходимо определить номинальную мощность ВА силового трансформатора. Если бы усилитель представлял чисто резистивную нагрузку, это было бы простой задачей, однако нагрузка, представленная двухполупериодным выпрямителем, ни в коем случае не является «хорошей» нагрузкой. Скорее, ток через выпрямитель представляет собой последовательность импульсов. Для этого можно найти аналитическое решение, но математика становится слишком сложной. Для тех, кто интересуется математикой, я предлагаю проконсультироваться с Бленкоу, который предлагает использовать коэффициент преобразования, равный 1.5 для преобразования резистивной мощности в мощность трансформатора в ВА. т.е. для приведенного выше примера ±25 В, 4 Ом следует указать трансформатор с номинальной мощностью ВА 1,5 × 92,0 Вт = 138 ВА.

Чтобы проверить это эмпирическое правило, я смоделировал ток нагрузки класса AB с помощью LTspice. Сим лист показан ниже. Модель силового трансформатора представляет собой тороидальный трансформатор Antek AS-2222.

Результирующая номинальная мощность силового трансформатора в ВА может быть найдена как сумма реактивной мощности (произведение ВА-А) двух вторичных обмоток.Это показано ниже.

Экстремальная мощность в начале симуляции вызвана током, необходимым для зарядки конденсаторов резервуара до полного напряжения питания. Примерно через 100 мс напряжение питания находится в пределах 90 % от своего конечного значения и полностью стабилизируется к 250 мс. Эта чрезвычайная сила не является поводом для беспокойства. Однако это хороший аргумент в пользу использования ограничителя пускового тока или схемы плавного пуска, особенно в источниках питания, использующих высокоэффективные типы трансформаторов, например, тороидальные.

Произведение ВА представляет собой несколько искаженную, полуволновую выпрямленную синусоидальную волну с пиковым значением 400 ВА. Среднее значение составляет 141 ВА, что чертовски близко к 138 ВА, полученным по эмпирическому правилу Бленкоу. Обратите внимание, что реактивная мощность зависит от размера накопительного конденсатора. Чем больше конденсатор, тем больше коэффициент преобразования между активной мощностью (Вт) и реактивной мощностью (ВА). Эмпирическое правило Бленкоу, по-видимому, хорошо работает при разумных значениях накопительных конденсаторов, скажем, от 4700 мкФ до 22000 мкФ.

Вывод: Для LM3886, работающего от источника питания ±25 В и обеспечивающего максимально возможную неискаженную синусоидальную волну на нагрузку 4 Ом, потребуется трансформатор на 140 ВА. Для стереоусилителя следует использовать трансформатор на 280 ВА. Я бы округлил до ближайшего доступного стандартного размера, который обычно составляет 300 ВА.

The Crest Factor, новая версия

Любой, кто когда-либо разбирал имеющиеся в продаже усилители, заметит, что ни один из рассмотренных ими усилителей мощностью 65 Вт не содержал трансформаторов, способных обеспечить мощность 300 ВА.В чем дело…? Это снова пик-фактор (см. раздел о тепловом расчете для более подробного рассмотрения предмета).

Если предположить, что усилитель будет использоваться для воспроизведения музыки, а не для воспроизведения синусоидальных волн, мощность силового трансформатора может быть несколько меньше. Чрезвычайно сжатая музыка, такая как хэви-метал, имеет коэффициент амплитуды 5-6 дБ. Классическая музыка находится на другом конце спектра с пик-фактором около 20 дБ. Это означает, что пиковая мощность классической музыки в 100 раз выше среднеквадратичной мощности.При анализе 4500 треков, выполненных журналом Sound on Sound Magazine, был обнаружен средний коэффициент амплитуды 14 дБ. Мощность источника питания и результирующие номинальные значения ВА силового трансформатора (на канал LM3886) приведены в таблице ниже для ряда общих коэффициентов амплитуды.

Пик-фактор (дБ) П Л СКЗ P L козырек ВКЦ П Л П С Мощность силового трансформатора ВА
3 (синусоида) 63.3 Вт 127 Вт ±25 В 4 Ом 92,1 Вт 138 ВА
6 31,8 Вт 127 Вт ±25 В 4 Ом 66,0 Вт 98,9 ВА
10 12,7 Вт 127 Вт ±25 В 4 Ом 42,5 Вт 63,8 ВА
14 5,04 Вт 127 Вт ±25 В 4 Ом 27.8 Вт 41,6 ВА
20 1,27 Вт 127 Вт ±25 В 4 Ом 15,2 Вт 22,7 ВА

Как видно из таблицы, для стереоусилителя LM3886 можно использовать трансформатор мощностью 100 ВА при условии, что пик-фактор остается на уровне 12~14 дБ. Трансформатор, обеспечивающий среднеквадратичное значение 20–22 В, такой как Antek AS-1220 или AN-1222, будет подходящим выбором.

Раздел 7: Выпрямление и демпферы

Пожалуйста, пожертвуйте!

Был ли этот контент полезен для вас? Если да, рассмотрите возможность сделать пожертвование, нажав кнопку «Пожертвовать» ниже.

Решение проблем преобразования и рассеяния энергии на кристалле в многоядерной системе на кристалле на основе традиционного кремния и новых нанотехнологий

Аннотация

Интегральные схемы (ИС) переходят к конструкциям систем на кристалле (SOC). SOC позволяет реализовать различные малые и большие электронные системы в одном чипе. Этот Подход позволяет миниатюризировать конструктивные блоки, что приводит к созданию транзисторов высокой плотности. интеграция, более быстрое время отклика и более низкие производственные затраты.Чтобы воспользоваться преимуществами SOC и поддерживать миниатюризацию транзисторов, инновационную подачу питания и мощность схемы управления диссипацией имеют первостепенное значение. Эта диссертация посвящена интеграция систем подачи энергии и управление рассеиванием мощности для увеличения срок службы элементов накопителей энергии. Мы исследуем эту проблему с двух разных ангелов: Встроенные регуляторы напряжения и методы стробирования мощности. Встроенные стабилизаторы напряжения снижают паразитные эффекты и обеспечивают более быструю и эффективную подачу питания для микропроцессоров.Власть методы стробирования, с другой стороны, уменьшают потери мощности, возникающие в цепных блоках. в режиме ожидания. Рассеиваемая мощность (Ptotal = Pstatic и Pdynamic) в дополнительном металл-оксиде полупроводниковая (КМОП) схема исходит из двух источников: статического и динамического. квадратичный зависимость от динамической мощности переключения и более чем линейная зависимость от статической мощность как форма утечки затвора (подпороговый ток). Для уменьшения динамической мощности потери, мощность питания должна быть уменьшена.Значительное снижение рассеиваемой мощности возникает, когда части микропроцессора работают на более низком уровне напряжения. Это сокращение в напряжении питания достигается с помощью регуляторов напряжения или преобразователей. Регуляторы напряжения Используется для обеспечения стабильного питания микропроцессора. Обычный внечиповый импульсный регулятор напряжения содержит пассивную плавающую катушку индуктивности, которую трудно реализуется внутри микросхемы из-за чрезмерного рассеивания мощности и паразитных эффектов.Кроме того, индуктор занимает очень большую площадь кристалла, что затрудняет процесс масштабирования. Эти ограничения делают конструкцию стабилизатора на основе пассивной катушки индуктивности очень непривлекательной. для интеграции SOC и многоядерных сред. Чтобы обойти трудности, три альтернативных метода, основанных на активных элементах схемы, для замены пассивного LC-фильтра понижающего преобразователя. Первое безиндуктивное напряжение переключения на кристалле Архитектура регулятора основана на каскадном низкочастотном фильтре с множественной обратной связью 2-го порядка (MFB). фильтр (ФНЧ).Эта конструкция имеет возможность модулировать несколько настроек напряжения с помощью импульса. с модуляцией (ШИМ). Второй подход представляет собой дополнительный дизайн с использованием гибридного схема с малым падением напряжения для снижения выходной пульсации импульсного стабилизатора в более широком диапазоне Диапазон частот. Третий подход к проектированию позволяет интегрировать всю мощность система управления в одном чипсете за счет объединения высокоэффективной коммутационной регулятор с прерывисто эффективным линейным регулятором (эффективным по площади), для надежных и высокоэффективное регулирование на кристалле.Статическая мощность (Pstatic) или подпороговая мощность утечки (Pleak) увеличивается с масштабирование технологий. Чтобы уменьшить рассеивание статической мощности, используются методы стробирования мощности. реализовано. Мощное стробирование является одним из популярных методов управления утечкой мощности во время периоды ожидания в конструкции маломощных быстродействующих ИС. Он работает на основе транзистора переключатели, чтобы отключить часть схемного блока и перевести их в режим ожидания. Эффективность Схема стробирования мощности включает минимальное значение Ioff и высокое значение Ion для спящего транзистора.А обычная конструкция схемы спящего транзистора требует дополнительного заголовка, нижнего колонтитула или того и другого переключатели для выключения логического блока. Этот дополнительный транзистор вызывает задержку сигнала и увеличивает площадь чипа. Мы предлагаем два инновационных дизайна для сна нового поколения. конструкции транзисторов. Для работы выше порогового значения мы представляем конструкцию спящего транзистора. на основе полностью обедненного кремния на изоляторе (FDSOI). Для подпорогового контура работы, мы реализуем спящий транзистор, используя недавно разработанный кремниевый транзистор. полевой транзистор с сегнетоэлектрическим изолятором (SOFFET).В обеих конструкциях способность контроль порогового напряжения с помощью напряжения смещения на заднем затворе делает оба устройства более гибкий для конструкции спящих транзисторов, чем объемный MOSFET. Предлагаемые подходы упростить конструкцию, уменьшить площадь чипа, устранить падение напряжения в спящем режиме транзистор, и улучшить рассеивание мощности. Кроме того, конструкция обеспечивает динамическое управляемый Vt в те моменты, когда схема должна находиться в спящем режиме или в режиме переключения.

Содержание

Введение — Предыстория и обзор литературы — Полностью интегрированный импульсный регулятор напряжения на кристалле — Гибридный регулятор напряжения LDO на основе каскадного контура множественной обратной связи второго порядка — Двухступенчатая встроенная система управления питанием с одним и двумя выходами — Спящий режим Конструкция транзистора с использованием FDSOI с двойным затвором. Конструкция спящего транзистора в подпороговой области. Заключение

.

На что обратить внимание

Проектирование с низким энергопотреблением в усовершенствованных узлах и усовершенствованной компоновке становится многогранной междисциплинарной задачей, где необходимо решать длинный список вопросов как по отдельности, так и в контексте других вопросов.

С каждым новым передовым технологическим узлом и все более плотной компоновкой возрастает вероятность проблемных взаимодействий. Это, в свою очередь, может привести к низкой доходности, дорогостоящим повторным вращениям и сбоям на поле. В результате архитекторы и дизайнеры изучают возможные взаимодействия и различные варианты использования гораздо раньше в процессе проектирования. И они ищут способы управления все более сложными проектами, которые могут привести к множеству ошибок, которые могут не проявляться по отдельности.

«Многие методы управления питанием, в том числе отключение питания при различных напряжениях, могут значительно усложнить конструкцию, поскольку они фактически отключают часть работы конструкции», — сказал Рену Мехра, директор группы исследований и разработок группы цифрового дизайна в Synopsys. .«Поскольку все разные части дизайна взаимодействуют друг с другом, легко отправить искажение из мертвой части дизайна в другие части дизайна. Это означает, что нам нужно быть очень осторожными, чтобы правильно изолировать те части, которые будут отключены, чтобы другие активные части не были повреждены. Очень важно убедиться, что это работает с самого начала. Кроме того, важно иметь полное намерение по мощности в самом начале, прежде чем запускать симуляцию.Большинство инструментов моделирования изначально понимают UPF и назначение питания и могут синтезировать отключенные части конструкции одновременно с частями, находящимися под напряжением».

Питер Гринхал, вице-президент по технологиям и научный сотрудник Arm, согласился. «Конечно, дизайн с низким энергопотреблением может привести к ошибкам», — сказал он. «Стробирование часов — это один из примеров, когда вы хотите быть максимально агрессивными для экономии энергии, но рискуете быть слишком агрессивными, отключая часы и создавая функциональную ошибку. К счастью, нет никакой разницы в проверке между слишком агрессивным включением Clock Gate и любой другой функциональной ошибкой, а это означает, что стандартных методов проверки достаточно для обнаружения ошибок включения Clock Gate.

Дело не в том, что существующие инструменты проектирования не работают. Дело в том, что их требуется больше в нужное время, и проектные группы должны знать обо всех них и иметь к ним доступ. Статические электрические линейки для проверки, например, необходимы для проверки электрических правил и проверки того, что электрические правила не нарушаются.

«Если вы переходите от одного напряжения к другому, проверьте, не указан ли между ними переключатель уровня», — сказал Мехра. «Или, если вы собираетесь использовать методы сохранения, скажем, для сохранения состояния в периоды простоя, некоторые из этих методов хранения могут быть более сложными, чем другие.Существует очень эффективный способ реализации удержания с использованием ячеек удержания с нулевым выводом, но если он у вас есть, вам также необходимо убедиться, что линия синхронизации и линия сброса должным образом изолированы для такого использования удержания. Эта статическая проверка является очень важной частью, так как вы получаете правильный дизайн с самого начала. Чем раньше будет представлено намерение, поскольку дизайн проходит через реализацию, тем он лучше. Некоторые люди могут предоставить намерение, например, равное x, y или z, но это не будет точно реализовывать то же самое, что и смоделированное.Это связано с тем, что синтез будет выполнять множество оптимизаций, таких как распространение тока, и структура схемы может измениться. Это означает, что намерение, которое вы написали, если вы собираетесь использовать его в реализации после синтеза, выполнено. Но когда вы используете его на этапе размещения и маршрута, он может применяться немного по-другому и может не совсем реализовать то намерение, которое вы имели в виду. Рекомендуется указать это прямо перед отправкой».

Роб Кнот, менеджер по цифровым технологиям внедрения и утверждения в Cadence, рассматривает маломощные технологии как слоеный пирог.«Это проявляется во многих местах, а не только при низкой мощности», — сказал Кнот. «Проектирование для испытаний — это еще одна область, наряду с растущим значением проектирования для обеспечения безопасности, где возникают такие же проблемы. Во всех этих областях архитекторы и проектировщики должны быть в курсе того, как проект модифицируется, в какой момент проект модифицируется и как проект проверяется. На заре любой из этих технологий, будь то проектирование для испытаний, проектирование для обеспечения безопасности или методы малой мощности, все методы были очень ручными или запрограммированными, уникальными для каждого клиента, выполняющего работу.Там вам действительно пришлось усилить гораздо больше со стороны проверки, например, запустить функциональные векторы, справиться с этим с точки зрения формальных методов проверки и т. д., и такие методы проверки по-прежнему являются тем, что абсолютно необходимо сегодня».

Как только методы становятся более распространенными, автоматизация заменяет пользовательские сценарии. «Технологии с низким энергопотреблением, хотя они могли начаться с некоторых действительно продвинутых пользователей, которые создают одни из первых мобильных продуктов, теперь стали мейнстримом», — сказал Кнот.«Это основа слоеного пирога. Он превратился из обычая в широко распространенный благодаря таким вещам, как стремление к власти. Вы пишете свой RTL, но вы пишете его почти на 100% функциональным, например: «Функционально это то, что я должен делать», и поэтому проверка полностью сосредоточена вокруг функциональности в целом. Но затем EDA во время реализации принимает это намерение власти, автоматизируя вставку, модификацию, и у вас есть такие вещи, как энергетические острова, постоянно включенные ячейки, изолированные ячейки и т. д., и модификация конструкции теперь более предсказуема, более проверена. Происходит модульное тестирование, а также программное обеспечение и потоки, прежде чем оно достигнет вашего дизайна. И хотя у вас появилось немного больше уверенности, вам все еще нужно выполнять такие вещи, как формальная проверка, все проверки с низким энергопотреблением, проверка с помощью файла намерений по мощности и т. д. Другая часть процесса включает функциональные тесты, чтобы убедиться, что RTL функционально хорош, когда проверка с низким энергопотреблением гарантирует, что любой из недавно вставленных кодов во время синтеза и размещения и маршрута подчиняется тому, что вы намеревались сделать.

Следующий уровень — RTL. Если он недостаточно энергоэффективен, что еще можно сделать? Некоторые из них очевидны, например, неэффективное управление тактовой частотой или использование памяти. Оттуда вы редактируете RTL и поднимаетесь вверх по стеку.

«Маломощная формальная верификация вам не поможет, но функциональная верификация может», — сказал Кнот. «Именно здесь такие вещи, как последовательная эквивалентность, становятся абсолютно хлебом насущным, как только вы начинаете их принимать. Это техника, с которой знакомы многие дизайнеры чистого RTL, но если вы идете через стену к кому-то, кто привык получать RTL в качестве входных данных, и они привыкли просто выполнять синтез и размещение и маршрутизацию, они могут не знать об этом.Все больше и больше стираются границы в отношении того, кому принадлежит RTL. Это критическая часть, потому что это свободная сила. Вам не нужно делать кучу архитектуры с постоянно включенными ячейками, где вы собираетесь что-то отключать. Это просто: «Вот мой дизайн, проведите глубокий анализ на основе функциональных векторов». Где инструменты указывают, что вы могли бы сэкономить больше энергии? Это большая зона роста».

На самом верху стека находится самый новый и самый широкий спектр методов для малой мощности, то есть pre-RTL.«Это возвращается к архитектуре системы и к человеку, который работает на уровне кода C или на уровне MATLAB», — сказал он. «Сейчас существует гораздо лучший и гораздо более исчерпывающий набор инструментов, которые позволяют вам делать такие вещи, как высокоуровневый синтез. В традиционном режиме высокоуровневого синтеза вы берете код C, подвергаете его высокоуровневому синтезу и выплевываете RTL».

Будь то чип или IP, применяются одни и те же правила. Задача состоит в том, чтобы понять потенциальное взаимодействие всех различных частей одновременно.

«Одна из наиболее распространенных вещей, которые вы делаете для управления питанием, — это использование методов синхронизации тактовой частоты для замедления или отключения частей IP или чипа, которые не используются», — сказал Мэтт Джонс, генеральный менеджер IP-ядер в Rambus. . «Поскольку вы замедляете работу и работаете со скоростью, которая не просто открывает трубу и позволяет ей работать, вы вводите это понятие пересечения доменов часов, а также циклы запуска и остановки, которые сопровождают это. Часы не простые. Чем выше становятся скорости с точки зрения тактовой частоты и скорости передачи данных, их отключение, включение и игра с ними, безусловно, усложняют конструкцию.Сделать это правильно — это определенный вид искусства».

Методы управления питанием, такие как синхронизация и другие подходы, усложняют конструкцию, что, в свою очередь, увеличивает вероятность ошибок, особенно когда блоки или целые микросхемы переходят в различные состояния и выходят из них, а также когда компоненты стареют с разной скоростью. Разные компании справляются с этим по-разному, но в целом проблемы необходимо решать как на уровне системы, так и на уровне компонентов, а проектные группы должны охватывать оба мира. Выбор памяти и стратегии, такие как вычисления в памяти и ближней памяти, например, могут сэкономить значительно больше энергии, чем набор методов с низким энергопотреблением.

«Если вы работаете с 5-нм устройством, чем меньше флэш-памяти вы можете разместить на этом узле, тем больше вы сможете сэкономить на SRAM, — сказал Сандип Кришнеговда, старший директор по маркетингу и приложениям для решений памяти в Infineon. «Это также снижает энергопотребление SoC. Итак, мы смотрим на все эти разные концепции и говорим, что речь идет не только о 10-кратном повышении производительности. Речь также идет о снижении энергопотребления в 2 или 3 раза, переходе на более производительную энергонезависимую память для прямого выполнения кода.

Расширение границ
Проще говоря, число компромиссов, на которые должны пойти проектные группы, чтобы заставить эти системы и системы систем работать, увеличивается. Все это начинается на уровне чипа.

«Некоторое время промышленность шла по этому пути с динамическим масштабированием напряжения и частоты, и это интересная идея: «Может быть, я могу понизить напряжение до тех пор, пока не смогу больше». Может быть, я смогу изменить скорость до такой степени, что больше не смогу», — сказал Стивен Ву, коллега и выдающийся изобретатель Rambus.«Это позволяет вам приблизиться к грани надежного поведения. Во все это также играет роль тот факт, что разные участки кремния будут вести себя немного по-разному, а это означает, что существует больше физических эффектов, которые имеют значение, включая то, что делают соседние части IP, поскольку они могут вносить шум, который может повлиять на запас по напряжению, если ваше напряжение недостаточно высокое».

Шумные соседи также могут начать влиять на корректность. «Проблема некоторых из этих методов заключается в том, что физические эффекты становятся гораздо более важными, и то, что происходит вокруг вас, также становится гораздо более важным», — сказал Ву.«Дисциплины, такие как целостность сигнала и целостность питания, должны быть хорошо поняты, когда вы используете эти методы, когда вы пытаетесь получить гораздо более низкую мощность за счет манипулирования напряжением и частотой. Что я наблюдал за последние пару десятилетий, так это то, что дизайн и архитектура чипа перестали быть в некотором роде изолированными или немного изолированными от физических реалий того, что происходит в системе. В наши дни вы должны быть намного лучше осведомлены о том, что физически происходит в системе.Таким образом, это понимание напряжения, шума, мощности элементов вокруг вас и динамической природы того, как может двигаться напряжение. Целостность питания действительно важна наряду с целостностью сигнала. Архитекторы микросхем и разработчики систем должны лучше понимать физическую среду, в которой они работают».

Динамическая мощность и мощность утечки
Мощность необходимо рассматривать на нескольких уровнях. Ток утечки становился все более проблематичным с 40 нм до 16/14 нм, когда внедрение finFET решило проблему для пары технологических узлов.Но с тех пор утечка неуклонно растет, что требует новой конструкции затвора для контроля статической утечки ниже 5 нм. Эта утечка продолжает разряжать батареи, даже когда устройство выключено, и может увеличить тепловыделение устройства.

Динамическая мощность, напротив, становилась все хуже на каждом новом узле из-за увеличения плотности. Тепло необходимо направлять, а логику часто необходимо разрабатывать в контексте других соседних компонентов, иногда используя подход в виде шахматной доски для предотвращения различных физических эффектов.

«В узлах с более старыми технологиями преобладает активная мощность, поэтому все эти часы, где данные не активны, могут быть стробированы — и существует множество методов для выполнения стробирования часов», — сказал Маллик Вусирикала, директор, специалист по продуктам в Ansys. . «Но с переходом на технологические узлы, где мощность утечки преобладает, мы начали использовать силовые выключатели. Вместо того, чтобы просто блокировать логику, мы блокировали всю мощность. С каждым из этих методов возникают разные проблемы».

Для стробирования часов требуется логическая проверка.«Но с точки зрения источника питания, что произойдет, если вы внезапно отключите огромное количество энергии с помощью тактового вентиля? Если часы контролируют огромное количество логики и вдруг выключаются, это означает, что возникает внезапная потребность в энергии», — пояснил Вусирикала. «Как вы контролируете такой тип потребления энергии? Питание должно поступать через аккумулятор, а между ними находится пакет. Это означает, что индуктивность велика. Природа катушки индуктивности такова, что она не допускает быстрого изменения тока.Это означает, что огромный ток, потребляемый микросхемой, должен удовлетворяться достаточно хорошо, чтобы не вызвать динамического падения напряжения. На данный момент существуют способы анализа переходного характера источника питания с использованием инструментов анализа, которые измеряют величину падения напряжения при определенном нарастании напряжения. Обратная связь с дизайном заключается в том, что вы не можете разблокировать так много часов за один раз. Возможно, вам придется отказаться от него. Возможно, вам придется посмотреть на 20 циклов вперед, а затем вы начнете медленно сбрасывать часы.

В этой ситуации может помочь анализ переходных процессов питания, который изменяет мощность и анализирует падение напряжения. Этот анализ может быть выполнен различными способами. Анализ может быть выполнен на любом уровне экземпляра для определения влияния падения напряжения. В интерфейсе уровня корпуса и кристалла можно использовать инструменты, которые моделируют весь чип, используя подход подсхемы SPICE. Это включает в себя изменение мощности, чтобы увидеть влияние шума источника питания, что также касается корпуса.

По словам Вусирикала, после включения питания огромное количество незаряженных доменов начинает заряжаться.«Это означает, что для зарядки всего импульсного источника питания требуется огромное количество тока. Это снова означает, что переключатели должны быть выключены последовательно, а для включения будут использоваться различные типы транзисторов. Здесь можно использовать слабые переключаемые транзисторы во время включения блока. Но как только блок включен, он должен работать на скорости, а это означает, что его потребляемый ток намного, намного выше, поэтому будут использоваться разные мощности транзисторов, когда конкретный блок разгоняется и пока он работает.

Определение оптимальной последовательности переключателей питания — это еще один тип анализа, который следует проводить, чтобы избежать проблем при проектировании маломощных устройств. Существуют способы анализа того, сколько переключателей необходимо и в какой последовательности их нужно включать. Когда они включены, как это повлияет на другие экземпляры? Это должно быть тщательно проанализировано, потому что это определяет размещение ячеек. Сколько переключателей вставлено и в какой последовательности включаются выключатели.

Также необходимо провести логические проверки, чтобы определить влияние шума источника питания и определить, как лучше реализовать питание. «Если есть сигнал, идущий из коммутационного домена в другой коммутационный домен, между шинами питания необходимы изолирующие ячейки, потому что, если ворота терминала висят, это идет от коммутируемого источника питания, а он выключен», — сказал Вусирикала. . «Если он управляет транзистором в рабочем состоянии, затвор входит в переходную фазу, и он будет сильно течь.Чтобы учесть все эти вещи, существуют логические проверки, которые следует выполнять при переходе сигналов из одного домена мощности в другой домен мощности. У вас есть изолятор или переключатель уровня? Переключатель уровня — еще один ключевой аспект конструкции с низким энергопотреблением, который необходимо учитывать. Если сигнал управляется, скажем, от 0,8 вольта до области 1,2 вольта, необходим сдвигатель уровня, потому что, если сдвигателя уровня нет, пороговое значение 1,2 вольта будет отличаться от порогового значения 0.8 вольт, поэтому он может одновременно включать стеки PMOS и NMOS. Это своего рода проверки, которые обеспечивают надлежащую изоляцию, а надлежащие сдвигатели уровня добавляются в домены мощности на входе сигнала».

Заключение
По мере того, как конструкции стремятся к все меньшей и меньшей мощности, технологии становятся намного богаче.

«У этого есть два аспекта», — сказал Нот Каденс. «Один из них находится на этапе предварительного внедрения, когда вы можете проверить свою энергоэффективность, и мы можем сказать вам, какие строки нужно отредактировать, чтобы восстановить X милливатт.Другой угол касается ситуации повторного использования RTL, когда вам не разрешено редактировать RTL. Прелесть здесь заключается в том же инструменте, который обеспечивает повышение эффективности энергопотребления, а также в том, что управляемое снижение энергопотребления интегрировано со средой синтеза и размещения и маршрутизации. Таким образом, в процессе внедрения некоторые вещи, которые потребовали бы редактирования RTL, могут быть применены автоматически. Формальная верификация может иметь решающее значение здесь, потому что она может выполнять некоторые из этих операций автоматически.Вам не нужно редактировать RTL, но вам все равно нужно расставить точки над i и зачеркнуть t; вам все равно нужно убедиться, что он формально эквивалентен».

С технологической точки зрения это очень важно, сказал Кнот, потому что большие изменения приведут к значительному снижению энергопотребления, особенно энергии. «Большие энергетические победы — это архитектурная игра», — сказал он. «Они не достигаются добавлением сюда клеток с высоким VT. Мы говорим об изменении тактовой частоты, или о переходе от фиксированной точки к плавающей, или о том, какой ширины должна быть определенная шина? Большие, мясистые вещи, которые имеют большое значение, когда речь идет о силе и энергии.

Связанные материалы
Информационный бюллетень с низким энергопотреблением и высокой производительностью
Июль 2021 г.
Проектирование микросхем и систем с низким энергопотреблением
Повышение производительности и эффективности на порядки возможно, но добиться этого непросто.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.