Компоненты и технологии 2020-01 (222)

проектирование 99

ции шины USB 3.1 gen 1 [12], на случайный джиттер отводится не бо- Рис. 5. График зависимости Wd(σ)
лее 20,5% битового интервала для сигнала на входе приемника, или
41% периода рассматриваемого сигнала, что можно принять соответ- В ходе предварительных исследований было установлено, что у КГ
ствующим интервалу в 6σ с вероятностью 99,7% [13], отсюда значение рассматриваемого класса проявляется слабая зависимость частоты
σ составляет около 7% в долях периода следования прямоугольных выходного сигнала от напряжения питания. Взятый для измерений
импульсов. Примем максимальное значение σ равным 0,1. образец КГ продемонстрировал практически линейное изменение вы-
ходной частоты на 2000 Гц (kf0 = 1000 Гц) при увеличении напряжения
При выполнении расчетов значения функций S(σ) определялись электропитания в интервале 3,5–5 В при заявленном номинальном его
с учетом требований статистической повторяемости на основе много- значении (5 ±0,5) В. Работа КГ вне установленного диапазона напряже-
кратного разложения в ряд Фурье функции ug(t) = cos(2πFt+2πAk), где ний питания в рамках проведенных экспериментов была обусловлена
Ak — случайная величина, постоянная для периода k функции cos(2πFt) отсутствием в доступности КГ с управляемой частотой, хотя таковые,
при отсчете значений t от начальной временной точки –0,5N/F, причем безусловно, на рынке имеются. При проведении измерений КГ и вспо-
N >> 1. Значения Ak определялись розыгрышем нормально распределен- могательные элементы размещались на макетной плате.
ной случайной величины с дисперсией σ. Функции S(σ) присваивалось
усредненное значение гармоники N такого разложения, полученное для Кварцевый генератор работал в одном из двух режимов электро-
50-кратной реализации изложенного алгоритма. питания:
• с постоянным напряжением при неизменной амплитуде выходного
Результаты расчета функции Wd(σ) представлены на рис. 5. Они
получены при N = 100. Выбранные параметры расчета обеспечивали сигнала (режим 1);
статистическую сходимость не хуже 1%. Как следует из представ- • с напряжением, изменявшимся по синусоидальному закону с ча-
ленного графика, увеличение дисперсии случайной фазы приводит
к некоторому снижению амплитуд спектральных составляющих рас- стотой 1 кГц в интервале значений 3,5–5 В при соответствующем
щепленного спектра за счет сопутствующей их модуляции случайны- уменьшении амплитуды выходного сигнала КГ (режим 2).
ми процессами. При σ = 0,1 снижение произвольной составляющей Схемы измерений, представленные на рис. 6, включали програм-
спектра в окрестности частоты nf0 составит около 1,7 дБ. мируемый источник постоянного тока R&S HMP2030, на котором
было установлено напряжение электропитания 5 В. Питание КГ в ре-
Для эффективного использования УД он должен быть явно выражен жиме 2 обеспечивалось подачей напряжения с измерительного уси-
в ЦУ без маскирования случайным джиттером. Важным аспектом при- лителя в составе генератора АНР-1041 с выходным сопротивлением
менения УД является то, что пределы изменения битового интервала около 2,5 Ом. На вход усилителя подавалось выходное напряжение
не должны превысить границы, за которыми теряется стабильность генератора R&S HMF2550, предназначенного для формирования сиг-
функционирования ЦУ. Поэтому управляемый джиттер требует оцен- налов стандартных и произвольных форм.
ки характеристик остальных его составляющих с помощью современ- В обоих режимах кварцевый генератор работал без нагрузки, а к его
ных средств измерений, и в некоторых случаях его использование будет выходу подключался изогнутый проводник длиной около 10 см.
невозможным из-за отсутствия достаточного запаса по джиттеру. Поскольку потребляемый без нагрузки кварцевым генератором ток со-
ставляет в среднем около 10 мА и зависит от уровня напряжения на вы-
Обобщение полученных результатов ходе КГ, для стабилизации нагрузки источника питания параллельно
на сигналы непериодического характера выводам питания КГ было установлено сопротивление номиналом
51 Ом. Характеристики выходного сигнала генератора R&S HMF2550
Известно [4], что спектр непериодического сигнала является сплош- были выбраны таким образом, чтобы на этом сопротивлении без под-
ным и соответствует огибающей линейчатого спектра этого же сигнала ключения КГ напряжение в режиме 2 изменялось в интервале 3,5–5 В,
с периодическим повторением, что обусловлено слиянием его линий а по достижении этого в макетную плату устанавливался КГ.
при предельном переходе к бесконечному периоду повторения. В общем При исследовании помехоэмиссии с использованием схемы
случае в картине помехоэмиссии, формируемой ЦУ, будут наблюдаться на рис. 6б вблизи макетной платы размещалось ферритовое коль-
как широкополосные помехи, так и спектральные пики, вызванные цо, через которое проходил один из проводов электропитания. Это
периодическими тактирующими сигналами. Исходя из принципа пере- необходимо для ослабления электромагнитного излучения от цепей
хода к спектрам непериодических сигналов, использование управля- питания КГ, которое в режимах 1 и 2 будет разным из-за разной кон-
емого джиттера будет приводить к снижению помехоэмиссии обоих фигурации схемы. Согласно описанию [15], применявшееся ферри-
названных компонентов. Таким образом, если, как это было показано, товое кольцо имеет полное сопротивление 90–147 Ом в интервале
периодический цифровой сигнал с УД как последовательность нулевых частот 100–240 МГц.
и единичных битов представлен совокупностью спектральных состав- В качестве основного средства измерений использовался осцил-
ляющих вблизи частот nf0, то огибающая спектра для битовой после- лограф R&S RTO2044 с полосой 4 ГГц и четырьмя каналами. В схеме
довательности произвольного характера уже не будет проходить через на рис. 6а на первый канал осциллографа подавалось выходное на-
амплитудные значения гармоник (1), а будет, как ожидается, находиться пряжение КГ, а на второй (только в режиме 2) — напряжение его
на уровне |anJi(m)| < |an|, что и определяет снижение помехоэмиссии. электропитания. В схеме на рис. 6б на первый канал также подава-
лось выходное напряжение КГ, а на второй — сигнал с пробника
Экспериментальная оценка R&S RSE02 из состава комплекта R&S HZ-15, предназначенного для
эффективности использования УД
для снижения эмиссии излучаемых радиопомех,
формируемых периодическими сигналами

объект исследований, оборудование и измерительная оснастка
Как следует из теории УД, его проявление возможно при нали-

чии зависимости частоты формирования импульсов от некоторого
управляющего воздействия. В качестве объекта исследований был
выбран кварцевый генератор (КГ), предназначенный для использо-
вания в ЦУ с компонентами КМОП или ТТЛ в источнике тактирова-
ния. Линейка КГ выбранного типа включает образцы с номиналами
частот 1–100 МГц. Для проведения эксперимента был выбран КГ
с номиналом тактовой частоты 80 МГц.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

100 проектирование

а б
Рис. 6. Схемы измерительной установки: а) при исследовании джиттера сигнала, формируемого КГ; б) при оценке уровня помехоэмиссии

Рис. 7. Фотография измерительной установки в одном из режимов измерений в режиме 2 составляет 635 кГц. Это соответ-
ствует арксинусоидальному распределению,
исследования электрических и магнитных зовался особый режим синхронизации с при- но лежащему в существенно более широких
полей. нудительным запуском развертки через 1 мс, границах, чем ожидаемые. Оно имеет прева-
то есть через период управляющего джитте- лирующий характер и маскирует нормаль-
Фотография измерительной установки ром напряжения питания КГ. На рис. 8а пред- ное распределение, имевшееся в режиме 1.
при работе КГ в режиме 2 в ходе исследо- ставлена гистограмма распределения им- Полученное противоречие между измеренны-
вания помехоэмиссии приведена на рис. 7. пульсов по частоте и результаты измерений ми значениями интервала измерений частоты
Микросхема, установленная на монтаж- в табличной форме, полученные при ис- при постоянном напряжении питания из ин-
ную плату, не подключалась к напряжению пользовании схемы измерений на рис. 6а. тервала 3,5–5 В и при синусоидальном законе
электропитания и служила для неизменно- Распределение соответствует нормальному его изменения требует правильной трактовки.
го размещения пробника ближнего поля и имеет среднее значение M = 79,996 МГц.
R&S RSE02, что необходимо для обеспечения Среднеквадратичное отклонение σ составляет При построении гистограммы осцилло-
повторяемости и сопоставимости результа- 60,85 кГц. Наличие двух максимумов, равно- граф R&S RTO2044 отсчитывает значение ча-
тов измерений. удаленных от среднего значения, указывает стоты повторения импульсов относительно
на наличие детерминированного джиттера некоторого опорного уровня, выбранного
результаты и особенности [3, 14]. На рис. 8б представлена аналогичная автоматически на основе анализа входного
оценки джиттера КГ гистограмма для режима 2 работы КГ, име- сигнала. В то же время, как это видно в верх-
при наличии и отсутствии уД ющая характерный провал в районе сред- ней части рис. 8б, изменение напряжения
ней частоты (М = 80,024 МГц) и максимумы электропитания по гармоническому закону
Согласно представленному описанию из- вблизи частот 79,46 и 80,58 МГц (интервал приводит к модуляции импульсов на выходе
мерительной установки, в режиме 1 джиттер изменения частоты 1120 кГц), симметрично КГ по амплитуде, в результате чего опорный
выходного сигнала КГ должен определяться расположенные относительно математиче- уровень также требует смещения. Но посколь-
случайными факторами и иметь нормальное ского ожидания распределения. Значение σ ку он постоянен, а работа КГ сопровождается
распределение. Для получения распределений непрекращающимися переходными процес-
джиттера, представленных на рис. 8, исполь- сами с нерегулярным смещением фронтов
и спадов, то измеренное значение произведе-
ния kf0 составляет 560 кГц, что существенно
превосходит определенное для статического
режима значение 1 кГц. Если исходить из ра-
венства kf0 = 560 кГц, то для первой гармо-
ники и частоты управления джиттером 1 кГц
индекс модуляции составляет m = 560, что
не соответствует действительности, посколь-
ку для имеющегося образца КГ и выбранных
условий измерений для первой гармоники
расчетное значение m = 1, что подтверждают
и приведенные ниже результаты оценки сни-
жения помехоэмиссии.

Представленный пример показывает, что
при оценке границ колебаний частоты при
реализации управляемого джиттера имеются
особенности, способные привести к ошибоч-
ным результатам такой оценки. При этом,
как это было продемонстрировано в [14],
осциллографы серии R&S RTO позволяют
выполнять анализ различных показателей
джиттера. Снятие статической частотной ха-
рактеристики КГ может быть выполнено как

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

проектирование 101

аб

Рис. 8. Распределения импульсов по частоте: а) в отсутствие управляемого джиттера (режим 1); б) при наличии управляемого джиттера (режим 2)

при помощи частотомера, так и с использо- будет включать ряд гармоник на кратных ча- полнялся в автоматическом режиме. Как
ванием спектрального анализа по вариации стотах, как это рассмотрено в начале статьи. видно из полученных результатов, гармо-
частоты первой гармоники. Для определения их амплитуды использо- ники претерпевают расщепление на отдель-
валась функция быстрого преобразования ные составляющие. Для дальнейшего анали-
наблюдение расщепления спектра Фурье (БПФ), реализуемая математической за результаты оценки их амплитуд сведены
при переходе к уД обработкой в осциллографе R&S RTO2044. в таблицу. В ней обозначение an′ присвоено
и оценка снижения помехоэмиссии уровню максимальной гармоники в окрестно-
На рис. 9а представлены результаты такой сти частоты nf0 при наличии УД, измеренное
Суть выполнения измерений состояла оценки, полученные для режима 1 для первой, значение ослабления помехоэмиссии состав-
в оценке помехоэмиссии в отсутствие и при второй и третьей гармоники, а на рис. 9б–г — ляет V*изм = an–an′. Оценочные значения V*
наличии УД в схеме на рис. 6б. Поскольку спектрограммы, построенные для режима 2 рассчитывались с использованием аппрокси-
формируемый КГ сигнал в режиме 1 являет- в окрестности их частот с полосой разреше- мирующего уравнения (10) при γ >> 1.
ся периодическим, то спектр помехоэмиссии ния 100 Гц. Поиск максимумов спектра вы-

аб

в г

Рис. 9. Спектрограммы, полученные с использованием функции БПФ осциллографа R&S RTO2044: www.kite.ru
а) в режиме 1 для всех гармоник; б) в режиме 2 для первой гармоники; в) в режиме 2 для второй гармоники; г) в режиме 2 для третьей гармоники

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

102 проектирование

вательностей требует проведения дополни- схем. В ходе приборного контроля оценива-
тельных экспериментов.
Таблица. Результаты измерений и расчетов ются показатели управляемого и неуправ-
для оценки эффективности УД Особенности практической
реализации управляемого ляемого джиттера, контролируется сниже-
джиттера в цифровых устройствах
Значение Номинальная частота, МГц (номер гармоники n) ние уровня спектральных составляющих
параметра Результаты, полученные при развитии
80 (1) 160 (2) 240 (3) теории управляемого джиттера, указывают и — при необходимости — глазковые диа-
an, дБм на основные пути его реализации. Поскольку
an′, дБм –29,3 –54,4 –35,2 ЦУ обычно имеет внешние подключения граммы. Основным требованием для таких
V*изм, дБ –31,7 –55,6 –39,8 с использованием стандартных интерфейсов,
то источник УД должен находиться непо- измерений является высокое качество реа-
m 2,4 1,2 4,6 средственно в ЦУ. Наиболее простым реше-
V*, дБ 1 2 3 нием является применение тактовых генера- лизации соответствующих функций средств
1,9 4,3 5,7 торов с перестраиваемой частотой, при этом
синусоидальный сигнал подается на управ- измерений, которое достигнуто, например,
ляющий вход тактового генератора.
в осциллографах серий RTO и RTP компа-
При использовании УД значение k в ти-
повых случаях находится в интервале нии Rohde&Schwarz. n
0,0001–0,01, что позволяет сохранить стабиль-
Как следует из таблицы, для первой и тре- ность работы ЦУ. В то же время техническое Литература
тьей гармоник разность теоретической решение, основанное на зависимости выход-
и экспериментальной оценок составляет 0,5 ной частоты неуправляемых КГ от напряже- 1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для
и 1,1 дБ при наибольшей разнице в 3,1 дБ ния питания и использованное в эксперимен- цифровой быстродействующей аппаратуры. М.:
для второй гармоники, которая отсутству- тальной части статьи, нельзя рекомендовать ООО «Группа ИДТ», 2007.
ет в спектре идеализированной последо- к широкому практическому применению,
вательности прямоугольных импульсов. поскольку уменьшение питающего напряже- 2. Бузов А. Л., Быховский М. А., Васехо Н. В. и др.
Полученное расхождение в оценках эффек- ния приводит и к снижению выходного на- Управление радиочастотным спектром и элек-
тивности управляющего джиттера определя- пряжения КГ сверх допустимого предела, что тромагнитная совместимость радиосистем. Под
ется погрешностью: может стать источником сбоев в работе ЦУ. ред. Быховского М. А. М.: Эко-Трендз, 2006.
• аппроксимирующего уравнения (10), оце- Для неуправляемых КГ зависимость частоты
от напряжения питания не всегда является ли- 3. Кечиев Л.Н. Печатные платы и узлы гигабитной
ниваемой в 1 дБ; нейной, и потому реализация моногармони- электроники. М.: Грифон, 2017.
• измерений значений an и an′, которую мож- ческого закона управления тактовой частотой
на основе простых схемных решений оказы- 4. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигна-
но оценить в 1 дБ и которая обусловлена вается затрудненной. Наконец, снижение пи- лы. М.: Высшая школа, 2003.
некоторой неточностью позиционирова- тающего напряжения, как это показано в [14],
ния пробника ближнего поля. всегда повышает случайный джиттер, что мо- 5. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции.
Ожидаемый уровень четных гармоник для жет оказаться неприемлемым для некоторых Пер. с англ. Кармашева В. С., Кечиева Л. Н. М.:
периодических, например тактовых, сигна- видов цифровых устройств и интерфейсов. Издательский дом «Технологии», 2003.
лов будет находиться в среднем на 15–25 дБ
ниже, чем уровень предыдущих нечетных Таким образом, для реализации УД требу- 6 Лемешко Н. В. Теоретические основы модели-
гармоник. При использовании уравнения (10) ется продуманное и обоснованное использо- рования сертификационных испытаний радио-
для решения практических задач необходимо вание специализированной компонентной электронных средств по эмиссии излучаемых
учитывать, что для четных гармоник оно, по- базы. радиопомех. Монография. М.: МИЭМ, 2012.
видимому, будет давать более оптимистичные
оценки снижения помехоэмиссии. Заключение 7. ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость техниче-
Важно отметить, что собственный джиттер ских средств электромагнитная. Приборы
выходного сигнала КГ, выраженный в раз- Использование УД является одним из ин- для измерения индустриальных радиопомех.
бросе значений периодов сигнала на гисто- струментов снижения помехоэмиссии и от- Технические требования и методы испытаний».
грамме на рис. 8а и тем более на рис. 8б, су- носится к модификации сигналов — самому М.: Издательство стандартов, 2000.
щественно больше вводимой управляемой молодому из направлений электромагнит-
компоненты, которая даже не выражена ной совместимости. Эффективность при- 8. ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 «Совместимость тех-
в явном виде. Тем не менее спектрограммы менения УД для снижения помехоэмиссии нических средств электромагнитная. Требования
на рис. 9а–г убедительно свидетельствуют получила теоретическое обоснование и экс- к аппаратуре для измерения параметров инду-
в пользу уменьшения помехоэмиссии при периментальное подтверждение. Несмотря стриальных радиопомех и методы измерений.
расщеплении гармонических составляющих. на то, что при проектировании ЦУ такое Часть 1–1. Аппаратура для измерения параметров
Следовательно, использование УД возможно снижение не становится самоцелью, в ряде индустриальных радиопомех и помехоустойчи-
и в системах с высоким уровнем собственно- случаев оно может оказаться наиболее де- вости. Приборы для измерения индустриальных
го джиттера, обеспечивающего значитель- шевым решением при доработке изделий радиопомех». М.: Стандартинформ, 2008.
но больший разброс значений частоты, чем и планировании мероприятий по обеспече-
управляемая компонента. Это создает воз- нию электромагнитной совместимости, что 9. Корякин В. С., Кравчук Ю. В., Лебедева О. В.
можность применения УД, например, в пер- и определяет его ценность. и др. Измерители радиопомех. Под ред.
спективных высокоскоростных интерфейсах Фастовского И. А. М.: Связь, 1973.
и тактовых сигналах, а также ЦУ высокого Практическое использование УД требует
быстродействия при значительных диэлек- контроля параметров расщепления спектра, 10. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М.
трических потерях в печатных платах и по- например с помощью рассмотренных выше Численные методы. Изд. 6-е. М.: Бином —
ниженном напряжении электропитания, ко- Лаборатория знаний, 2008.
торые всегда сопровождаются увеличением
джиттера. 11. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические
Таким образом, эффективность использо- измерения физических величин. Измеритель-
вания УД получила практическое подтверж- ные преобразователи. М.: Энергоатомиздат,
дение на примере периодических сигналов, 1983.
в частности реализующих тактирование
в цифровых устройствах. Аналогичная оцен- 12. Universal Serial Bus 3.2 Specification. Rev.1,
ка для непериодических битовых последо- 22.09.2017. www.usb.org

13. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М.:
Эдиториал УРСС, 2001.

14. Лемешко Н. В., Струнин П. А. Современные
возможности анализа джиттера в высоко-
скоростных цифровых устройствах на при-
мере опции R&S RTO-K12 // Контрольно-
измерительные приборы и системы. 2019. № 2.

15. Fair-Rite Product’s Catalog. Part Data Sheet,
044380640. 2014.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

103

Реклама

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

104 проектирование

Платформа сбора данных
для вычисления температуры
кристалла и диагностирования
состояния преобразователя

Ангус БРАйАНТ Точное вычисление температуры кристалла силового модуля является
Перевод: основой для надежности в эксплуатации силовых преобразователей.
Amantys Power Electronics Ltd разработала новаторскую технологию вы-
Александр жеУхИН числения температуры кристалла и воплотила ее в своей новой измери-
тельной платформе, предназначенной для лабораторных и полевых ис-
[email protected] пытаний, которая позволяет проводить тонкую настройку систем перед
их запуском в серийное производство. В статье описываются принципы
работы технологии и ее использование в широком спектре приложений.

Введение Amantys разработала систему вычисле- в области, где осциллографы нельзя разме-
ния температуры кристалла (рис. 1), кото- стить стационарно, а проблемы могут быть
Вычисление температуры кристалла — рая позволяет производителям преобразо- периодичными или нестационарными.
это ключевая технология для «умных» пре- вателей и разработчикам стеков питания
образователей. Увеличения номинального использовать уникальную технологию. Она Что такое вычисление
тока преобразователя можно достичь либо может быть установлена на фазе преоб- температуры кристалла?
работой в предельных режимах, либо обеспе- разователя с номинальным напряжением
чив возможность динамического изменения до 3300 В и включает гальваническую раз- Оценку температуры кристалла (Tj),
значений тока. Во всех случаях оператор мо- вязку (изоляцию), встроенную обработку по факту полупроводникового перехода, вы-
жет извлечь выгоду при заблаговременном и регистрацию данных. Система оптималь- полняют на основе чувствительных к темпе-
предупреждении о превышении кристаллом на для лабораторной проверки технологии ратуре электрических характеристик (TSEP)
допустимой температуры или рабочих на- Amantys. Например, во время проведения ти- IGBT-транзистора и диода, значения которых
пряжений. Эти данные увеличивают свою повых тестов она действует как инструмент измеряют на модуле IGBT. Таким способом
ценность при повышении мощности преоб- регистрации данных, не зависящий от кон- определяют температуру полупроводнико-
разователей и снижении стоимости эксплуа- троллера преобразователя. Она также может вого перехода непосредственно на кристалле.
тации приборов. быть использована для диагностики проблем Альтернативный метод онлайн-моделирова-
ния температуры перехода основан на дета-
Рис. 1. Система вычисления температуры кристалла Amantys лизированной тепловой модели и расчетах
потерь мощности для получения значений
Tj. Этот метод применяют производители
преобразователей, работающих от перемен-
ного тока низких частот. Он не позволяет
фиксировать процесс деградации модулей.
Преимущество технологии Amantys заклю-
чается в применении алгоритма автомати-
ческой калибровки, не требующего создания
детализированной тепловой модели.

Подробный пример оценки Tj на основе
регистрации изменений электрических ха-
рактеристик в силовых устройствах приведен
в [1]. Падение напряжения во включенном
состоянии — единственный TSEP-параметр,
общий для всех силовых устройств с любой
схемой переключения преобразователей
и для всех методов управления функциони-
рованием драйверов затвора. Благодаря этой
особенности разработана универсальная тех-
нология для использования в любых преоб-
разователях, требующая выполнения точных

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

проектирование 105

замеров характеристик тока в режиме вклю-
чения транзистора и падения на нем прямо-
го напряжения во включенном состоянии.
TSEP-параметры, определяемые на основе
замеров значений напряжения на затворе
(например, внутреннее сопротивление затво-
ра [2] или порогового напряжения затвора
MOП-транзистора), неприменимы по отно-
шению к диоду. Установка датчиков предпо-
лагает внесение изменений в конструкцию
драйвера затвора, поэтому данный метод
не подходит для широкого применения.

Измерения

Система вычисления температуры кри- Рис. 2. Примеры измеренных нормализированных сигналов VCE(ВКЛ) и IС(ВКЛ), полученных при напряжении постоянного
сталла создана для точного измерения па- тока 500 В (IC(ВКЛ) относительно номинального рабочего тока транзистора)
дения напряжения обоих ключей во вклю-
ченном состоянии в плече полумоста. При Рис. 3. Пример I-V-диаграммы рассеивания IGBT-транзистора. Цвет характеризует температурное состояние термистора
замерах определяются отрицательные и по- NTC-модуля (°C), а IC(ВКЛ) относительно номинального значения тока транзисторного модуля
ложительные изменения значения падения
напряжения на IGBT и антипараллельном ности калибровки. Ее необходимость об- в 10 мВ приведет к неточным расчетам тем-
диоде. Также производятся измерения на- условлена широким разбросом электриче- пературы с погрешностью до 10 °C). В лабо-
пряжения в цепи постоянного тока, фазного ских характеристик в партиях производимых раторных условиях погрешность измерений
тока, скважности ШИМ и внешней темпера- устройств [3] (погрешность измерений всего может быть устранена трассировкой кри-
туры модуля.

Система вычисления может проводить
замеры как при помощи NTC-термистора
внутреннего модуля, так и внешнего датчи-
ка температуры (термистор NTC или PTC,
датчик PT1000), обеспечивая поддержку ши-
рокого диапазона типов модулей. Измерения
записываются с частотой дискретизации 1 мс
с последующей агрегацией сигналов по каж-
дому периоду выборки.

Для измерения значений тока можно ис-
пользовать датчик Холла одним из предло-
женных методов:
• с применением датчика фазного тока

преобразователя с последующей подачей
сигнала через систему вычисления пара-
метров;
• путем подключения дополнительного дат-
чика тока, при этом датчики Роговского
неприменимы, поскольку они неспособны
измерять постоянный или низкочастот-
ный переменный ток.
На рис. 2 показаны примеры сигналов
измерений, полученных с испытательной
установки с применением модуля полумо-
ста открытого типа с расчетными параме-
трами тока 1700 В/600 А и работающего при
напряжении шины постоянного тока 500 В.
Это свидетельствует о высокой точности
проводимых измерений при включенном со-
стоянии. Графики напряжения и тока вклю-
ченного состояния на диаграмме по всей
площади профиля (рис. 3) подтверждают
высокую точность замеров, поскольку в про-
тивном случае визуализация полученных
данных была бы затруднена.

Автоматическая калибровка Tj

Корректность оценки Tj-параметров Рис. 4. График калибровки. Значение пикового тока Ipk относительно номинального тока устройства
в энергетических системах зависит от точ-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

106 проектирование

а вой, но этот метод требует временных затрат
и неприменим в устройствах промышленного
б назначения. Напряжение «коллектор — эмит-
тер» в многочиповых модулях зависит так-
в же от соединительных проводков, которые
подвержены деградации. Поэтому значения
г TSEP-параметров должны отслеживаться
непрерывно для поддержания надлежащей
Рис. 5. Проверка оценочных значений Tj-параметра на IGBT-транзисторе: точности определения Tj. Модификация то-
a) полный график, включая цикл калибровки 0–300 с; б) случайная нагрузка при pf = 0 и низкой частоте (1 Гц); пологии преобразователя (например, [4]) —
в, г) участки графика, соответствующие испытаниям, проводимым при движении автомобиля дорогостоящий процесс, нецелесообразный
для практического применения.

Алгоритм автоматической калибровки
от Amantys позволяет упростить процесс
калибровки параметров TSEP. Он интегри-
рован в систему вычисления параметров,
которая регистрирует значения всех необхо-
димых характеристик. Для этого требуется
упрощенный нагрузочный профиль пре-
образователя длительностью до 5 мин (как
на рис. 4). При этом понадобится индуктив-
ная нагрузка (нулевой коэффициент мощ-
ности) и изменение температурных режимов
в основании (на радиаторе), достигаемые
уменьшением потока охлаждающей жидко-
сти или снижением частоты вращения вен-
тилятора. Такой тест может быть проведен
в рамках типовой проверки устройства, про-
водимой на конечном этапе производства.
Также предусмотрена повторная калибровка
системы в режиме онлайн (непосредственно
в процессе работы преобразователя).

Примеры работы алгоритма автомати-
ческой калибровки продемонстрированы
на рис. 5, где на графиках указаны значения
оценочной и фактической (измеренной)
температуры. Фактическая температура из-
мерялась с помощью пирометрических
инфракрасных датчиков температуры —
по одному над каждым чипом в модуле (три
чипа на устройство). Они характеризуются
относительно большим периодом отклика.
Расчетная температура определяется с часто-
той 1 мс при помощи откалиброванных TSEP
и на основе замеров напряжения во включен-
ном состоянии. Для наглядности часть зна-
чений не указана, для соответствия с учетом
времени отклика инфракрасных датчиков.

Полученный график включает четыре
5-минутные секции: калибровка, произволь-
ная нагрузка при нулевом коэффициенте
мощности, режим эксплуатации автомобиля
(городской ездовой цикл FTP-75 по стандар-
ту EPA) и функционирование при постоян-
ном более умеренном потреблении.

Первоначальное несоответствие темпе-
ратуры на рис. 5а объясняется тем, что из-
начально TSEP использует данные ВАХ
(очередное подтверждение необходимости
точной калибровки). После калибровки рас-
четные и фактические значения температуры
различаются не более чем на 2 °C, а средне-
квадратичная погрешность определения
температуры составляет 1,3 °C для остальной
части графика. Расчетная и фактическая тем-
пературы эквивалентны на низких частотах

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

проектирование 107

Интеграция в преобразователь

Несмотря на то, что система вычисления
может использоваться при проведении лабо-
раторных испытаний, она не предназначена
для интеграции в преобразователи серийного
производства. Алгоритм оценки Tj может быть
встроен в контроллер преобразователя или
плату управления стеком инверторов, посколь-
ку они обеспечивают доступ ко всем необходи-
мым датчикам. Amantys стремится обеспечить
простоту интеграции технологии в преобра-
зователи серийного производства. Для уже су-
ществующих или модернизирующихся систем
возможно изготовление компактных версий.

Выводы

Рис. 6. Приложение для ПК, используемое совместно с системой оценки параметров Amantys Система вычисления Tj предлагает гибкую
и изысканную платформу для оценки техно-
(для пикового и среднего значений Tj) и при Также приложение отображает ВАХ для визу- логии Amantys и диагностики преобразовате-
высоких токах (режим вождения автомоби- ализации поведения системы во включенном лей. Точность измерения VCE(ВКЛ) в сочетании
ля, рис. 5б–г). Среднеквадратичная погреш- состоянии и оценки точности данных, неза- с алгоритмом автоматической калибровки,
ность определения температуры на диоде висимо от того, используется оценка Tj или разработанным Amantys для значительного
аналогична и составляет 1,4 °C. нет. Рис. 6 демонстрирует возможности этого упрощения процесса калибровки TSEP, —
приложения для ПК. краеугольный камень описываемой техно-
Регистрация данных логии. Рассматриваемая технология — пер-
приложение для мониторинга вая в своем роде универсальная технология
Описываемая система вычисления Tj- состояния системы оценки Tj, применимая к широкому спектру
параметра представляет собой комплекс- устройств, модулей и преобразователей. n
ную систему, включающую функционал Мониторинг состояния силовых полу-
регистрации данных. Результаты замеров проводниковых приборов осуществляет- Литература
записываются в файлы формата .csv (ча- ся двумя способами с применением тех-
стота обновления — 1 мс) и могут переда- нологии оценки Tj-параметров Amantys. 1. Baker N., Liserre M., Dupont L., Avenas Y.
ваться на накопители данных через четыре Во-первых, на основе данных, регистриру- Improved Reliability of Power Modules: A Review
USB-порта. Скорость передачи данных со- емых на протяжении нескольких месяцев, of Online Junction Temperature Measurement
ставляет около 11 Гбит/сутки (четырех обеспечивается возможность анализа из- Methods // IEEE Industrial Electronics. September
флэш-накопителей емкостью 512 Гбит до- мерений в автономном режиме (не в пре- 2014. Vol. 8. Iss. 3.
статочно для регистрации данных на про- образователе). Во-вторых, алгоритм ав-
тяжении 6 мес.). Полученные на основе за- токалибровки позволяет регистрировать 2. Denk M., Bakran M.-M. Junction Temperature
меров данные могут передаваться через изменения TSEP, свидетельствующие об из- Measurement during Inverter Operation using
Ethernet-соединение (SCPI). Последний вари- менениях в электрической или тепловой a TJ-IGBT-Driver // PCIM Conference Proceedings,
ант обеспечивает доступ ко всем сведениям системе и интерпретируемые как первые May 2015.
в режиме реального времени, например по- индикаторы износа или возникновения
ступающим с контроллера преобразователя. внештатных ситуаций. 3. Scheuermann U. Statistical Evaluation of Current
Imbalance in Parallel Devices // PCIM Conference
Proceedings. May 2016.

4. Ji B., Song X., Cao W., Pickert V., Hu Y.,
Mackersie J. W., Pierce G. In Situ Diagnostics and
Prognostics of Solder Fatigue in IGBT Modules
for Electric Vehicle Drives // IEEE Transactions on
Power Electronics. March 2015. Vol. 30. Iss. 3.

Визуализация ПО
для лабораторных исследований

Для упрощения регистрации и анали- Реклама
за данных специалисты Amantys создали
приложение для мониторинга результатов
измерений в режиме реального времени
и передачи оценочных значений Tj через
Ethernet-соединение. Оно позволяет осущест-
влять контроль как кратковременных (напри-
мер, значения напряжения и тока во вклю-
ченном состоянии), так и продолжительных
сигналов (в частности, среднеквадратичных
значений или пикового тока и температур).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

108 проектирование САПР

Анализ распределения
температуры и скорости
движения воздушного потока

в корпусе электронного устройства.

Часть 2

Татьяна КОЛеСНИКОВА В статье приведен обзор средств теплового анализа модуля FloEFD про-
[email protected] граммы Solid Edge. Подробно рассматривается анализ распределения
температуры воздуха в корпусе устройства, анализ температуры печатной
платы и ее компонентов, анализ тепловых потоков, визуализация траекто-
рий движения воздушного потока, нагнетаемого внешним и внутренним
вентиляторами.

Введение • «Объемные параметры» — определение минимального, макси-
мального, среднего и интегрального значений параметра, рассчи-
FloEFD — расширение программы Solid Edge, позволяющее про- танных в заданном объеме;
гнозировать поведение воздушного потока и теплопередачи внутри
и вокруг корпуса электронного устройства. Модуль обеспечивает • «Поверхностные параметры» — определение минимального, мак-
возможность разрабатывать конструкцию изделия с обоснованиями симального, среднего и интегрального значений параметра, рас-
на основе виртуального исследования, экономя время проектиро- считанных на выбранной поверхности;
вания и уменьшая потребность в изготовлении физических прото-
типов компонентов, платы и самого прибора. В FloEFD выполняют • «Точечные параметры» — определение значений параметров в вы-
анализ электронных устройств, созданных в среде Solid Edge (рис. 1а) бранных точках картины в сечении и картины на поверхности;
или импортированных из других САПР (рис. 1б).
• «Расчеты движения частиц» — визуализация траекторий дисперс-
Анализ результатов расчета ных частиц и получение различной информации об их поведении;

После определения входных данных и завершения расчета [4] вы- • «Характерные параметры» — определение подходящей температу-
полняют визуализацию и анализ полученных результатов, для чего ры текучей среды для расчета коэффициента теплоотдачи;
в редакторе FloEFD доступны для выбора (в списке «Результаты» окна
«FloEFD дерево анализа» (рис. 2а) или в меню «Добавить» ленты ин- • «Лучи» — визуализация траекторий лучей (если в проекте рас-
струментов (рис. 2б)) следующие инструменты: сматривается модель излучения Монте-Карло).
• «Картина в сечении» — визуализация распределения параметра Если результаты не загрузились автоматически, их добавляют

в сечении; из файла вручную, для чего в окне «FloEFD дерево анализа» правой
• «Картина на поверхности» — визуализация распределения пара- кнопкой мыши щелкают по элементу «Результаты», из контекстного
меню выбирают команду «Загрузить из файла», а затем в открыв-
метра на выбранных поверхностях модели; шемся окне «Загрузить результаты» выбирают на диске компьютера
• «Траектории потока» — визуализация траекторий потока в виде файл с расширением *.fld и нажимают кнопку «Открыть».

линий течения; анализ распределения температуры воздуха
• «Изоповерхности» — визуализация поверхностей, вдоль которых в корпусе устройства

значение выбранного параметра постоянно; Надежное функционирование электронного устройства возможно
• «Сетка» — отображение расчетной сетки; при нахождении температур его элементов в определенном диапа-
• «Анимация» — визуализация распределения параметра внутри зоне, что обеспечивают отводом тепла, выделяющегося в корпусе
устройства, во внешнюю среду. От температуры зависят характери-
модели с течением времени; стики всех электронных компонентов: сопротивление резисторов,
• «Отчет» — создание отчета о полученных результатах расчета проекта; емкость конденсаторов, коэффициент усиления операционных уси-
• «Картина тепловых потоков» — отображение тепловых потоков лителей и другие. Особенно сильно влияние температуры сказыва-
ется на работе аналоговых устройств, вызывая изменение выходного
между компонентами модели и элементами проекта в виде графа; напряжения у стабилизаторов напряжения, частоты у генераторов
• «Графики» — отображение изменения параметров вдоль заданного и т. д. У средств измерения изменение температуры вызывает появ-
ление дополнительной погрешности. В ряде случаев при повышении
направления или траектории. Для задания направления можно или понижении температуры в электронных устройствах может воз-
использовать кривые, двумерные и трехмерные эскизы, а также никнуть самовозбуждение, неустойчивая работа и иные нарушения
ребра модели; функционирования. В нормальных условиях работоспособность
• «Цели» — отображение параметров цели в табличной форме и ее устройства восстанавливается. Особенно неблагоприятно быстрое
изменения в проекте в виде графика; изменение температуры, вызывающее эффекты, связанные с нерав-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 109

а

б б

Рис. 1. Модель электронного устройства в графической области редактора FloEFD: а) созданная в Solid Edge; а
б) импортированная из редактора PADS Professional Layout системы Mentor Graphics PADS
Рис. 2. Инструменты визуализации и анализа
а бвг результатов расчета:
Рис. 3. Окно настроек анализа распределения температуры воздуха в корпусе электронного устройства, а) в списке «Результаты»
когда выбран способ визуализации: а) заливка; б) изолинии; в) векторы; г) сетка окна «FloEFD дерево анализа»;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 б) в меню «Добавить»
ленты инструментов редактора FloEFD

номерным прогревом электронной схемы
устройства. Кроме того, при повышенной
температуре значительно снижается надеж-
ность электронных компонентов.

В FloEFD распределение температуры воз-
духа в корпусе устройства можно представить
с помощью инструмента «Картины в сече-
нии» в виде цветовой карты. Для чего в списке
результатов в окне «FloEFD дерево анализа»
щелкают правой кнопкой мыши по элементу
«Картины в сечении» и в контекстном меню
выбирают команду «Добавить». В открыв-
шемся окне настроек (рис. 3) определяют
плоскость сечения (поле «Выбор»), в которой
необходимо отобразить результаты анализа.
Поле «Выбор» содержит три пиктограммы:
• «Зависимость» — выбор курсором мыши

в графической области проекта или в окне
«Навигатор» плоскости сечения или пло-
ской поверхности для создания картины
в сечении, параллельной выбранной пло-
скости или плоской поверхности. Имена
выбранных поверхностей отображаются
в виде списка в поле «Выбор»;
• «XYZ плоскости» — создание картины в се-
чении, параллельной одной из выбранных
с помощью переключателя плоскостей: XY,
XZ, YZ;
• «По нормали к экрану» — установка пло-
скости сечения по нормали к экрану.
В поле «Смещение» задают значение сме-
щения картины в сечении, делая это переме-
щением ползунка или вводом с клавиатуры.
После определения в поле «Показать» спосо-
ба визуализации распределения выбранного
параметра (в виде заливки, изолиний, векто-
ров, линий тока или сетки) в соответствую-
щем ему поле задают опции его отображения
в графической области проекта. Для визуа-
лизации заливкой в поле «Заливка» (рис. 3а)
определяют:
• параметр (поле «Параметр»), распределе-
ние которого необходимо визуализировать
(в нашем примере «Температура (текучая
среда)»);

www.kite.ru

110 проектирование САПР г
д
а

б

ве

Рис. 4. Визуализация распределения температуры воздуха в трехмерной модели электронного устройства в плоскости:
а) ХY; б) XZ; в) YZ, в виде заливки; г) ХY, в виде изолиний; д) ХY, в виде заливки и изолиний; е) ХY, в виде расчетной сетки, тип ячеек которой «В текучей среде»

• диапазон изменения выбранного параметра (поле «Корректировать зывают в абсолютных величинах, «Динамические векторы» — рас-
минимум и максимум»); пределение векторного параметра обновляется динамически при вы-
полнении действий с моделью). Для статических векторов указывают
• количество делений своего цвета, на которые разбивается заданный следующие опции:
диапазон параметра (поле «Количество уровней»). • «Параметр», распределение которого необходимо визуализировать
Для визуализации распределения параметра в виде изолиний
с векторами;
в поле «Изолинии» (рис. 3б) определяют: • «Корректировать минимум и максимум» — диапазон изменения
• параметр (поле «Параметр»), для которого необходимо построить
параметра;
изолинии; • «Расстояние» между начальными точками векторов;
• диапазон изменения выбранного параметра (поле «Корректировать • «Максимальный размер стрелки» — длина вектора в соответствии

минимум и максимум»); с максимальным значением параметра;
• количество изолиний, на которые разбивается заданный диапазон • «Отношение Min/Max размеров стрелки» — длина вектора в соот-

параметра (поле «Количество уровней»); ветствии с минимальным значением параметра;
• толщину отображаемых изолиний (поле «Толщина»); • «Раскрасить по» — способ раскраски векторов: в определенный
• отображение/скрытие значения выбранного параметра на изоли-
цвет или в соответствии с распределением параметра;
ниях (поле «Отобразить значения»); • определение «Системы координат»;
• способ раскраски изолиний (поле «Раскрасить по»): в определен- • «3D-векторы» — в зависимости от состояния опции выполняет-

ный цвет (значение «Фиксированный цвет») или в соответствии ся визуализация пространственных векторов (опция включена)
с распределением параметра (значение «По параметру»). или визуализация проекции векторов на поверхность (опция
В поле «Векторы» (рис. 3в) задают способ визуализации векторов отключена);
(«Статические векторы» — размеры векторов и их плотность ука-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 111

а

бв

Рис. 5. Динамический просмотр картины распределения температуры воздуха в сечении корпуса:
а) захват мышью двойной объемной стрелки и отображение расчетной сетки в сечении плоскости YZ; б) сдвиг плоскости YZ вправо; в) сдвиг плоскости ХY вверх

• «Градиентное распределение» — в зависи- «Сетка» указывают тип ячеек для отображения: Поле «Область отображения» содержит
мости от состояния опции задается неиз- «В текучей среде и в твердом теле» (на картине значения координат размещения граней
менное расстояние между всеми векторами в сечении отображаются все ячейки расчетной (Xmax и Xmin, Ymax и Ymin, Zmax и Zmin)
картины (опция выключена) или рассто- сетки), «В текучей среде» (на картине в сечении трехмерной области, ограничивающей про-
яние между векторами, которое зависит отображаются только ячейки текучей среды), странство построения картины в сечении.
от градиента визуализируемого векторного «В твердом теле» (на картине в сечении отобра- Координаты определяют вручную путем
параметра, при этом количество векторов жаются только ячейки твердого тела). перемещения граней блока области в графи-
больше в областях более высоких градиен- ческом окне проекта или путем ввода в окне
тов (опция включена). В поле «Показать» можно выбрать комби- настройки картины в сечении расстояния
Для визуализации в выбранной плоскости нацию параметров (например, заливка и изо- от начала глобальной системы координат
линии), тогда в сечении обе картины будут до сторон блока, ограничивающего про-
расчетной сетки (рис. 3г) определяют цвет сет- показаны одновременно. При этом для каж- странство построения картины в сечении.
ки (опции «Раскрасить по» поля «Сетка» и «По- дой картины будет отображена своя цветовая В результате будет выполнена визуализация
казать фон» поля «Показать»). Также в поле шкала.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

112 проектирование САПР

Рис. 6. Определение
с помощью инструмента «Измерения в точке»
значения температуры воздушного потока
в сечении корпуса электронного устройства

только той части картины распределения па- Рис. 7. Выбор в меню «Измерения» команды «Измерения в точке» и создание выносок
раметров, которая находится внутри этого
блока. Нажатие кнопки «Сброс» задает ис- Рис. 8. Выбор дополнительных параметров для отображения в выноске
пользование всей расчетной области для ото-
бражения картины в сечении. при перемещении значения на картине рас- анализ температуры печатной платы
пределения параметров. В нашем примере и ее компонентов
Запуск анализа выполняют кнопкой ОК, это температура воздушного потока (рис. 6).
расположенной в нижней правой части окна При необходимости щелчками левой кноп- Печатные платы и подложки (алюми-
настроек. Результаты анализа — распределе- ки мыши создают выноски, в которых ото- ниевые, керамические и др.) играют роль
ние температуры воздуха в продольном (если бражаются полученные в выбранных точках конструктивного основания, осуществля-
в поле «Выбор» указано значение «XY пло- значения (рис. 7). После создания выноски ют отвод тепла и электрически связывают
скость», рис. 4а) или поперечном (если в поле можно добавить для отображения дополни- электронные компоненты. Вместе с тем при
«Выбор» указано значение «XZ плоскость», тельные параметры (рис. 8), для чего щелч- превышении некоторой предельной тем-
рис. 4б, или значение «YZ плоскость», рис. 4в) ком правой кнопкой мыши по выноске вы- пературы они теряют работоспособность.
сечении корпуса электронного устройства — зывают контекстное меню и отмечают в нем Например, в печатных платах на основе сте-
представлены в виде цветовой карты, тип ви- пункт «Выберите параметры». В открывшем- клотекстолита пропитывающий компаунд
зуализации которой — заливка. Соответствие ся окне установкой флажков в чекбоксах за- переходит в текучее состояние при темпера-
цветов карты температуре воздуха показано дают нужные параметры и щелкают левой туре стеклования, а сама плата деформиру-
на размещенной в графическом окне шкале. кнопкой мыши в графической области про- ется из-за сильной неоднородности тепло-
Как видно на рис. 4, наибольшее количество екта для закрытия окна. Удаление всех вы- вых коэффициентов расширения по разным
тепла (+58 °C) выделяют микросхемы U1, U8– носок выполняют командой «Удалить все осям. Эти изменения приводят к отслаи-
U10, U13, U15, U16, U19–U26 (красные обла- измерения в точках» меню «Измерения». ванию медных токопроводящих дорожек
сти на карте). Наиболее «холодные» области Выход из режима измерений выполняют и ухудшению изоляционных свойств платы.
в корпусе электронного устройства (их тем- повторным вызовом команды «Измерения
пература составляет +16…+19 °C) отобража- в точке» меню «Измерения». Продуманная компоновка печатной пла-
ются синим цветом и находятся за пределами ты с грамотным распределением наиболее
печатной платы. греющихся элементов позволяет достигать

Распределение температуры воздуха в кор-
пусе устройства в плоскости ХY в виде изоли-
ний, заливки и изолиний показано на рис. 4г,д
соответственно. Рис. 4е демонстрирует в пло-
скости ХY визуализацию расчетной сетки, тип
ячеек которой — «В текучей среде».

Перемещая в графической области с по-
мощью зажатой левой клавиши мыши
двойную объемную стрелку, сдвигают вы-
бранную плоскость, тем самым выполняя
динамический просмотр картины распреде-
ления температуры воздуха в сечении кор-
пуса (рис. 5). При этом название анализа
(в нашем примере «Т воздуха в корпусе (1)»)
должно быть выделено в списке результатов
в окне «FloEFD дерево анализа». В нашем
примере чем выше от платы (рис. 5в) мы
перемещаем плоскость ХY, тем ниже темпе-
ратура воздуха.

Определение значений параметров в вы-
бранных одиночных точках картины в се-
чении выполняют с помощью команды
«Измерения в точке» меню «Измерения»
ленты инструментов. Команда включает
режим, в котором курсор мыши меняется
на указатель, динамически отображающий

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 113

а боты сам воздух начинает разогреваться. Если
в корпусе электронного прибора отсутствует
б вентиляция, то температура будет постоянно
повышаться, а значит, эффективность отвода
в тепла от компонентов будет снижаться.

Рис. 9. Процесс создания картины распределения температуры на печатной плате: Выполнение теплового анализа печатной
а) добавление нового элемента в список «Картины на поверхности»; платы и ее компонентов в процессе проекти-
б) выбор поверхности для анализа и определение параметров заливки; рования электронного устройства позволяет
в) визуализация распределения температуры оптимально разместить компоненты и тем са-
мым предотвратить возникновение проблем
отличных результатов без каких-либо допол- фективного охлаждения. Это связано с тем, с охлаждением. Это, в свою очередь, сводит
нительных затрат. Использование медных что в данных устройствах высокая плотность к минимуму или полностью устраняет по-
полигонов и массивных контактных площа- расположения компонентов, приводящая требность в дорогостоящих изменениях, вно-
док для отвода тепла от компонентов, а также к росту удельной генерируемой мощности, симых на заключительных этапах разработки.
применение металлизированных отверстий из-за чего электронике приходится работать
и сплошных медных слоев помогает значи- при повышенных температурах. В результа- Визуализацию распределения температу-
тельно снизить тепловое сопротивление. те проектировщики вынуждены приклады- ры на печатной плате в FloEFD выполняют
вать больше усилий для обеспечения каче- с помощью инструмента «Картины на по-
Однако современные компактные печат- ственного отвода тепла. верхности», для чего в списке результатов
ные платы (например, в смартфонах и план- в окне «FloEFD дерево анализа» щелка-
шетах), а также высокопроизводительные Часть тепла от компонентов отводится ют правой кнопкой мыши по элементу
электронные компоненты требуют более эф- за счет конвекции воздуха. Но в процессе ра- «Картины на поверхности» и в открывшем-
ся контекстном меню выбирают команду
«Добавить» (рис. 9а). В результате откроется
окно настроек, где задают следующие пара-
метры (рис. 9б):
• поверхность для анализа (поле «Выбор»),

которую отмечают в окне «Навигатор» или
в графической области FloEFD щелчком
левой кнопки мыши. Имя выбранной по-
верхности отобразится в поле «Выбор».
Флажок в чекбоксе «использовать все
поверхности» устанавливают, когда необ-
ходимо выполнить анализ температуры
платы и корпуса устройства. В нашем при-
мере выбрана поверхность печатной платы
с установленными компонентами;
• способ визуализации распределения тем-
пературы на печатной плате (в виде залив-
ки, изолиний, векторов, линий тока или
сетки) — поле «Показать». Для визуализа-
ции заливкой в поле «Заливка» определяют
параметр (поле «Параметр»), распределе-
ние которого необходимо визуализировать
(в нашем примере «Температура (твердое
тело)»), диапазон изменения выбран-
ного параметра (поле «Корректировать
минимум и максимум»), количество де-
лений своего цвета, на которые разбива-
ется заданный диапазон параметра (поле
«Количество уровней»);
• опции отображения картины на поверх-
ности (поле «Опции»);
• трехмерную область, ограничивающую
картину на поверхности (поле «Область
отображения»).
После настройки всех параметров и на-
жатия кнопки ОК в графическом окне бу-
дет получена цветовая карта распределения
температуры на поверхности платы (рис. 9в).
В правой части графического окна отображе-
на температурная шкала, на которой макси-
мальное значение +118 °C отмечено красным
цветом, а минимальное +82 °C — синим.
При необходимости окно шкалы перемеща-
ют в области графического окна FloEFD с по-
мощью зажатой левой клавиши мыши.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

114 проектирование САПР в

а

бг

Рис. 10. Определение множества стартовых точек для визуализации траекторий воздушного потока:
а) путем выбора поверхностей, к которым они привязываются; б) путем выбора плоской поверхности и точек на ней; в) путем ввода координат точек; г) с помощью шаблона

анализ скорости движения воздушного Для визуализации распределения обще- рис. 10б), «Координаты» (создание мно-
потока и визуализация траекторий его го воздушного потока в корпусе устройства жества точек путем ввода их координат,
распространения в корпусе устройства между компонентами и анализа скорости рис. 10в), «Равномерно по шаблону» (соз-
его распространения в FloEFD применяют дание точек, число которых задают в поле
Наиболее простой и доступный способ инструмент «Траектории потока», для чего «Количество точек», с помощью шаблона,
охлаждения печатной платы и ее компонен- в списке результатов в окне «FloEFD дерево чей тип указывают установкой переклю-
тов — воздушное охлаждение с применением анализа» щелкают правой кнопкой мыши чателя в одну из позиций «Линия» или
технологии принудительной вентиляции кор- по элементу «Траектории потока» и в от- «Прямоугольник», рис. 10г);
пуса электронного устройства. Такой способ крывшемся окне контекстном меню выбира- • режим отображения траекторий (стати-
предполагает непрерывную подачу из окру- ют команду «Добавить». В результате откро- ческие или динамические) и опции их ви-
жающей среды и отвод за пределы корпуса ется окно настроек, где задают следующие зуализации (поле «Представление»). Для
воздуха, нагретого вследствие непрерывной параметры анализа: статических траекторий определяют спо-
отдачи тепла установленными на печатной • способ выбора точек, через которые про- соб отображения (поле «Показать траекто-
плате компонентами. Принудительную вен- рии как») — в виде полосок, линий и т. д.,
тиляцию создают с помощью вентилятора ходят траектории потока (поле «Стартовые толщину или ширину траекторий (поле
и воздухоотводов, размещенных на передней, точки»): «Равномерно» (точки, чье число «Толщина»), параметр распределения
задней и нижней стенке корпуса. При выбо- указывают в поле «Количество точек», (поле «Раскрасить по»), прозрачность тра-
ре типа и места расположения вентилятора равномерно распределяются по поверх- екторий (поле «Прозрачность картины»),
необходимо учитывать, что тепло в корпусе ностям, выбранным левой кнопкой мыши диапазон изменения параметра (пикто-
устройства выделяется неравномерно. Ряд в графической области редактора FloEFD грамма «Корректировать минимум/мак-
компонентов выделяет очень мало тепла или в окне «Навигатор» (рис. 10а). Вместо симум и количество уровней»): количество
и не требует большого значения воздушного количества начальных точек траекторий уровней, значения максимума и минимума
потока для их охлаждения, некоторым же (на- можно указать расстояние между ними заданного параметра;
пример, конденсаторам, микроконтроллерам) (поле «Расстояние»). Также можно вы- • ограничения (максимальные длина и вре-
для охлаждения необходимо большое коли- полнить генерацию точек на основе сетки, мя), позволяющие уменьшить объем па-
чество воздуха, и чем большую мощность для чего устанавливают флажок в чекбок- мяти и процессорное время на обработку
рассеивает компонент, тем больший поток се «Генерация точек на основе сетки»), длинных траекторий (поле «Ограничения»);
воздуха нужен для его охлаждения. Поэтому «Выбрать на экране» (создание множе- • трехмерную область, ограничивающую
не только актуальной, но и первоочередной ства точек путем выбора левой кнопкой пространство построения траекторий
становится задача распределения общего воз- мыши в графической области проекта (поле «Область отображения»).
душного потока между компонентами. плоской поверхности и точек на ней,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 115

Рис. 11. Окна настройки входных данных (параметров вентилятора, граничного условия) и свойств траекторий воздушного потока, на основе которых получены результаты анализа
а

Рис. 12. Моделирование траекторий охлаждающих воздушных потоков,
нагнетаемых в корпусе электронного устройства с помощью внешнего вентилятора

б

в

Рис. 13. Выбор в окне «Навигатор» для отображения результатов плоскости сечения
«сверху (XY)» и окно настройки параметров анализа скорости движения воздушного
потока в корпусе электронного устройства

После настройки всех параметров (рис. 11) и нажатия кнопки ОК Рис. 14. Визуализация распределения скорости воздушного потока
в графическом окне редактора FloEFD будет получена картина фор- в трехмерной модели электронного устройства: а) в плоскости XY;
мирования охлаждающих воздушных потоков в корпусе электрон- б) на уровне платы; в) картина скорости нагнетания воздуха над корпусом устройства
ного устройства (рис. 12). Цветовой градиент траекторий потока
сформирован на основе полученных данных о скорости распростра-
нения воздуха. В левом углу графического окна отображена шкала
скорости, на которой максимальное значение 1,04 м/с отмечено крас-
ным цветом, а минимальное 0 м/с — синим. При необходимости
окно шкалы перемещают в области графического окна FloEFD с по-
мощью зажатой левой клавиши мыши.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

116 проектирование САПР

Рис. 15. Добавление новой детали в проект FloEFD

Еще один способ получить картину рас- Рис. 16. Определение параметров граничного условия для решения задачи анализа движения потоков воздуха,
пределения скорости воздушного потока нагнетаемых в корпусе электронного устройства внутренним вентилятором
в электронном блоке — применить инстру-
мент «Картины в сечении», для чего в окне «Главная» откроем окно «Библиотека дета- ного условия. Также определим в окне следу-
его настроек (рис. 13) определяют плоскость лей», найдем нужную, зажав левую кнопку ющие параметры: систему координат (гло-
сечения, в которой необходимо отобразить мыши, переместим ее в проект и разместим бальная), тип граничного условия (давление
результаты анализа (поле «Выбор»), зна- внутри корпуса устройства, как показано окружающей среды), цели (скорость, темпе-
чение смещения картины в сечении (поле на рис. 15. На выходе воздушного потока ратура, текучая среда), термодинамические
«Смещение»), способ визуализации рас- из корпуса устройства создадим граничное ус- параметры, параметры турбулентности и по-
пределения выбранного параметра (поле ловие, для чего в окне «FloEFD дерево анали- граничного слоя оставим по умолчанию.
«Показать») и опции его отображения в гра- за» в списке «Входные данные» щелкнем пра-
фической области проекта, параметр распре- вой кнопкой мыши по элементу «Граничные Добавим в проект вентилятор, для чего
деления (поле «Параметр»). условия» и в открывшемся контекстном меню в списке «Входные данные» щелкнем правой
выберем пункт «Добавить граничное усло- кнопкой мыши по элементу «Вентиляторы»
Запуск анализа выполняют кнопкой ОК, вие». В результате откроется окно настройки и в открывшемся контекстном меню выберем
расположенной в нижней правой части окна параметров, а курсор мыши примет форму пункт «Добавить вентилятор». В результате от-
настроек. Результаты анализа — распреде- шарика, которым отметим поверхности за- кроется окно настройки параметров вентилято-
ление скорости потока воздуха (в нашем глушек, установленных на воздухоотводах ра, где укажем его тип (внутренний), курсором
примере способ визуализации — заливка) на выходе воздушного потока из корпуса мыши отметим выходную (рис. 17а) и вход-
в продольном сечении корпуса электронно- устройства (рис. 16). Имена указанных по- ную (рис. 17б) поверхности для установки
го устройства — представлены в виде карты. верхностей отобразятся в виде списка в поле вентилятора (в нашем примере крышка венти-
Соответствие цветов карты значениям скоро- «Выбор» окна настройки параметров гранич- лятора содержит четыре поверхности). Также
сти движения воздуха представлено на разме- определим в окне следующие параметры:
щенной в графическом окне шкале, на кото-
рой максимальное значение 0,353 м/с отмечено
красным цветом. Как видно на рис. 14а, в об-
ласти размещения вентилятора — наибольшая
скорость воздуха (красные, желтые и зеленые
области на карте). В самом корпусе скорость
распространения воздушного потока крайне
мала, а в некоторых местах составляет 0 м/с
(синие области), что говорит о неправиль-
ном выборе места размещения вентилятора.
Картина распределения скорости воздушного
потока на уровне платы показана на рис. 14б,
а на рис. 14в — картина скорости нагнетания
воздуха над корпусом устройства.

Смоделируем движение потоков воздуха,
когда в корпусе устройства установлен вну-
тренний вентилятор, в качестве которого бу-
дем использовать плоскую круглую деталь
из инженерной базы данных. С этой целью
кнопкой «Вставить компонент» вкладки

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 117

а систему координат (глобальную — для вход-
ной поверхности и базовую — для выходной),
б модель вентилятора (Papst 412), цели (пере-
Рис. 17. Определение параметров внутреннего вентилятора: пад давления). В поле «Термодинамические
а) выбор выходной поверхности; б) выбор входной поверхности параметры» установим флажок в чекбоксе
«использовать температуру входящего по‑
Рис. 18. Определение параметров траекторий движения воздушного потока, тока», в поле «Параметры турбулентности»
нагнетаемого внутренним вентилятором установим флажок в чекбоксе «использовать
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 турбулентность входящего потока».

После определения входных параметров
командой «Запустить» ленты инструментов
вкладки Flow Analysis активируем расчет
проекта. После завершения расчета выпол-
ним анализ полученных результатов. С этой
целью в списке результатов в окне «FloEFD
дерево анализа» щелкнем правой кнопкой
мыши по элементу «Траектории потока»
и в открывшемся контекстном меню выбе-
рем пункт «Добавить». В окне настройки ука-
жем следующие параметры анализа (рис. 18):
• способ выбора точек, через которые про-

ходят траектории потока: равномерно;
• поверхности, по которым распределяются

точки: плоская деталь вентилятора и лице-
вая панель прибора;
• число точек: 60;
• режим отображения траекторий: статиче-
ские;
• способ отображения: в виде полосок;
• ширину траекторий: 0,00065 м;
• параметр распределения: скорость;
• прозрачность траекторий: 0;
• значения минимума и максимума заданно-
го параметра: 0–0,26568 м/с;
• количество уровней: 217;
• максимальная длина: 2 м.
Запустим анализ, по окончании которого
(рис. 19) оценим эффективность спроекти-
рованной вентиляции. Если будут получены
неудовлетворительные результаты, можно
выбрать другую модель вентилятора или по-
экспериментировать с местом его размеще-
ния, изменить размер или количество воз-
духоотводов.
Правильное размещение вентилятора
в корпусе увеличит эффективность работы
всей системы охлаждения, а также уменьшит
нагрев компонентов печатной платы. При
выборе места установки вентилятора необхо-
димо учитывать следующие принципы:
• вентилятор должен не мешать естествен-
ной конвекции, а помогать ей;
• нежелательно иметь непродуваемые за-
стойные зоны, особенно в местах, где есте-
ственная конвекция затруднена (в первую
очередь это нижние поверхности горизон-
тальных элементов);
• чем больше объем воздуха, прокачиваемо-
го через корпус, тем меньше в нем разница
температур по сравнению с температурой
снаружи;
• при выборе места размещения вентиля-
тора необходимо учитывать конструкцию
корпуса, избегать многочисленных изме-
нений направления, сужения/расширения
потока.

www.kite.ru

118 проектирование САПР

б

а
в

Рис. 19. Моделирование траекторий охлаждающих воздушных потоков,
нагнетаемых в корпусе электронного устройства с помощью внутреннего вентилятора

гд

Рис. 21. Диалоговые окна настройки
параметров графа тепловых потоков:
а) «Фильтр»; б) «Выбор»; в) «Параметры»;
г) «Представление»; д) «Сохранить»

Рис. 20. Выбор узлов для построения графа тепловых потоков ступающим на узел, включая его собствен-
ную скорость теплопередачи, и теплом, ис-
анализ тепловых потоков понентам, дерево материалов — для ходящим из узла), текучая среда (разность
Отображение тепловых потоков между организации списка по твердым матери- между тепловыми потоками от флюидных
алам); элементы для группировки в схему (газово-жидких) узлов до твердотельных
компонентами модели и элементами проекта тепловых потоков (определив щелчками узлов), внешняя подобласть (разность меж-
в виде графа в FloEFD выполняют с помощью левой кнопки мыши с одновременно за- ду тепловыми потоками от внешних стенок
инструмента «Картины тепловых потоков», жатой клавишей Ctrl нужные элементы до твердотельных узлов), поверхностный
для чего в списке результатов в окне «FloEFD в списке «Компоненты», правой кнопкой тепловой источник (разность между тепло-
дерево анализа» щелкают правой кнопкой мыши вызывают контекстное меню и вы- выми потоками от поверхностного тепло-
мыши по элементу «Картины тепловых по- бирают в нем команду «Объединить». Для вого источника до твердотельных узлов),
токов» и в открывшемся контекстном меню разгруппировки элементов применяют ко- объемный тепловой источник (разность
выбирают команду «Добавить». В результате манду «Разъединить»). между тепловыми потоками от объемно-
в проект будет добавлена новая панель, а кур- • «Выбрать компоненты» — открытие го теплового источника до твердотельных
сор мыши переведен в режим выбора узлов диалогового окна выбора узлов модели узлов), поток эффективного излучения
для анализа (рис. 20), чьи имена отобразят- (рис. 21б) для отображения тепловых по- (тепловой поток излучения, исходящий
ся в виде списка в диалоговом окне «Выбор». токов. Для отображения тепловых пото- от компонента), поток падающего излуче-
На новой панели находятся области графа ков на всей модели устанавливают флажок ния (тепловой поток излучения, падающий
и диаграмма теплообмена (входящего и исхо- в чекбоксе «использовать все компонен‑ на компонент), поток результирующего из-
дящего тепловых потоков) между выбранным ты». Для применения выбранных значе- лучения (разность между тепловым пото-
узлом (или группой узлов) и узлами, с кото- ний нажимают на кнопку ОК. ком излучения, исходящим с поверхности,
рыми он обменивается теплом, а также панель • «Показать таблицы для узлов» — отобра- и тепловым потоком излучения, падающим
управления, содержащая набор пиктограмм: жение таблиц с подробной информацией на нее), объемный поток результирующе-
• «Фильтр» — открытие диалогового окна о каждом узле (рис. 22). го излучения (разность между тепловыми
• «Параметры» — выбор следующих пара- потоками излучения, испускаемым и по-
(рис. 21), где указывают минимальное метров для отображения в таблицах узлов глощаемым твердым телом). Для приме-
значение теплового потока (поле «Фильтр (рис. 21в): материал (название твердого ма- нения выбранных значений или отмены их
по мощности») для скрытия элементов, териала или текучей среды), температура определения нажимают на кнопку ОК или
тепловой поток которых не достигает (средняя температура узла), температура «Отмена» соответственно.
заданного значения; тип дерева (поле макс. (максимальная температура узла), • «Показать узлы текучей среды» — отобра-
«Компоненты») для организации элемен- материалы (разность между теплом, по- жение узлов, соответствующих указанным
тов в списке «Компоненты» (дерево мо- областям текучей среды.
дели — для организации списка по ком- • «Показать узлы радиационного теплооб-
мена» — отображение узлов, участвующих
в радиационном теплообмене.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

САПР проектирование 119

Рис. 22. Отображение в области графа таблиц с подробной информацией о каждом узле • «Открыть папку» — открытие директории
Рис. 23. Схема тепловых потоков и диаграммы теплопередачи на панели «Картина тепловых потоков» проекта.

• «Изменить в размер экрана» — масштаби-
рование графа тепловых потоков по разме-
ру экрана для просмотра всех его элементов.

• «Обновить» — автоматическая расстанов-
ка в области графа всех отображаемых
элементов.
После определения в диалоговом окне

«Выбор» элементов устройства (в нашем
примере это плоская деталь вентилятора,
печатная плата и лицевая панель прибора)
и нажатия на кнопку ОК (зеленый флажок)
в области графа панели «Картина тепловых
потоков» будет получена схема тепловых по-
токов. Чтобы отобразить круговые диаграм-
мы теплопередачи (рис. 23), курсором мыши
выбирают нужный узел в графической об-
ласти FloEFD или в области графа на панели
«Картина тепловых потоков» и нажимают
на панели управления панели «Картина те-
пловых потоков» на пиктограмму «Показать
круговую диаграмму». Полученный граф
наглядно отображает количество тепла, пере-
даваемое от одного компонента к другому.
Круговая диаграмма помогает понять баланс
распределения тепла в корпусе устройства.

Для сохранения результатов анализа и за-
крытия панели «Картина тепловых потоков»
нажимают на пиктограмму «Сохранить и за-
крыть», размещенную в правом верхнем
углу панели.

Определение расчетной области

• «Показать узел внешней подобласти» — «Поверхностный тепловой источник»), цвет Расчетная область — это пространство,
отображение узла, соответствующего те- для тепловых потоков между объемными в котором проводятся расчеты течения и те-
пловой среде. тепловыми источниками и узлами твер- плопередачи. При создании нового проекта
дых тел (поле «Объемный тепловой источ- с помощью мастера модуль FloEFD автома-
• «Показать узлы поверхностных тепловых ник»), цвет и градиент фона (поля «Цвет» тически создает расчетную область, включа-
источников» — отображение узлов, соот- и «Градиент»). Сброс введенных параме- ющую модель. Расчетная область строится
ветствующих поверхностным тепловым тров выполняют кнопкой «Восстановить как для трехмерных, так и для двумерных
источникам. до значения по умолчанию». Для при- задач и представляет собой прямоугольный
менения выбранных значений нажимают параллелепипед. Границы расчетной области
• «Показать узлы объемных тепловых источ- на кнопку ОК, для отмены внесенных из- параллельны плоскостям глобальной систе-
ников» — отображение узлов, соответству- менений — «Отмена». мы координат. Во внешних задачах плоско-
ющих объемным тепловым источникам. • «Показать круговую диаграмму» — ото- сти, ограничивающие расчетную область,
бражение диаграмм теплопередачи в вы- автоматически располагаются на некотором
• «Представление» — открытие диалогового бранном узле. расстоянии от модели.
окна настройки цветовой схемы тепловых • «Настройки сохранения» — определе-
потоков, фона картины и стрелок (рис. 21г). ние следующих параметров сохранения При работе с внутренними потоками пло-
В окне задают следующие параметры: раз- изображений графов траекторий тепло- скости, ограничивающие расчетную область,
мер стрелок, соответствующий минималь- вых потоков (рис. 21д): формат файла автоматически захватывают всю модель,
ному и максимальному значению теплово- (поле «Тип»), цвет и градиент фона (поле если учитывается теплопроводность в твер-
го потока (поля «Минимальная толщина «Фон»), имя файла (поле «Имя файла»), дых телах. Если теплопроводность в твердых
стрелки» и «Максимальная толщина стрел- директория его размещения (пиктограмма телах не учитывается, они захватывают толь-
ки»), цвет для тепловых потоков между «Сохранить как»). ко проточный канал модели.
узлами твердых тел (поле «Материалы»), • «Сохранить граф в виде картинки» — со-
цвет для тепловых потоков между узлами хранение изображения графа траекторий Для редактирования параметров расчет-
текучих сред и твердых тел (поле «Текучая тепловых потоков. ной области в окне «FloEFD дерево анализа»
среда»), цвет для тепловых потоков между • «Сохранить граф в виде таблицы» — в списке «Входные данные» щелкают правой
внешней подобластью и другими узлами сохранение графа траекторий тепловых кнопкой мыши по элементу «Расчетная об-
(поле «Внешняя подобласть»), цвет для потоков в виде таблицы Excel. ласть» и в открывшемся контекстном меню
тепловых потоков между узлами, участву- • «Сохранить круговую диаграмму как» — выбирают команду «Изменить». В резуль-
ющими в радиационном теплообмене, и уз- сохранение диаграммы в виде таблицы тате в графической области проекта отобра-
лами твердого тела (поле «Радиационный Excel. зится расчетная область (рис. 24), на гранях
теплообмен»), цвет для тепловых потоков которой находятся стрелки, позволяющие
между поверхностными тепловыми ис- динамически изменять размер расчетной
точниками и узлами твердых тел (поле

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

120 проектирование САПР

области. Для чего стрелку выделяют левой Рис. 24. Определение расчетной области модели в редакторе FloEFD
кнопкой мыши и, зажав кнопку, перемеща-
ют ее в нужное положение. симальный и минимальный радиус сектора. спроектированной системы вентиляции
Для применения выбранных значений в окне
Вместе с этим откроется окно настройки настройки параметров расчетной области на- и при необходимости для уменьшения тем-
параметров (рис. 24), где указывают: жимают на кнопку ОК.
• в поле «Тип» — тип моделирования: пературы в корпусе электронного устрой-
Может случиться так, что вследствие оши-
3D или 2D; бочно внесенных значений координат раз- ства принимает решение об улучшении кон-
• в поле «Представление» — цвет ребер мещения граней расчетной области ее раз-
мер окажется недостаточным для проведения струкции корпуса, изменении охлаждения
и граней внешних границ расчетной об- расчета или не соответствующим размерам
ласти, а также прозрачность ее поверх- модели. В таком случае применяют кнопку как отдельных компонентов, так и платы
ности; «Сброс» окна настройки параметров рас-
• в поле «Размеры и условия» — размер четной области, что позволит восстановить в целом, выборе компонентов с меньшей
расчетной области (координаты размеще- расчетную область до исходных размеров,
ния граней: Xmax и Xmin, Ymax и Ymin, автоматически созданных FloEFD. рассеиваемой мощностью, улучшении ох-
Zmax и Zmin) и граничные условия
(«Симметрия», «Периодичность»). Если Скрывают расчетную область командой лаждения установкой в корпус дополнитель-
модель симметрична, выбирают параметр «Скрыть» контекстного меню, предваритель-
«Симметрия», что позволит провести рас- но щелкнув правой кнопкой мыши по эле- ных вентиляторов. n
чет не во всей области течения, а только менту «Расчетная область» в списке «Входные
в ее части. Следовательно, для решения данные» окна «FloEFD дерево анализа». Литература
задачи потребуется меньше оперативной
памяти и процессорного времени. Также Заключение 1. PADS Professional Evaluation Guide. Mentor
сократить время расчета можно, если в мо- Graphics Corporation, 2018.
дели имеются одинаковые геометрические На основе полученных результатов анали-
элементы, расположенные в определенном за разработчик определяет эффективность 2. FloEFD for Solid Edge. Руководство пользователя.
направлении через равные промежут- Mentor Graphics A Siemens Business, 2019.
ки. В таком случае выбирают параметр
«Периодичность». 3. Шахнов В. А., Зинченко Л. А., Соловьев В. А.,
Если расчет задачи необходимо вы- Курносенко А. Е. Основы конструирования
полнить не для всей модели, а только для в Solid Edge. М.: ДМК-Пресс, 2014.
определенного сектора модели, состоящей
из периодических элементов, то устанавли- 4. Колесникова Т. Анализ распределения темпера-
вают флажок в поле «Осевая периодичность» туры и скорости движения воздушного потока
и определяют мышью поверхность модели в корпусе электронного устройства. Часть 1 //
для создания сектора (поле «Плоскость, по- Компоненты и технологии. 2019. № 12.
верхность»). Периодический сектор будет
создан вращением этой поверхности вокруг
оси вращения, в качестве которой выбирают
любую ось в графической области проекта
(поле «Ось»). Чтобы указать ось вращения,
мышью выбирают поверхность вращения.
Значение угла между первой границей секто-
ра и указанной поверхностью задают в поле
«Начальный угол». Также в одноименных
полях указывают количество секторов, мак-

новости источники питания

Новое семейство DC/DC-конвертеров небольшой мощности от Vicor

Компания Vicor представляет новое семей- Компоненты новой серии ChiP в корпусах • Входное напряжение: 43–154 В:
ство DC/DC-конвертеров небольшой мощности размером 22×23×7 мм работают в широких диа- – выходное напряжение: 3,3 В при 40 Вт;
DCM2322 с возможностью регулировки выходного пазонах входного напряжения 43–154, 14–72 – выходное напряжение 5 В при 60 Вт;
напряжения и гальванической развязкой. и 9–50 В при уровнях мощности 35–120 Вт – выходное напряжение: 12, 15, 24, 28, 48 В
и КПД до 90,5%. В преобразователях DCM при 120 Вт.
Высокая удельная мощность, малый вес и про- компании Vicor применяется топология пере-
стота использования — основные требования, ключения при нулевом напряжении (ZVS), обе- • Входное напряжение: 14–72 В:
предъявляемые при проектировании преобразова- спечивающая лидирующие в отрасли тепловые – выходное напряжение: 3,3 В при 35 Вт;
телей постоянного напряжения с гальванической и электрические характеристики при удельной – выходное напряжение: 5 В при 50 Вт;
развязкой для широкого спектра применений в об- мощности, в пять раз превышающей аналогич- – выходное напряжение: 12, 15, 24, 28, 48 В
ласти робототехники, беспилотных летательных ный показатель DC/DC-преобразователей кон- при 100 Вт.
аппаратов, железнодорожного транспорта, связи, курентов.
военной и авиакосмической техники. Новое семей- • Входное напряжение: 9–50 В:
ство DCM2322 ChiP, являющееся маломощным ва- Основные характеристики семейства компонен- – выходное напряжение: 12, 15, 24, 28, 48 В
риантом серии DCM3623 компании Vicor, отвечает тов ChiP DCM2322: при 60 Вт.
всем этим важным требованиям. • Размеры корпуса: 22×23×7 мм.
www.vicorpower.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

измерительная аппаратура технологии 121

Электронные нагрузки:
что это такое и зачем они нужны?

Владимир РеНТюК В публикации [1] описано, как конфигурировать и использовать источники
[email protected] питания для испытаний. Но тестирование радиоэлектронной аппаратуры
(РЭА) требует не только правильно сконфигурированных источников пи-
тания, но и нагрузок. Причем эти нагрузки следует выбирать должным об-
разом. В статье, которая логически продолжает напечатанную ранее [1],
на основе авторского перевода материала, представленного компанией
Keysight Technologies [2], рассматриваются электронные нагрузки постоян-
ного тока, их общие схемотехнические решения и особенности применения.

Введение. Источники питания и электронные нагруз- ограниченных контуром максимальной мощ-
Что такое электронная нагрузка? ки служат дополнительным испытательным ности. Например, нагрузка не может принять
оборудованием. Источник питания прове- на себя 20 А при напряжении ИУ, равном 48 В.
Электронные нагрузки — это средства из- ряет электронные схемы при определенных И напряжение и ток здесь находятся в соот-
мерения, предназначенные для моделирова- условиях, то есть при заданных значениях ветствующих нагрузке диапазонах, в то время
ния поведения той или иной нагрузки. Они напряжения и тока, а электронная нагруз- как потребляемая мощность 960 Вт выходит
имеются в составе измерительных приборов, ка тестирует источники энергии или блоки за пределы максимального значения рассеи-
в том числе автоматизированных средств из- преобразования энергии при определенных ваемой мощности нагрузки, равного 200 Вт.
мерений и анализаторов, применяются для ограничениях нагрузки. Этот факт необходимо принять к сведению
проверки источников питания и имитируют и обязательно учитывать.
различные, в том числе статические и динами- Электронная нагрузка — программи-
ческие, режимы, присутствующие в реальных руемый инструмент, который предлагает Электронные нагрузки — незаменимые
условиях эксплуатации источников питания. пользователю различные режимы управ- приборы, использующиеся при разработке
Функционально электронные нагрузки могут ления, такие как стабилизация напряжения и изготовлении таких устройств, как источ-
работать в режиме стабилизации тока, напря- (constant voltage, CV), стабилизация тока ники питания, преобразователи постоянно-
жения и мощности и являются регулируемым (constant current, CC), стабилизация мощ- го тока (DC/DC-преобразователи), зарядные
эквивалентом резистора с возможностью по- ности (constant power, CP) или постоянное устройства, адаптеры, батареи, солнечные ба-
глощения больших мощностей. сопротивление (constant resistance, CR). тареи, топливные элементы и многое другое,
На рис. 1 показана вольт-амперная характе- включая некоторые исполнительные устрой-
В общем случае электронная нагрузка ристика (ВАХ) электронной нагрузки. ства и узлы светодиодного освещения.
представляет собой испытательный прибор,
предназначенный для поглощения тока или Для большинства электронных нагрузок Возникает законный вопрос: зачем такая
энергии из источника питания. Если для пи- производитель указывает максимальный уро- сложность? Почему инженеры использу-
тания устройства используется источник пи- вень мощности, который они могут погло- ют электронные нагрузки вместо мощного
тания, то электронная нагрузка применяется тить, как можно видеть на кривой максималь- резистора с фиксированным значением со-
для проверки источника питания с помощью ной мощности на рис. 1. Пользователь имеет противления? В ситуациях, когда вам нуж-
эмуляции испытуемого устройства (ИУ). возможность работать с нагрузкой только на чисто резистивная нагрузка и управле-
в пределах комбинаций напряжения и тока, ние по замкнутому контуру не требуется,
действительно достаточно мощного рези-
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика электронной нагрузки в заданной полярности стора с фиксированным значением сопро-
тивления. Однако такой выбор имеет много
ограничений. Он не подходит для загрузки
и испытаний источников питания, предъ-
являющих сложные требования к тести-
рованию. Подобные задачи предполагают
сложные функции нагрузки для проверки
различных режимов работы.

Адаптация к изменениям с помощью
фиксированных резисторов или реостатов
считается трудоемкой задачей, для реализа-
ции которой понадобится большое количе-
ство резисторов, коммутационных матриц
и соответствующего управляющего про-
граммного обеспечения. Здесь нет реально
осуществимого способа контролировать
и ограничивать напряжение или ток, потреб-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

122 технологии измерительная аппаратура

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика электронной нагрузки Рис. 4. Минимальное выходное напряжение ИУ, при котором ток нагрузки еще находится
в режиме стабилизации тока на запрограммированном уровне

ляемый нагрузкой. При этом испытатель ИУ Рис. 3. Схемная реализация электронной нагрузки в режиме запрограммированной стабилизации тока
или регулировщик РЭА, чтобы избежать воз-
можного повреждения часто дорогого изде- Когда нагрузка работает в режиме CC, ем (например, 1 A  1 Ом = 1 В). Выходной
лия, должен сам следить и учитывать момен- то для достижения желаемого запрограмми- сигнал усилителя регулирует сопротивление
ты, критические с точки зрения безопасности рованного тока она нагружает внешний ис- канала полевого транзистора и, соответствен-
и защиты устройства. точник напряжения (например, аккумулятор но, втекающий ток в электронную нагруз-
3 В) условным резистором с регулируемым ку. Такая конфигурация с обратной связью
Электронная нагрузка обеспечивает более сопротивлением. Большинство электрон- позволяет нагрузке динамически изменять
высокую гибкость, позволяя использовать ных нагрузок использует для этого мощные сопротивление и поддерживать запрограм-
различные уровни профилей мощности полевые FET- или МОП-транзисторы. При мированный ток независимо от изменения
в нескольких режимах, и эмулирует различ- управлении напряжением по затвору они напряжения вашего источника питания.
ные сценарии и реальные устройства, кото- действуют как переменный резистор для ста-
рые подключаются к источнику питания. билизации тока, принимаемого от нагрузки, Читатели уже могли ознакомиться с прак-
Электронная нагрузка намного более эффек- то есть являются так называемыми генера- тическим применением данного решения
тивное решение для тестирования приборов, торами втекающего тока. Для обеспечения для правильного тестирования химических
чем резистор с фиксированным значением. большой мощности в нагрузках, как прави- источников тока [3].
Фиксированный резистор затрудняет авто- ло, предусмотрено параллельное включение
матизацию и эмуляцию динамического по- нескольких транзисторов. Минимальное напряжение, при котором
ведения реального устройства, а также слож- нагрузка может принять требуемый ток,
но адаптируется к изменениям требований Ток, принимаемый от нагрузки, контро- ограничено уровнем входного тока и вольт-
к испытаниям. лируется через шунтирующий резистор амперной характеристикой полевого тран-
(например, 1 Ом). Падение напряжения, зистора при низком напряжении сток-исток.
Режимы работы с электронной пропорциональное IINRSHUNT, подается На рис. 4 показано снижение максималь-
нагрузкой постоянного тока на операционный усилитель ОУ, выполняю- ного втекающего тока в соответствии с на-
щий роль усилителя ошибки. Усилитель срав- пряжением источника на примере оценки
режим работы со стабилизацией тока нивает падение напряжения на токовом шунте минимального напряжения в зависимости
Наиболее распространенным режимом, с заданным запрограммированным значени- от программируемого втекающего тока для
нагрузки мощностью 100 и 200 Вт с токоза-
в котором используется электронная нагруз-
ка, является режим стабилизации тока (CC).
В нем нагрузка потребляет запрограммиро-
ванный ток независимо от выходного на-
пряжения, обычно вызванного тестируемым
источником напряжения, например подклю-
ченным к ней аккумулятором.

Предположим, у вас есть 3-В батарея
и вы хотите разрядить ее постоянным то-
ком 1 А (рис. 2). Рабочая точка ВАХ — это
установка напряжения и тока, при которой
выходное напряжение тестируемого акку-
мулятора пересекает запрограммированную
линию нагрузки постоянного тока электрон-
ной нагрузки.

На рис. 3 показано, как электронная на-
грузка регулирует свое сопротивление для
достижения запрограммированного тока,
когда она подключена к тестируемому источ-
нику напряжения.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

измерительная аппаратура технологии 123

дающими резисторами с сопротивлением
80 и 40 мОм соответственно.

Способность поглощать высокие токи
при исключительно низких напряжениях —
сложная и крайне необходимая функция для
электронных нагрузок. Поглощение тока при
низких напряжениях обязательно при тести-
ровании топливных элементов, микросхем
управления питанием или других устройств,
работающих при низких напряжениях и вы-
соких токах. Электронная нагрузка 200 Вт,
показанная на рис. 4, использует для про-
граммирования втекающего тока малое со-
противление 40 мОм, что позволяет принять
на себя ток до 1 А при входном напряжении
на уровне 40 мВ и до 10 А при входном на-
пряжении всего 0,4 В.

режим стабилизации напряжения Рис. 5. Вольт-амперная характеристика электронной нагрузки в режиме стабилизации напряжения
В режиме стабилизации напряжения (CV)
Рис. 6. Схемная реализация электронной нагрузки в режиме запрограммированной стабилизации напряжения
электронная нагрузка устанавливает фик-
сированное программируемое напряжение му значению). Если измеренное напряжение и входное напряжение больше не под-
на своих клеммах независимо от приложен- выше, чем опорное напряжение, усилитель держивается на заданном уровне. Теперь
ного к ней входного тока. В режиме CV ток активирует полевой транзистор FET, кото- электронная нагрузка переходит в режим
задается подключенным к нему источником, рый позволяет пропорционально умень- стабилизации тока в соответствии с установ-
например зарядным устройством или све- шить его сопротивление RFET в соответствии ленным пределом. Если напряжение превы-
тодиодным драйвером. Нагрузка регулирует с запрограммированным напряжением. шает допустимое напряжение или выходит
свое сопротивление динамически для дости- В общем, работа такой нагрузки аналогична за кривую максимальной мощности для ука-
жения запрограммированного напряжения обычному стабилизатору напряжения. занного тока, срабатывает защита от перена-
при любом токе, установленном в испытуе- пряжения и вход нагрузки отключается.
мом источнике тока. Конфигурация обратной связи позволяет
нагрузке динамически изменять свое сопро- режим постоянного сопротивления
Примером того, как можно использовать тивление и поддерживать запрограммиро- В режиме постоянного сопротивления
нагрузку в режиме CV, служит испытание за- ванное напряжение независимо от измене-
рядного устройства, работающего в режиме ния тока источника. Нагрузка регулирует (CR) нагрузка действует как фиксирован-
стабилизации тока. Можно использовать на- свой выходной потенциал для напряжений ный программируемый мощный резистор.
грузку в качестве оценки тока зарядки акку- и тока в пределах своего диапазона до мак- Режим CR электронной нагрузки хорошо
мулятора, чтобы проверить поведение цепи симального напряжения, достижимого ис- подходит для нагрузки источника питания,
зарядки при различных напряжениях акку- точником питания. Нагрузка регулирует который является источником напряжения
мулятора, соответствующих определенному напряжение на клеммах запрограммирован- или тока. Когда нагрузка подключается к ис-
состоянию зарядного устройства и режима ным значением, если входной ток остается точнику напряжения, она потребляет ток,
заряда. Скажем, у вас есть зарядное устрой- в рамках установленного предела. равный потенциалу источника, деленному
ство с постоянным током 0,5 А и нужно на- на запрограммированное значение сопро-
грузить его постоянным напряжением 3,8 В, Когда входной ток достигает предела, тивления. Когда нагрузка подключается
чтобы эмулировать зарядку литий-ионной нагрузка перестает работать в режиме CV
батареи. Рабочая точка ВАХ — это заданное
значение, при котором уровень источника
тока пересекает запрограммированную ли-
нию нагрузки постоянного напряжения элек-
тронной нагрузки, как показано на рис. 5.

На рис. 6 видно, как электронная нагрузка
регулирует свое сопротивление для поддер-
жания напряжения на клеммах при ее под-
ключении к источнику тока.

Электронная нагрузка, работающая в ре-
жиме CV, обычно используется для того, что-
бы проверять и нагружать устройства в виде
источника тока, например зарядные устрой-
ства. В этом режиме электронная нагрузка
модулирует свое сопротивление для дости-
жения запрограммированного напряжения.
Нагрузка контролирует входное напряже-
ние через делитель напряжения. Усилитель
ошибки (ОУ) сравнивает потенциал делите-
ля напряжения (пропорциональный напря-
жению на клеммах) с опорным напряжением
(пропорциональным запрограммированно-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

124 технологии измерительная аппаратура

напряжения 5 В, это приведет к току 0,5 А,
протекающему в нагрузку. Падение напря-
жения на шунте теперь составляет 0,5 В. Для
достижения такого же падения напряжения
1 В на усилителе обратной связи необходи-
мо задать коэффициент, равный 2. Заданное
значение RIN, которое вы программируете
(101/5 = 2), управляет умножающим коэф-
фициентом. Можно также запрограммиро-
вать и настроить динамически меняющееся
сопротивление нагрузки на любое значение
в пределах заданного диапазона. Это полезно
для таких измерений, как сброс/наброс на-
грузки, что позволяет оценить работу петли
регулирования по выявленным переходным
процессам.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика электронной нагрузки в режиме постоянного сопротивления режим поддержания
постоянной мощности нагрузки
Рис. 8. Схемная реализация электронной нагрузки в режиме запрограммированного постоянного сопротивления
В режиме постоянной мощности (CP)
к источнику тока, напряжение на ее клеммах жения запрограммированного сопротивле- модуль нагрузки нагружает ИУ постоян-
равно вытекающему из источника току, ум- ния 5 Ом соотношение между напряжением ной мощностью независимо от изменения
ноженному на запрограммированное зна- и током V/I должно быть равно 5. его выходных характеристик (естественно,
чение сопротивления. На рис. 7 изображена в диапазоне, ограниченном кривой допусти-
ВАХ электронной нагрузки в режиме CR при Делитель напряжения необходим для из- мой мощности). Нагрузка стабилизирует по-
нагрузке источника напряжения или тока. мерения источника напряжения, а шунтиру- требляемую мощность в соответствии с ее
ющий резистор измеряет ток. Для того чтобы запрограммированным значением. ИУ мо-
Нагрузка 5 Ом на источнике напряжения поддерживать нагрузку на входе как постоян- жет быть источником напряжения или тока.
3 В приведет к втекающему току 0,6 А. В ка- ное сопротивление, усилитель ошибки (ОУ) При тестировании источника напряжения
честве альтернативы та же самая нагрузка сравнивает входное напряжение с входным в режиме CP нагрузка регулирует втекающий
на источник тока 0,6 A приводит к напря- током (падение напряжения на шунте, умно- ток так, чтобы принять на себя запрограмми-
жению нагрузки 3 В. Электронная нагруз- женное на запрограммированное сопротив- рованный уровень мощности. При тестиро-
ка в режиме CR используется для создания ление). На рис. 8 показано измерение тока вании источника тока в режиме CP нагрузка
определенного профиля батареи на задан- при напряжении 1 В на 1 А (шунтирующий поглощения запрограммированного уровня
ную резистивную нагрузку, что бывает весь- резистор 1 Ом) и определение напряжения мощности регулирует напряжение.
ма полезно для целого ряда приложений. при отношении 0,2 В на 1 В (для делителя на-
пряжения). Ошибка (разность напряжений На рис. 9 показана ВАХ при нагрузке ис-
Схему электронной нагрузки, работа- на входах ОУ) 0 В возникает при токе 1 А точника напряжения в режиме CP. Нагрузка
ющей в режиме CR, иллюстрирует рис. 8. и входном сопротивлении 5 Ом (5 В/1 А), что источника напряжения 5 В с постоянной
Например, нужно загрузить источник напря- и позволяет поддерживать заданное значение мощностью 1 Вт приводит к втекающему
жения 5 В на мощный резистор 5 Ом. В ре- сопротивления. току 0,2 А. Напротив, нагрузка источника тока
жиме CR для регулировки сопротивления 0,2 А с такой же постоянной мощностью при-
полевого транзистора нагрузка должна из- Если нагрузка должна эмулировать ре- водит к напряжению на нагрузке, равному 5 В.
мерять как напряжение, так и ток. Для дости- зистивную нагрузку 10 Ом на источнике
Наиболее часто электронная нагрузка в ре-
жиме CP используется для разряда аккуму-
лятора с постоянной мощностью, что необ-
ходимо для получения информации о сроке
его службы. Нагрузка разряжает аккумуля-
тор с постоянной мощностью и имитирует
поведение DC/DC-преобразователя. Схему
электронной нагрузки, действующей в режи-
ме CP, иллюстрирует рис. 10.

Например, у вас такая задача: есть батарея
5 В и вы хотите разрядить ее с фиксированной
постоянной мощностью 1 Вт, чтобы имити-
ровать ее поведение при работе на DC/DC-
преобразователе. В этом случае нагрузка, ра-
ботающая в режиме CP, для регулирования
сопротивления канала полевого транзистора
FET так, чтобы поддерживать постоянную
мощность 1 Вт, должна измерять не только
напряжение, но и ток. Нагрузка контролирует
входное напряжение через делитель напряже-
ния, в то время как шунтирующий резистор
измеряет ток. Нагрузка измеряет потребляе-
мую мощность путем умножения напряже-
ния и тока (падение напряжения на шунте).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

измерительная аппаратура технологии 125

ми, что позволило упростить их применение
и повысить эффективность использования
электроэнергии. Естественно, разработчики
стремятся производить высокоэффектив-
ные продукты. Для этого требуется тща-
тельное тестирование источников питания
и устройств энергопотребления. Именно это
и могут обеспечить электронные нагрузки
постоянного тока. В приведенной таблице
показаны типичные приложения и способы
применения электронных нагрузок в различ-
ных отраслях промышленности.

Как правильно выбрать
электронную нагрузку?

Рис. 9. Вольт-амперная характеристика электронной нагрузки при нагрузке источника напряжения Для того чтобы выбрать электронную
в режиме стабилизации мощности нагрузку, которая наилучшим образом со-
ответствует вашим требованиям к испыта-
Рис. 10. Схемная реализация электронной нагрузки в режиме запрограммированной постоянной мощности ниям, следуйте приведенным ниже рекомен-
дациям.
Результат умножения подается в усилитель источника и минимальным программиру- • Форм-фактор:
ошибки (ОУ). Управляющий усилитель срав- емым сопротивлением нагрузки V2/RSHUNT.
нивает входную мощность с эталонным зна- Разряд батареи с постоянной мощностью – чтобы иметь возможность масштаби-
чением мощности. Выходной сигнал усили- дает информацию о сроке службы батареи. рования в случае последующего рас-
теля регулирует проводимость FET, которая Это позволяет понять, как преобразователь ширения для автоматизированного
контролирует ток, втекающий в нагрузку. постоянного тока разряжает аккумулятор испытательного оборудования, выби-
Если измерение мощности ниже эталонного в аналогичных условиях. Напряжение батареи райте модульное решение малого форм-
значения, усилитель пропорционально акти- обычно уменьшается во время разряда, в этом фактора.
вирует FET и полевой транзистор увеличивает случае нагрузка в режиме CP для поддержа-
свою проводимость (ток, протекающий в на- ния постоянного энергопотребления расхо- • Выбор по мощности:
грузке), чтобы соответствовать эталонному дует дополнительный ток. Например, при – убедитесь, что ваша электронная нагруз-
уровню мощности. разрядке батареи с 5 до 4 В в режиме 1 Вт на- ка соответствует необходимому запасу
чальный ток разряда в режиме СР составляет мощности вашего источника питания;
Конфигурация обратной связи для регу- 0,2 А. Когда напряжение батареи уменьшается – убедитесь, что диапазон работы элек-
лировки втекающего тока позволяет нагруз- до 4 В, ток разряда увеличивается до 0,25 А. тронной нагрузки соответствует вашим
ке динамически изменять свое сопротивле- максимальным требованиям к напряже-
ние/проводимость. Нагрузка поддерживает Примеры применения нию, току и мощности.
один и тот же уровень энергопотребления электронных нагрузок
независимо от колебаний напряжения ис- • Скорость изменения параметров нагрузки:
точника питания. Максимальная мощность, По мере развития технологий устаревшие – для эмуляции быстрых изменений на-
которую нагрузка может потреблять при низ- механические приводы стали электронны- пряжения, тока или мощности выберите
ких напряжениях, ограничена напряжением нагрузку с соответствующей скоростью
нарастания;
– убедитесь, что нагрузка может с доста-
точной пропускной способностью ге-
нерировать и измерять уровни напря-
жения, тока или мощности для вашего
приложения;
– для управления последовательностью
(работа в так называемом режиме списка,
то есть последовательности эмулируемых
воздействий) выберите нагрузку с про-
граммируемой скоростью нарастания
и задержками включения/выключения;
– для того чтобы улучшить и максималь-
но увеличить пропускную способность
вашей измерительной системы, выбери-
те нагрузку с оптимальным быстродей-
ствием в части обработки команд управ-
ления и малым временем установления
выходных параметров.

• Режимы работы:
– CC — для тестирования энергопотребле-
ния;
– CR — для замены резистивной нагрузки;
– CV — для проверки источника тока;
– CP — для проверки емкости аккумуля-
торов или батарей.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru

126 технологии измерительная аппаратура

Таблица. Типичные приложения и способы использования электронных нагрузок
в различных отраслях промышленности

Описание
Проверка преобразователя питания и инвертора.
Электронная нагрузка — наиболее быстрый и эффективный способ проверки
AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Электронная нагрузка помогает
имитировать процесс включения устройства. Вы можете проверить минимальное
и максимальное входное напряжение при разных уровнях нагрузки.
С помощью электронной нагрузки выполняются проверки уровня пульсаций
напряжения и тока, оценка шумов и помех, а также тестируется стабилизация
напряжения в зависимости от нагрузки и напряжения на линии питания, условия
перенапряжения и проверяется срабатывание токовой защиты.
Источники бесперебойного питания (ИБП).
Электронная нагрузка позволяет провести полную проверку
для источника переменного тока (в режиме офлайн), источника
постоянного тока (для шины DC), нагрузки для постоянного и переменного тока.
Нагрузка постоянного тока используется для проверки резервного аккумулятора
и зарядного устройства в ИБП. Нагрузка переменного тока проверяет
всю систему ИБП. Проверка группы нагрузок показывает способность ИБП
при различных условиях нагрузки обеспечивать необходимую мощность,
стабильность напряжения и эффективность систем управления.
Аккумуляторы и топливные элементы.
Электронная нагрузка, обеспечивающая постоянную мощность, позволяет
сократить время тестирования по сравнению с использованием набора резисторов.
Чтобы проверить емкость батареи, поскольку напряжение батареи со временем
падает из-за ее разряда, следует применить режим CP, что обеспечит постоянное
потребление энергии и даст истинный результат. Возможность электронной
нагрузки программировать различные профили нагрузки с быстрым переходом
разрешает тестировать профили для циклов зарядки и разрядки аккумулятора.

Солнечные панели.
Применение электронных нагрузок для испытаний фотоэлектрических батарей
высокой мощности — это хорошее решение при меньших затратах, поскольку
солнечные панели могут давать большие токи. Здесь можно использовать режим
CV для захвата точки максимальной мощности ВАХ и проводить измерение тока
при приращении напряжения.

Портативная электроника. Рис. 11. N3300A — системное решение высокой мощности
Для проверки энергопотребления портативных устройств
можно запрограммировать электронную нагрузку для имитации
различных состояний питания устройства, таких как спящий режим,
энергосбережение и режимы полной мощности.

• Тестирование в динамическом режиме: • Компьютерный контроль и управление: зок постоянного тока N330xA поддерживает
– выберите нагрузку, способную работать – нагрузка для удаленного программиро- быструю работу, точное программирование
в динамическом режиме с возможностя- вания и управления вашим измеритель- и считывание, необходимые для систем те-
ми генерации произвольных функций ным прибором должна иметь интерфей- стирования источников питания постоянного
и встроенными сигналами для проверки сы подключения — GPIB, LAN или USB. тока высокого уровня.
при синусоидальном, импульсном, по-
шаговом, линейном изменении или для Нагрузки компании Электронные нагрузки серии N6790 [5]
импорта ваших профилей; Keysight Technologies — с габаритами в форм-факторе 1U позволя-
– убедитесь, что нагрузка имеет достаточ- гибкие и эффективные решения ют гибко тестировать источники питания.
ную частоту дискретизации для гене- для автоматизированного Встроенная измерительная система предла-
рации/измерения быстрых переходных испытательного оборудования гает точность и удобство, исключая потреб-
процессов и достаточную память для их ность в цифровом мультиметре, внешних
фиксации; Компания Keysight Technologies предлагает шунтах и лишних линиях подключения.
– убедитесь, что нагрузка генерирует про- два семейства электронных нагрузок — се- Серия N6790A доступна в низкопрофильной
извольные динамические сигналы для рию N3300, которая представляет собой мо- модульной системе шасси N6700C, N6701C,
всех необходимых режимов. дульную линейку с несколькими выходами, N6702C (рис. 12), которые вписываются
и новую электронную нагрузку постоянного в низкий профиль базового блока и зани-
• Гибкость: тока серии N6790. мают высоту в 1U в стойке и в мейнфрейме
– для того чтобы смешивать и сочетать раз- анализатора мощности постоянного тока
ные модули, а именно электронные мо- Модульное решение нагрузки N3300A N6705C для настольного использования.
дули нагрузки и питания в одном устрой- (рис. 11) [4] понадобится, когда имеют-
стве, выберите модульную систему; ся повышенные требования к питанию. Шасси N670xC имеет боковые вентиля-
– для достижения готового решения учиты- N3300A — это базовый блок с полной шири- ционные отверстия, верхние или нижние
вайте наличие синхронизации, что весьма ной стойки и шестью слотами. Он принимает вентиляционные отверстия отсутствуют.
полезно в единой испытательной среде. комбинации устанавливаемых пользователем Другие приборы в стойке устанавливаются
нагрузочных модулей N330x (150–600 Вт). непосредственно над или под ним. В шасси
• Функции защиты: Модульная конструкция обеспечивает си- N670xC размещается до четырех электрон-
– убедитесь, что нагрузка имеет встро- стеме не только простую конфигурацию, ных модулей нагрузки, что делает серию
енные функции защиты от перенапря- но и дальнейшие ее изменения. N3300A так- N6790 оптимальным решением для систем
жения, перегрузки по току, перегрузки же обеспечивает максимальную мощность автоматического испытательного оборудова-
по мощности и перегреву; до 1800 Вт. Все выходы измеряются одновре- ния, проверки тех или иных изделий в ходе
– для того чтобы избежать опасных условий менно с использованием встроенных возмож- выполнения ОКР и при испытаниях в серий-
на вашем ИУ, убедитесь, что у выбранной ностей, с несколькими источниками питания ном производстве. Низкопрофильные шасси
электронной нагрузки предусмотрена с одним выходом. Серия электронных нагру- предоставляют разработчикам систем воз-
функция аварийного отключения. можность смешивать и сочетать различные

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020

измерительная аппаратура технологии 127

Рис. 12. Электронная нагрузка N6700/01/02C — низкопрофильное системное решение

Рис. 13. Анализатор питания систем напряжения постоянного тока N6705C

электронные нагрузки и силовые модули сти прибора. Создание на базе N6705C авто- мощности при заданных или произвольных
в одном устройстве. матизированной установки обеспечивается профилях. Электронная нагрузка становится
программированием с помощью стандарт- именно тем эффективным решением, кото-
Еще один пример использования электрон- ных интерфейсов GPIB, USB и LAN. Прибор рое сокращает время и стоимость тестиро-
ных нагрузок — анализатор питания постоян- соответствует стандарту LXI. вания, легко адаптируясь к постоянным из-
ного тока N6705C (рис. 13) [6]. Он обеспечивает менениям и требованиям по испытаниям. n
значительное повышение производительности Заключение
при функционировании в качестве источника Литература
и измерителя напряжения и силы постоянного Проверка надежности источника питания
тока в тестируемом устройстве. В базовый блок или эффективности блока преобразования 1. Рентюк В. Работа с современными источниками
N6705C можно устанавливать те же модули, энергии — важная практика, применяемая питания: проблемы и решения // Компоненты
что и в модульную систему питания N6700, в различных отраслях промышленности, необ- и технологии. 2019. № 12.
с выбором любого из более чем 30 модулей. ходимая для того, чтобы убедиться в соответ-
Каждый модуль содержит встроенные функ- ствии устройства действующим стандартам. 2. Electronic Load Fundamentals. Keysight Techno-
ции вольтметра, амперметра, осциллографа, Для устройств со сложными профилями на- logies. May 11, 2019.
генератора сигналов произвольной формы грузки требуется испытательная система высо-
и регистратора данных. кой плотности с расширенными функциями. 3. Рентюк В. Тестер-автомат для проверки гальва-
Электронная нагрузка — это программируе- нических элементов // Компоненты и техноло-
Анализатор N6705C избавляет от необхо- мый прибор, который предлагает различные гии. 2013. № 7.
димости приобретать множество отдельных режимы управления, такие как поставка ста-
элементов оборудования для создания слож- бильного напряжения, тока или мощности, 4. N3300A Базовый блок электронной нагруз-
ных испытательных установок, в том числе эмуляция постоянного сопротивления. ки постоянного тока, 1800 Вт. www.keysight.
измерительные преобразователи (напри- com/ru/pd-1000003266%3Aepsg%3Apro-
мер, токовые пробники и шунты) для изме- Электронная нагрузка оптимальна для си- pn-N3300A/1800-watt-dc-electronic-load-
рения силы тока в тестируемом устройстве. стем автоматического тестирования, провер- mainframe?nid=-536902252.536882104&cc=
Анализатор не требует разработки и отладки ки прототипа в ходе выполнения ОКР, для RU&lc=rus
специальных программ для управления при- отладки и проверки продукции при ее серий-
борами и выполнения измерений, поскольку ном изготовлении. Она эмулирует различные 5. Модули источников питания серии N6700.
все функции и измерения доступны с перед- сценарии и поведение реальных устройств, www.keysight.com/ru/pc-851482/n6700-modular-
ней панели. Использование анализатора пи- которые подключаются к вашему источни- power-system?nid=-35714.0.00&cc=RU&lc=rus
тания постоянного тока N6705C совместно ку питания, обеспечивая высокую гибкость
с программным обеспечением для анализа и позволяя поглощать различные уровни 6. N6705C Модульный анализатор питания
и управления 14585A расширяет возможно- постоянного тока, 600 Вт, 4 гнезда. www.
keysight.com/ru/pd-2747858-pn-N6705C/
dc-power-analyzer-modular-600-w-4-slots?nid=
-35714.1195294.00&cc=RU&lc=rus

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2020 www.kite.ru





Реклама