logotypen
 
 

IN FOCUS

Suojaa datasi kunnolla

SSD-levyt tarjoavat luontaisesti korkean luotettavuuden kaikentyyppisiin sovelluksiin, aina aloitustason kuluttajalaitteista kriittisiin järjestelmiin. Asianmukaiset tietosuojamekanismit voivat maksimoida levyn käyttöiän toteuttamalla ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä tarpeen mukaan, kertoo Silicon Motion artikkelissaan.

Lue lisää...

Älykkäät hilaohjaimet tuovat paljon etuja tehoelektroniikan suunnitteluun. Uudet UL-sertifioidut ohjaimet integroivat kaikki piiriosat, joita tarvitaan tehopiirien DESAT-vianilmaisuun ja Miller-lukitukseen. Ohjaimet skaalautuvat sekä perinteisiin IGBT- ja pii-MOSFET-kytkentöihin että huippunopeisiin SiC MOSFET -sovelluksiin.

Artikkelin kirjoittaja Matthias Ortmann toimii Toshiba Electronics Europen pääinsinöörinä.

Tehokytkinten ja mikro-ohjainten edistymisen ansiosta tehoelektroniikan suunnittelijat voivat parantaa piiritoteutustensa hyötysuhdetta jopa prosenttiyksikön tuotteen kullakin uudella sukupolvella. Eikä nähtävissä ole määrällisiä rajoituksia sovelluskohteille, jotka voivat hyötyä näistä edistysaskelista. Hyviä esimerkkejä ovat sähköautot (EV) inverttereineen ja latureineen, keskeytymättömän tehonsyötön laitteet (UPS), servokäytöt ja aurinkopaneelien invertterit.

Yleensä nämä parannukset edellyttävät kuitenkin siirtymistä entistä suurempiin kytkentänopeuksiin ja piipohjaisten IGBT- tai MOSFET-kytkimien vaihtamista piikarbidipohjaisiin SiC-kytkimiin. Tämä taas tuo uusia haasteita, jotka on ratkaistava siinä vaiheessa, kun suunnittelijat kartoittavat kasvavien nopeuksien (dv/dt, di/dt) vaikutuksia kytkimien ympärillä.

Erilaiset lähestymistavat tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi vaativat ympärillä olevien piirien optimointia. Haasteita voivat olla esimerkiksi hilan ja kollektorin/nielun välillä esiintyvän epälineaarisen Miller-kapasitanssin kautta siirtyvien häiriöiden aiheuttama kytkimen päälle meno tai reagoiminen oikosulkuun tai ylikuormitukseen.

Kaikkien näiden ongelmien määrittäminen, ratkaiseminen ja kvalifiointi vie paljon aikaa. Sen sijaan edullinen ja nopea ratkaisu monissa tapauksissa on valita piiriin integroitu älykäs hilaohjain, jolla on UL/cUL-sertifiointi jo valmiina.

Miller-kapasitanssin vaikutukset

Kun tehokytkin on pois päältä, hilan ja kollektorin/nielun välinen Miller-kapasitanssi syöttää virtaa hilalle. Mikä tahansa sarjaresistanssi hilan ja ohjauspiirin välillä synnyttää jännitteen, joka voi pahimmassa tapauksessa aiheuttaa kytkimen menon uudelleen päälle.

Vaikka IGBT:t ja Si/SiC MOSFETit ovat nimellisesti pois päältä, kun VGS tai VGE on 0 V, hilaohjainpiirit käyttävät usein negatiivista jännitettä ohjatessaan kytkimen pois päältä (vasemmalla kuvassa 1). Tämä jännite on yleensä MOSFETeilla luokkaa -5V ja IGBT-kytkimillä -7 V, mikä estää hilaresistanssin synnyttämän jännitteennousun. Vaikka tämä on täysin hyväksyttävä ratkaisu ongelmaan, se vaatii ylimääräisen syöttölinjan, jota ei välttämättä tarvita suunnitelman lopullisessa muodossa.

Tämän välttämiseksi voidaan käyttää Miller-tasolukkoa. Ottamalla käyttöön ylimääräinen MOSFET hilan ja emitterin/lähteen väliin, hilajännitteen taso saadaan lukituksi sen jälkeen, kun ohjaussignaali on siirtynyt ennalta määrätyn tason alapuolelle (oikealla kuvassa 1). Kun kollektori/nielu on vakautunut off-jännitetasolleen, tasolukko voidaan kytkeä pois päältä. Tämän vaiheen ajoitus ei ole kovin kriittinen, mutta sen on oltava valmis ennen seuraavaa kytkentää on-tilaan.

Kuva 1. Jotta MOSFET ei kytkeytyisi uudelleen päälle Miller-ilmiön vuoksi, hilaohjain voi ohjata hilan negatiiviseen jännitteeseen (vasemmalla) tai lukita hilajännitteen emitteri/lähdetasoon, tässä tapauksessa käyttämällä ylimääräistä kytkintä (oikealla).

Ylikuormitukselta suojautuminen

Tehokytkin voi vioittua, kun siihen kohdistuu oikosulku tai kun käytettävä hilajännite ei ohjaa sitä täysin kyllästysalueelle. Valvomalla kollektori/nielujännitettä johtavan tilan aikana on mahdollista pakottaa kytkin takaisin off-tilaan ohjainpiirin avulla, jos ennalta määrätty kynnysjännite ylitetään.

Tämä tekniikka tunnetaan nimellä DESAT (de-saturation). Koska oikosulkujen kestoajat ovat hyvin lyhyitä (enimmillään muutama millisekunti), tämän mekanismin on reagoitava hyvin nopeasti. Tämä on kuitenkin erittäin haastavaa laitteilla, jotka kytkevät tehoa useiden kilohertsien taajuuksilla ja sähköisten häiriöiden alaisissa ympäristöissä.

DESAT-ominaisuuksilla varustetut integroidut hilaohjaimet vaativat vain minimaalisen määrän lisäkomponentteja tällaisen suojauksen toteuttamiseksi. Pitää vain kytkeä RC-piiri diodin kera kollektorin/nielun ja hilaohjaimen DESAT-nastan väliin (kuva 2). Kun tehokytkin on kyllästyneessä tilassa, diodi on myötäkytkettynä ja vetää DESAT-nastan alas. Vertaamalla tätä jännitettä hilaohjaimen VDESAT,max -asetukseen ja ohjaussignaalin tilaan hilaohjain voi määrittää, onko vikatilanne ilmennyt.

 

Kuva 2. Kun mukaan lisätään diodi RC-verkon kera, älykäs hilaohjain voi havaita MOSFETin kyllästymisen DESAT-valvontanastan kautta.

Diodin jännitekestoisuuden tulee olla mitoitettu täydelle DC-syötölle plus marginaalille, joka voi helposti yltää 1000 volttiin tai jopa ylikin joissakin sovelluksissa, vaikka myötäsuuntaisen virran arvo olisi luokiteltu pieneksi. Diodin tulee myös olla nopeatoiminen eli omata hyvin alhainen kapasitanssiarvo ja estosuunnan elpymisaika.

Koska näitä ominaisuuksia on vaikea löytää yhdestä diodista, niitä kytketään usein sarjaan. Näin jänniteluokitusta voidaan nostaa samalla, kun kapasitanssia pienennetään, mutta toisaalta tämä myös kasvattaa myötäsuuntaista jännitehäviötä ja vastaavasti DESAT-kynnystä. Piikarbidipohjainen SiC-diodi on myös vaihtoehto, mutta on muistettava, että niiden myötäjännite on suurempi kuin perinteisten piidiodien.

DESAT-nastan suojaamiseksi Zener-diodi on ihanteellinen valinta hilaohjausjännitteen lukitsemiseksi turvalliselle tasolle, kun taas Schottky-diodi saattaa painaa signaalitason maapotentiaalin alapuolelle.

DESAT-komponenttien määritys

DESAT-piirin suunnittelun aloittamiseksi on selvitettävä MOSFETin siirto-ominaisuudet. Tässä vaiheessa voidaan laskea arvot DESAT-piirin vastukselle ja kondensaattorille. Kun esimerkiksi tarkastellaan SiC MOSFETin ID – VDS -käyrää, nielu-lähdejännite normaalille ja maksimitoimintapisteelle määritetään kiinteällä VGS-jännitteellä (vasemmalla kuvassa 3).

Kuva 3. ID – VDS -käyrät SiC MOSFET -transistorille TW070J120B.

TW070J120B-transistorin tapauksessa VDS on 1,1 V, kun ID on 20 A, ja VDS on 2,35 V, kun ID-virta on maksimiarvossaan 40 A.

Seuraava vaihe on löytää valittujen diodien VF-arvo. Kahdelle nopealle CRF03A-tyyppiselle elpymisdiodille tämä on 2 x 1,4 V, kuten kuvasta 3 (oikealla) nähdään.

Viimeinen vaihe on määrittää VDESAT,max ja ICHG valitun älykkään hilaohjaimen datalehdestä. Toshiban TLP5214A-ohjaimelle nämä lukemat ovat 6,5 V ja 250 µA. Tämän perusteella voidaan laskea RDESAT (kuva 4).

Kuva 4. Kaava vastuksen RDESAT resistanssiarvon laskemiseksi.

Jäljelle jää enää kondensaattorin CBLANK kapasitanssiarvon laskeminen. Käyttämällä valitun SiC MOSFETin oikosulunsietoaikoja, jotka ovat välillä 2 - 4 µs, tämä voidaan määrittää kuvan 5 kaavan mukaisesti.

Kuva 5. Kaava kondensaattorin CBLANK kapasitanssiarvon laskemiseksi.

Toiminnan aikana oikosulku- ja ylivirtasuojaukset reagoivat kuvan 6 mukaisesti.

Kuva 6. Aaltomuodot kuvaavat DESAT-piirin vastetta oikosulun ja/tai ylivirtatilanteen aikana.

TLP5214A-piirin kaltaiset älykkäät hilaohjaimet synnyttävät eristetyn signaalin vikalähtönastan kautta. Tämä ilmaisee ongelman ohjainpiirille, kun pehmeä sammutus on kytkettynä (kuva 7). Ohjain voi sen jälkeen määrittää parhaan toimintatavan, esimerkiksi yrittää kytkeä tehokytkimen päälle ohjelmoidun viiveen jälkeen varmistaakseen, ettei keskimääräinen tehohäviö ole liian suuri.

Jos DESAT-toiminnan ja pehmeän sammutuksen ajoitukset ovat liian hitaita sovellukselle (ehkä siksi, että huippukuorma ja häiriötaso ovat alhaisia), suunnittelijat voivat harkita TLP5214-piiriä. Se tarjoaa muuten samat ominaisuudet mutta lyhyemmällä ajoituksella näille parametreille.

Molemmat ohjainpiirit antavat lähtöön maksimissaan ±4,0 ampeerin huippuvirran ja niiden lähtösignaali yltää täyteen syöttöjännitteeseen asti molemmin puolin. Alhaisempia hilavirtoja hyödyntäviä sovelluksia varten tai vaadittaessa taaksepäin yhteensopivuutta edellisiin hilaohjaimiin, tarjolla on TLP5212-ohjainpiiri. Se antaa lähtöön maksimissaan ±2,5 ampeerin huippuvirran eikä sen lähtösignaali yllä syöttöjännitteeseen asti kummallakaan puolella.

Kuva 7. TLP5214(A)-ohjainpiirin lohkokaavio, jossa näkyvät UVLO-, Miller-lukitus- ja DESAT-lohkot.

Hilaohjaimet toimitetaan SO-16L-kotelossa, jonka nastojen sijoittelu tarjoaa 8 mm eristysvälin. Vähintään 5000 voltin (rms) eristysjännitteen ansiosta tämä älykkäiden hilaohjainten perhe soveltuu kaikkiin 600 voltin vaihtojännitteellä toimiviin järjestelmiin ja täyttää turvastandardit UL 1577 ja EN 60747. IGBT-sovelluksissa ohjain tukee enimmillään 50 kilohertsin kytkentätaajuuksia, mutta SiC MOSFETia voidaan ohjata jopa 600 kHz taajuudella.

Etenemisviive on ±150ns TLP5212-piirille sekä ±80ns TLP5214:lle ja TLP5214A:lle. Suurempien hilavirtojen hyödyntämiseksi tarjolla on myös älykäs esiohjainpiiri TLP5231, jonka avulla suunnittelutiimit voivat määrittää hilaohjatut MOSFET-kytkimensä skaalautumaan kunkin sovelluksen asettamiin vaatimuksiin.

Helpotusta suunnitteluun

Erillisten komponenttien avulla voidaan hoitaa vianilmaisut ja Miller-kapasitanssin vaikutukset tehopiireissä. Tällainen lähestymistapa vaatii kuitenkin reilusti piirilevyalaa ja paljon osia sekä runsaasti aikaa toteutuksen testaamiseen ja optimointiin. Suunnitelmalta vaaditaan myös turvasertifikaatti.

Älykkäät hilaohjaimet sen sijaan integroivat kaikki piiriosat, joita tarvitaan DESAT-vianilmaisuun samalla, kun voidaan välttää negatiivisen syötön tarve Miller-lukitusta hyödyntämällä. Tässä esitellyn turvasertifioidun hilaohjainvalikoiman skaalautuvuus tarjoaa tuen monenlaisiin tehotarpeisiin sekä perinteisille IGBT- ja pii-MOSFET-sovelluksille että niille, jotka ovat siirtymässä nopeisiin kytkentäsovelluksiin SiC MOSFETien avulla.

MORE NEWS

Linuxin suorituskyky parani

Linux 6.16 -ytimen julkaisu tuo merkittäviä parannuksia suorituskykyyn, laitetukeen ja kehitystyökaluihin. Uusi versio on nyt saatavilla, ja se sisältää useita päivityksiä, jotka hyödyttävät sekä työpöytäkäyttäjiä, palvelinympäristöjä että tekoälysovellusten kehittäjiä.

Sulautetut laitteet kovassa kyberpuristuksessa – näin laitevalmistaja täyttää uudet EU-vaatimukset

ETN - Technical articleEuroopan unionin uusi kyberkestävyyssäädös mullistaa sulautettujen laitteiden turvallisuusvaatimukset. Kolmen vuoden siirtymäaika ei jätä aikaa hukattavaksi: laitevalmistajien on kyettävä päivittämään ohjelmistonsa systemaattisesti ja todennettavasti koko tuotteen elinkaaren ajan. Miten tämä käytännössä onnistuu?

Älypuhelimien muisti nopeutuu merkittävästi

Kioxia on julkistanut ensimmäisenä valmistajana markkinoille UFS 4.1 -standardia tukevat sulautetut flash-muistipiirit. Uutuus, joka perustuu yrityksen 8. sukupolven BiCS FLASH -teknologiaan ja innovatiiviseen CBA-arkkitehtuuriin (CMOS suoraan sidottuna muistimatriisiin), on suunniteltu erityisesti tulevaisuuden mobiililaitteisiin.

Microsoftin Copilot vie markkinaosuuksia ChatGPT:ltä

Microsoftin Copilot on ottanut nopeassa ajassa merkittävän aseman tekoälykilpailussa, syöden markkinaosuutta ChatGPT:ltä, joka on hallinnut markkinaa usean vuoden ajan. Stocklyticsin julkaisemien tietojen mukaan ChatGPT:n globaali markkinaosuus laski kahdessa kuukaudessa 84,21 prosentista 79,86 prosenttiin – eli 4,35 prosenttiyksikköä.

FileFix on pirullinen tapa kaapata käyttäjän tietokone

Tietoturvayritys Check Pointin tutkijat ovat paljastaneet uudenlaisen, erityisen ovelan kyberhyökkäystekniikan nimeltä FileFix, joka osoittaa, kuinka tehokkaasti hyökkääjät voivat hyödyntää käyttäjien rutiineja ja luottamusta tuttuihin työkaluihin. Toisin kuin perinteiset haittaohjelmat, FileFix ei hyödynnä teknisiä haavoittuvuuksia — se käyttää hyväkseen pelkästään ihmisen käyttäytymistä.

LabVIEW sai älykkään apurin - ja hänen nimensä on Nigel

NI:n nykyään omistava Emerson on julkistanut uuden tekoälypohjaisen työkalun, Nigel AI Advisorin, joka tuo älykkyyttä ja käytännön tukea insinöörien päivittäiseen testaustyöhön. Nigel integroituu osaksi NI:n tunnetuimpia LabVIEW- ja TestStand -testaus- ja mittausohjelmistoja.

Hotardin ensimmäiset luvut kärsivät dollarin ongelmista

Nokian vertailukelpoinen liikevaihto laski yhden prosentin ilman valuuttavaikutuksia, vaikka raportoitu liikevaihto nousi 2 %:a 4,55 miljardiin euroon. Vertailukelpoinen liikevoittomarginaali putosi 6,6 prosenttiin, ja liikevoitto jäi 301 miljoonaan euroon – 29 % vähemmän kuin vuotta aiemmin.

5G-puhelimien nopeus kasvaa – testaus tukee uusia ratkaisuja

Vuosi 2025 tuo merkittävän harppauksen 5G-puhelimien suorituskykyyn, kun käyttöön otetaan uusia teknologioita 3GPP:n Release 17 -standardin myötä. Yksi keskeinen parannus on tuki uudelle 1024QAM-modulaatiolle, joka mahdollistaa jopa 25 prosenttia suuremman datanopeuden verrattuna aiemmin käytettyyn 256QAM:iin.

Nokialta tulosvaroitus heikentyvän dollarin takia

Nokia on antanut tulosvaroituksen ja alentanut koko vuoden 2025 vertailukelpoisen liikevoiton näkymiään. Yhtiö odottaa nyt liikevoitoksi 1,6–2,1 miljardia euroa, kun aiempi arvio oli 1,9–2,4 miljardia euroa. Syynä näkymien laskuun on Yhdysvaltain dollarin heikentyminen sekä tariffeihin liittyvät vaikutukset.

Tekoälyn kehitys hyötyy suuresti PCIe 5.0:sta

Tekoälyn huima kehitys, erityisesti generatiivisen tekoälyn saralla, vaatii yhä nopeampia ja tehokkaampia tietojenkäsittelyratkaisuja. Uusin esimerkki tästä kehityssuunnasta on PCI Express 5.0 -väylän nopea yleistyminen datakeskuksissa, missä se tarjoaa merkittäviä hyötyjä tekoälysovellusten suorituskyvylle ja tehokkuudelle.

Näin Samsung laihdutti Fold 7:n

Samsungin tuorein taittuvanäyttöinen lippulaiva, Galaxy Z Fold7, on yhtiön ohuin ja kevein fold-malli koskaan. Vuodesta 2019 asti Samsung on kehittänyt taittuvia laitteitaan tavoitteenaan yhdistää taskukoko ja suurinäyttöinen käyttökokemus. Uusin Fold7 osoittaa, että tämä visio on nyt toden teolla saavutettu.

Yksi verkko löytää laitteet kaikkialla maailmassa

Yhdysvaltalainen startup-yritys Hubble Network on ottanut merkittävän harppauksen laitteiden paikannuksessa: se on käynnistänyt maailman ensimmäisen satelliittipohjaisen Bluetooth Low Energy (BLE) -seurantaverkon. Uuden verkon ansiosta Bluetooth-laitteet voidaan jäljittää lähes missä tahansa maailmassa. Mobiiliverkkoja ei tarvita.

Koko 5G-tukiasema toteutettiin ensimmäistä kertaa x86-kortilla

5G-tekniikassa on saavutettu merkittävä virstanpylväs, kun SolidRun ja Amarisoft julkistivat maailman ensimmäisen täysin toimivan 4G/5G-tukiaseman, joka toimii sulautetulla x86-pohjaisella tietokonekortilla. Ratkaisu hyödyntää SolidRunin AMD Ryzen Embedded V3000 -pohjaista COM-moduulia (Com Express Type 7) ja HoneyComb-alustaa, jotka tarjoavat operaattoritason suorituskyvyn kompaktissa muodossa.

AMD tuo kovinta suorituskykyä työasemiin, mutta hinta nousee taivaisiin

AMD on virallisesti julkistanut uuden Ryzen Threadripper PRO 9000 WX -sarjan, joka tuo huipputehokkaan Zen 5 -arkkitehtuurin vaativaan työasemamarkkinaan. Sarjan kärkimalli tarjoaa ennennäkemätöntä suorituskykyä – mutta myös lähes 12 000 dollarin hinnan.

ADI tuo koneoppimismallit sulautettuihin laitteisiin helposti

Analog Devices on julkaissut yhteistyössä teknologiayritys Antmicron kanssa uuden työkalun, joka tekee koneoppimismallien kehittämisestä ja käyttöönotosta sulautetuissa järjestelmissä huomattavasti yksinkertaisempaa. Uusi AutoML for Embedded -ratkaisu on nyt saatavilla avoimen lähdekoodin Kenning-kehyksen osana.

Ansys-jättikauppa valmistui – Synopsysin asiakkaille isoja etuja

Synopsys on saattanut päätökseen yli 35 miljardin dollarin Ansys-yrityskaupan, joka mullistaa elektroniikan ja järjestelmien suunnittelun tarjoamalla asiakkaille laajennetun työkalupaletin siruista kokonaisjärjestelmiin.

Suomi ei enää 5G-kärjessä – Ooklan raportti paljastaa yllättäviä eroja Euroopassa

Tuore Ooklan raportti maalaa yllätyksellisen kuvan Euroopan 5G-tilanteesta: perinteisesti mobiiliteknologian etulinjassa kulkenut Suomi ei enää yllä kärkisijoille 5G-peitossa. Sen sijaan Tanska, Ruotsi ja Sveitsi johtavat nyt kattavuustilastoja, kun taas Suomi jää alle EU:n keskiarvon.

AFE-tehopiireissä ratkaisee oikea tasapaino

ETN - Technical articleAnalogisen etupään (AFE) valinta on keskeinen osa tehosovelluksen suunnittelua. Valinta on usein tasapainottelua suorituskyvyn, kustannusten ja toteutuksen monimutkaisuuden välillä – integroidusta SoC-ratkaisusta aina erilliskomponentteihin asti.

Kiina rajoittaa sähköautojen akkuteknologioiden vientiä länteen

Peking on ilmoittanut uusista rajoituksista, jotka vaikeuttavat keskeisten sähköautojen akkuteknologioiden siirtoa ulkomaille. Kiinan kauppaministeriön mukaan kahdeksan avainteknologian vienti — mukaan lukien sähköautojen edullisiin akkuihin liittyvät ratkaisut — edellyttää jatkossa valtion myöntämää vientilupaa. Päätös tuli voimaan välittömästi. Asiasta raportoi NY Times -lehti.

OnePlussan uusi myyntitykki tulee vaikeille markkinoille

Maailmanlaajuinen älypuhelinmarkkina kasvoi vaivaisen prosentin vuoden 2025 toisella neljänneksellä, kertoo tutkimusyhtiö IDC. Taloudellinen epävarmuus, Kiinan heikko kysyntä ja inflaatio painavat erityisesti halvempien Android-puhelinten myyntiä. Näissä oloissa OnePlus tuo markkinoille uuden Nord CE5 -mallinsa – edullisen, mutta ominaisuuksiltaan yllättävän kovan laitteen.

article