Опора на опыт производителя: референсные платформы Maxim Integrated

1 октября 2014

Maxim Integratedстатья

Аналоговые входы и фронтэнды, преобразователи напряжения и схемы датчиков на базе микросхем MAXIM Integrated – зачем разрабатывать и тестировать это самим тратя время и ресурсы и замедляя выход на рынок нового изделия? Компания-производитель предлагает широкую линейку так называемых референсных платформ – готовых разработок, настроенных и отлаженных, поставляемых в коробках и отвечающих принципу «вытащи и включи».

Самое главное при создании нового устройства – грамотный подбор комплектующих по характеристикам и цене. Но если для несложных компонентов достаточно изучить документацию и ценовые предложения, то для ключевых элементов схемы все гораздо сложнее. Неоценимую помощь в подборе и сравнении таких компонентов нам окажут так называемые референсные платформы с образцом разработки и комплектом сопутствующей документации, которые готовы к тестированию сразу после извлечения из коробки.

Современные интегральные схемы уже давно достигли такого уровня сложности, что даже для создания полноценного макета, наилучшим образом раскрывающего все особенности компонента (набора компонентов), необходимо проводить полномасштабный НИОКР. Зачастую в небольших компаниях недостаток опыта и квалификации инженерного персонала не позволяют создать качественный макет (требуется правильная трассировка земли, ВЧ-проводников, развязка питания), что, в итоге, при сравнении с аналогичными предложениями конкурирующих производителей может приводить к ложным выводам. А при опытном и мелкосерийном производстве возникают дополнительные проблемы: мало изготовить сам макет – для его полноценного испытания также необходимо разрабатывать или закупать стендовое оборудование для производства, наладки, тестирования, калибровки макета, нести расходы по сертификации и содержанию лаборатории…

В таких случаях наилучшее решение – использование готовых референсных платформ. Компания MAXIM предлагает широкий ассортимент платформ – от сравнительно несложных источников питания до гальванически развязанных цифровых и аналоговых фронтэндов и интеллектуальных датчиков, совместимых с HART-протоколом. Неполный список платформ, которые компания MAXIM предлагает разработчикам, перечислен в таблице 1, более подробную информацию о каждой платформе можно получить на сайте компании [1]. Рассмотрим подробнее эти платформы.

Таблица 1. Неполный список платформ производства компании MAXIM

Наименование Описание Тип
MAXREFDES4 (CAMPBELL) 16-битный прецизионный изолированный аналоговый вход (4…20 мА) Аналоговые входы
MAXREFDES5 (SANTA FE) 4-канальный 16-битный прецизионный изолированный аналоговый вход (±12 В, 4…20 мА) Аналоговые входы (MAX1301)
MAXREFDES6 (FREMONT) 16-битный прецизионный изолированный аналоговый вход (0…100 мВ) Аналоговые входы
MAXREFDES7 (LAKEWOOD) Изолированный преобразователь напряжения, вход 3,3 В, выход ±12 В (±15 В) Преобразователь напряжения
MAXREFDES8 (RIVERSIDE) Изолированный преобразователь напряжения, вход 3,3 В, выход 12 В (15 В) Преобразователь напряжения
MAXREFDES9 (OCEANSIDE) Изолированный преобразователь напряжения, вход 3,3…15 В, выход ±15 В (±12В) Преобразователь напряжения
MAXREFDES11 (FRESNO) 16-битный прецизионный изолированный аналоговый вход (0…10 В) Аналоговые входы
MAXREFDES12 (CORONA) 8-входовый изолированный дискретный вход с SPI интерфейсом Сериалайзер
MAXREFDES14 (SONOMA) Изолированный микропроцессорный измеритель мощности Измеритель мощности
MAXREFDES15 (MONTEREY) Сверхмаломощный прецизионный 2-проводный термодатчик 4…20 мА Термодатчик 4…20 мА
MAXREFDES16 (NOVATO) Интеллектуальныйтермодатчик 4…20 мА , совместимый с HART-протоколом Термодатчик с HART 4…20 мА
MAXREFDES18 (CARMEL) 1-канальный изолированный аналоговый выход
(±10 В, ±20 мА)
Аналоговые выходы (MAX15500)
MAXREFDES23 (SANTA CRUZ) Датчик освещенности с интерфейсом IO-LINK IO-Link
MAXREFDES24 (ALAMEDA) 4-канальный изолированный аналоговый выход
(±10 В, ±20 мА)
Аналоговые выходы (MAX15500)
MAXREFDES30 (PETALUMA) 8-канальный 16-битный аналоговый вход на АЦП с одновременными преобразованиями (±10 В) Аналоговые входы (MAX11046B)
MAXREFDES31 (PASADENA) PoE-преобразователь напряжения, выход 3 и 5 В PoE-преобразователь напряжения
MAXREFDES33 (PALO VERDE) Понижающий импульсный преобразователь, вход 4,5…60 В, выход 3,3 В Преобразователь напряжения (MAX15062)
MAXREFDES71 (GREENBRAE) 2 входа, 2 выхода, 16-битный прецизионный изолированный аналоговый фронтэнд (±10 В, ±20 мА) Аналоговые порты

Преобразователи напряжения

Качественный источник питания – гарантия надежной и стабильной работы любой прецизионной схемы. Очень часто не удается достичь заявленных в документации характеристик только из-за слишком больших пульсаций и плохой развязки источника питания. Также часто возникают затруднения при питании схемы от экзотического источника – например, через кабель Ethernet или при очень широком диапазоне входного напряжения (например, 4,5…60 В), особенно если при этом нужно достичь малых габаритов и высокого КПД. Рассмотрим некоторые решения, которые компания MAXIM предлагает разработчикам.

Palo Verde (MAXREFDES33#) – понижающий источник питания, собранный на базе уникального синхронного buck-конвертора MAX15062 [2]. Платформа демонстрирует возможности этого чипа, а они довольно впечатляющи – при выходном напряжении 3,3 В и токе нагрузки до 300 мА входное напряжение может быть в пределах 4,5…60 В, а КПД достигать 86% при питании от 24 В. Это решение подходит для питания промышленных контроллеров и датчиков, для драйверов токовой петли и для замены высоковольтных линейных регуляторов.

Рис. 1. Однополярный изолированный преобразователь напряжения RIVERSIDE (MAXREFDES8#)

Рис. 1. Однополярный изолированный преобразователь напряжения RIVERSIDE (MAXREFDES8#)

RIVERSIDE (MAXREFDES8#) и LAKEWOOD (MAXREFDES7#) – соответственно, однополярный и двуполярный изолированные преобразователи напряжения (рисунок 1). При питающем напряжении 3,3 В они обеспечивают выходное напряжение, соответственно, +12 или ±12 В. Платформы демонстрируют возможности полумостового низковольтного драйвера трансформатора MAX256 и линейных LDO-стабилизаторов MAX1659. Применение такого решения – питание промышленных датчиков и автоматики, медицинских приборов и других малопотребляющих схем, требующих гальванически развязанного питания.

OCEANSIDE (MAXREFDES9#) – плата, способная работать в широком диапазоне питающих напряжений (3,3…15 В) благодаря использованию на входе повышающего преобразователя MAX668. Напряжение на выходе этого преобразователя всегда равно 16 В, что позволило выбрать трансформатор с соотношением числа витков 1:1 и несколько увеличить КПД за счет уменьшения падения напряжения на выходных линейных стабилизаторах (так как здесь не используется обратная связь по напряжению). Эта платформа демонстрирует наиболее эффективное построение изолированных преобразователей с широким диапазоном питающих напряжений (рисунок 2).

Рис. 2. Отладочная платформа OCEANSIDE (MAXREFDES9#)

Рис. 2. Отладочная платформа OCEANSIDE (MAXREFDES9#)

PASADENA (MAXREFDES31#) – power-over-Ethernet-преобразователь с выходной мощностью до 21 Вт (класс 4) и полной гальванической развязкой. В качестве ШИМ-преобразователя используется уникальный чип MAX5974A с активным снаббером на внешнем транзисторе. Для стабилизации выходного напряжения чипу не требуется оптрон обратной связи. При этом нестабильность выходного напряжения +3,3 В не превышает доли процента во всем рабочем диапазоне напряжений и токов, а КПД превышает 90%. В качестве управляющего контроллера используется полностью совместимый с IEEE® 802.3af/at MAX5969B. Сферы применения данного устройства – IP-камеры, беспроводные роутеры, платежные терминалы с питанием через Ethernet-кабель. Плата имеет два выхода: +3,3 В (до 1,8 А) и +5 В (до 3 А), однако по запросу может поставляться только с одним выходом и/или с оптроном обратной связи.

Аналоговые порты

Современные микроконтроллеры и ПЛИС оснащены, как правило, низковольтными АЦП невысокого разрешения. Однако для промышленных датчиков и автоматики, медицинских и измерительных приборов требуются совершенно другие АЦП – высокого разрешения и точности, с широким диапазоном входных и выходных напряжений и часто – c гальванической развязкой аналоговых цепей. Рассмотрим образцы референсных платформ Maxim, соответствующих этим требованиям. Все они совместимы с ZedBoard™ platform (Zynq®-7020) и/или Nexys™ 3 Platform (Spartan®-6) В помощь разработчику также доступны для скачивания исходные тексты и руководства по быстрому старту.

FREMONT (MAXREFDES6#) – прецизионный аналоговый вход с неизолированным питанием. Платформа построена на основе миниатюрного маломощного (всего 2,45 мВт при 200 кВ/с) прецизионного 16-битного АЦП MAX11100 с входным буферным усилителем на ультрапрецизионном малошумящем ОУ MAX9632. В качестве источника образцового напряжения (4,096 В) используется MAX6126 (начальная погрешность не хуже ±0,02% и температурный коэффициент не хуже 3 ppm/°С), для изоляции шины данных – MAX14850. Амплитуда входного сигнала должна находиться в пределах 0…+100 мВ (полная шкала), поэтому платформа подходит для низковольтных датчиков, медицинских приборов и других применений, требующих гальванической изоляции шины данных, высокой точности и высокоимпедансного низковольтного входа.

CAMPBELL (MAXREFDES4#) и FRESNO (MAXREFDES11#) – полностью изолированные аналоговые входы, отличающиеся от рассмотренной ранее FREMONT только гальванической развязкой питания (MAX256) и использованием в качестве входного буфера MAX44250 – ультрапрецизионного автокалибрующегося ОУ с наименьшим в отрасли (на момент написания статьи) коэффициентом шумов (5,9 нВ/√Гц). Платформа CAMPBELL работает с токовым сигналом 4…20 мА или входным напряжением +0,2…+4,096 В, а FRESNO (рисунок 3) – со входным напряжением 0…+10 В. Обе платформы пригодны для работы с индустриальными датчиками и автоматикой, могут применяться в медицинских и других приборах, где необходима полная гальваническая развязка аналоговых цепей.

Рис. 3. Полностью изолированный аналоговый вход FRESNO (MAXREFDES11#)

Рис. 3. Полностью изолированный аналоговый вход FRESNO (MAXREFDES11#)

SANTA FE (MAXREFDES5#) – полностью изолированный 16-битный аналоговый вход в сравнительно малом форм-факторе, имеющий практически все необходимые порты (рисунок 4). В основе платформы лежит уникальный АЦП MAX1301, способный при питании от одного источника +5 В корректно работать со входным двуполярным сигналом амплитудой до ±16,5 В. Еще одна особенность этого АЦП – он оснащен встроенным делителем и схемой смещения уровня входного сигнала, благодаря которым микросхема при необходимости может с повышенной точностью измерять только отрицательные, только положительные, или двуполярные значения входного сигнала разной амплитуды (амплитуда полной шкалы представлена на рисунке 5), причем режимы переключаются полностью аппаратно.

Рис. 4. Полностью изолированный 16-битный аналоговый вход SANTA FE (MAXREFDES5#)

Рис. 4. Полностью изолированный 16-битный аналоговый вход SANTA FE (MAXREFDES5#)

Из недостатков MAX1301 следует отметить сравнительно большой входной ток (до ±1 мА и более) из-за использования неотключаемых входных буферов со входным сопротивлением 17 кОм, поэтому на платформе SANTA FE входы AIN0 и AIN2 буферизованы ОУ MAX9632. Шина данных АЦП изолирована микросхемой MAX14850, питание – полумостовым драйвером трансформатора MAX256. Благодаря этим особенностям платформа SANTA FE может выступать в качестве законченного модуля сбора данных для измерительной, медицинской техники, промышленных систем и автоматики.

Рис. 5. Амплитуда полной шкалы для входа SANTA FE

Рис. 5. Амплитуда полной шкалы для входа SANTA FE

PETALUMA (MAXREFDES30#) – восьмиканальная система сбора данных, построенная на базе АЦП с одновременными преобразованиями MAX11046B [3] (рисунок 6). Для некоторых устройств, осуществляющих контроль и измерение мощности в трехфазной сети, корректоров коэффициента мощности, датчиков веса или вибрации требуется одновременно измерять сразу несколько величин, иначе увеличивается суммарная погрешность измерения. Недорогой восьмиканальный 16-битный АЦП MAX11046B с частотой дискретизации до 250 кс/с идеально подходит для решения таких задач.

Рис. 6. Восьмиканальная система сбора данных PETALUMA (MAXREFDES30#)

Рис. 6. Восьмиканальная система сбора данных PETALUMA (MAXREFDES30#)

В качестве входных буферов на платформе используются счетверенные ультрапрецизионные сверхмалошумящие ОУ MAX44252, в качестве источника опорного напряжения – MAX6126. Платформа имеет стандартный FMC-разъем и совместима с ZedBoard™ platform (для бесплатного скачивания доступны файлы конфигурации) и большинством других макетных плат, имеющих такой разъем. В отличие от остальных, рассмотренных в этой статье платформ, PETALUMA не имеет гальванической развязки.

GREENBRAE (MAXREFDES71#) – полностью изолированный аналоговый фронтэнд, имеющий два входных канала (±10 В или ±20 мА) и два выходных канала (±10 В или ±20 мА). В качестве АЦП использованы два 16-битных MAX11166 500 кс/с, в качестве ЦАП – пара прецизионных малошумящих MAX5316, на входах и выходах установлены высоковольтные малошумящие ОУ MAX9633. Каждый АЦП и ЦАП подключен к управляющему устройству через индивидуальный изолятор MAX14850, однако питание – общее для всех микросхем, поэтому полной гальванической изоляции каналов друг от друга здесь нет. Подключение платформы осуществляется через FMC-разъем, питание – +5 и +24 В, на плате предусмотрены все необходимые преобразователи и стабилизаторы.

SONOMA (MAXREFDES14#) – полностью изолированный микропроцессорный измеритель мощности. Уникальная особенность платформы – для передачи питания и считывания данных с изолированного измерительного модуля (двухвходовый дельта-сигма АЦП MAX78700) требуется всего один малогабаритный трансформатор с парой обмоток. Управляет АЦП контроллер MAX78615+LMU, который может одновременно работать с двумя такими АЦП, имеет встроенное 24-битное процессорное ядро, автоматически вычисляющее практически все необходимые для измерения мощности параметры. Для связи с ним можно использовать любой интерфейс – UART, SPI или I2C. Эта система обеспечивает измерение мощности с погрешностью менее ±0,5% во всем динамическом диапазоне (после калибровки в одной точке) и, учитывая компактность решения (рисунок 7) и суммарную стоимость обоих чипов порядка $2,5, делает эту разработку эталонной для малогабаритных изолированных измерителей мощности. В качестве датчика тока используется низкоомный резистор, что дополнительно удешевляет данное решение.

Рис. 7. Полностью изолированный микропроцессорный измеритель мощности SONOMA (MAXREFDES14#)

Рис. 7. Полностью изолированный микропроцессорный измеритель мощности SONOMA (MAXREFDES14#)

CARMEL (MAXREFDES18#) – полностью изолированный одноканальный аналоговый модуль с универсальным выходом (генерирует ток до ±20 мА или напряжение ±10 В). Сигнал через цифровой изолятор MAX14850 поступает на вход 16-битного ЦАП MAX5316 и с его выхода – на универсальный драйвер-нормирователь MAX15500 [4]. Платформа демонстрирует возможности этого драйвера – он управляется через SPI-интерфейс, совместим с протоколом HART и на едином выходе способен генерировать несколько поддиапазонов напряжения или тока. Драйвер имеет все необходимые для промышленных устройств защиты: от перегрузки (до ±35 В), обрыва или короткого замыкания линии нагрузки, перегрева и снижения напряжения питания. Он способен генерировать прерывание при возникновении ошибки. Платформа подключается через Pmod-разъем и требует только одного источника питания +3,3 В.

ALAMEDA (MAXREFDES24#) – полностью изолированный четырехканальный аналоговый модуль с универсальным выходом. От CARMEL отличается применением обратноходового преобразователя питания MAX17498B, четырехканального 16-битного ЦАП MAX5134 и четырех драйверов MAX15500. Напряжение питания платформы – 24 В.

CORONA (MAXREFDES12#) – полностью изолированный драйвер дискретного входа. В его основе лежит микросхема MAX31911 – восьмивходовый сериалайзер с высоковольтными входами до +36 В (если применены последовательные резисторы, входное напряжение может быть еще выше), настраиваемой функцией фильтрации дребезга (0…3 мс), ограничением тока (0,5…6 мА) и встроенным формирователем контрольной суммы CRC. SPI-выход микросхемы изолирован с помощью MAX14850. Данное решение идеально подходит для реализации дискретных входов в промышленной электронике и других устройствах с питанием +12…24 В.

Датчики

Особые затруднения в промышленной электронике возникают при подключении прецизионных датчиков. Ведь мало добавить платиновую термопару и операционный усилитель – нужно еще оцифровать сигнал и передать его по одному из промышленных интерфейсов. Инженеры компании MAXIM успешно решили эти проблемы, спроектировав сразу несколько референсных платформ.

SANTA CRUZ (MAX­REF­DES23#) – самый маленький в мире (на момент написания статьи) датчик освещенности и температуры с поддержкой интерфейса IO-Link. Его размеры составляют всего 6,5х25 мм, и при этом он измеряет как видимый свет, так и отдельно красный, зеленый, синий и инфракрасный. Система основана на уникальном датчике освещенности MAX44008 [5], IO-Link-трансивере MAX14821 и маломощном микроконтроллере Renesas семейства RL78. Плата оснащена стандартным M12 IO-Link-разъемом и полностью готова к работе. Сферы применения – промышленные (24 В DC) датчики освещенности, контраста, цветовая сор­ти­ровка, анализ газов и жидкостей и многое другое.

MONTEREY (MAXREFDES15#) – маломощный прецизионный термодатчик с токовым выходом. Напряжение с платиновой термопары (рисунок 8) через 24-битный АЦП поступает на вход микроконтроллера, который через 16-битный ЦАП управляет драйвером токовой петли. Такое решение позволяет программно обрабатывать оцифрованные данные и, при необходимости, легко масштабировать систему. Несмотря на сравнительно большое количество микросхем, потребляемый ток не превышает 2,1 мА, а погрешность в диапазоне -100…100°С не превышает 0,25% с разрешением 10000 отсчетов. Питание платформы +10…40 В, она имеет низкую чувствительность к шумам и отлично подходит для недорогих термодатчиков, работающих на сравнительно длинных линиях.

Рис. 8. Схема маломощного прецизионного термодатчика MONTEREY (MAXREFDES15#)

Рис. 8. Схема маломощного прецизионного термодатчика MONTEREY (MAXREFDES15#)

Рис. 9. Маломощный универсальный прецизионный термодатчик NOVATO (MAXREFDES16#)

Рис. 9. Маломощный универсальный прецизионный термодатчик NOVATO (MAXREFDES16#)

NOVATO (MAXREFDES16#) – маломощный универсальный прецизионный термодатчик с токовым выходом и встроенным HART-модемом, изготовленный в DIN-формфакторе (рисунок 9). В отличие от Monterey, у Novato имеется универсальный вход, позволяющий подключать термопары по 2-, 3- или 4-проводной схеме с автокомпенсацией сопротивления проводов, расширен диапазон измеряемых температур (-200…850°C с разрешением менее 0,03°С и погрешностью не более ±1°С) и добавлен HART-модем DS8500. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 16-битный дельта-сигма АЦП MAX11213, ЦАП – 16-битный MAX5216, управляет всей системой малопотребляющий микроконтроллер RL78/G13 производства Renesas.

Novato – полностью законченное решение, которое можно сразу использовать по назначению. Для удобства калибровки и настройки производитель предлагает воспользоваться бесплатным приложением Novato calibration software. Для коммуникации с компьютером используется фирменный USB-UART адаптер. Стек HART предоставлен компанией AB Tech Solution, он поддерживает все универсальные и большинство часто используемых команд.

 

Заключение

Согласно исследованиям General Motors, для устранения ошибки, обнаруженной на следующей стадии процесса (в том числе и разработки), потребуется в десятки раз больше ресурсов, чем в случае, если она обнаружена своевременно. Поэтому, несмотря на сравнительную дороговизну референсных платформ, они позволяют разработать прототип и запустить производство с минимальными экономическими и временными затратами. Референсная платформа – это не только готовая плата с исходными файлами и задокументированными результатами измерений, это еще и рекомендации по трассировке и монтажу, выбору компонентов и приложения для калибровки и снятия показаний. И все это можно использовать при проектировании своего устройства! Референсную платформу не нужно предварительно тестировать и настраивать – все это сделано на заводе-изготовителе, поэтому ее можно без опаски включать в состав разрабатываемого устройства, не беспокоясь за достоверность обеспечиваемых ею результатов.

 

Литература

  1. Maxim reference designs
  2. Андрей Колдунов. Goodbye, Schottky Diode! Здравствуй, высокая эффективность и компактность источников питания! // Новости электроники №6/2013.
  3. Константин Староверов. Аналогово-цифровые преобразователи: новинки от Maxim//Новости электроники №5/2010.
  4. Роман Иванов. Все для работы с токовой петлей от Maxim Integrated // Новости электроники №6/ 2013.
  5. Александр Калачев. «Свето-цвето-температурная идентификация включена!» – семейство датчиков оптического излучения MAX4400x // Новости электроники №6/2013.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее