Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка перспективных технологий и конструкций серии интегральных микросхем мультифункционального контроля и управления источниками вторичного электропитания энергоэффективных светодиодных систем (этап 3)

Номер контракта: 14.579.21.0089

Руководитель: Васильев Владислав Юрьевич

Должность: заместитель генерального директора

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
интегральная микросхема мультифункционального контроля и управления, источник вторичного электропитания, источник постоянного тока, драйвер тока для светодиодов, шим-модулятор, стабилизатор постоянного тока, обратная связь в источниках питания импульсного типа, кмоп технологический процесс

Цель проекта:
1. Источники вторичного электропитания (ИВЭП) применяются в системах освещения, промышленной автоматике, транспортных средствах, средствах телекоммуникации и в других отраслях техники. В последнее время особое внимание привлечено к ИВЭП, функционирующим в режиме источника постоянного тока (так называемые драйверы тока) для светодиодов, поскольку необходимость энергосбережения диктует ускоренный переход осветительной техники во всём народном хозяйстве от ламп накаливания к экономичным светодиодным светильникам. При этом постоянно ужесточаются требования к выходным параметрам ИВЭП в статических и динамических режимах, в том числе к стабильности выходного тока и к уровню его пульсаций. Достижение требуемых параметров возможно за счёт применения новых схемотехнических решений, реализация которых сопряжена с необходимостью увеличения массогабаритных характеристик ИВЭП, а также имеет своим следствием возрастание потребляемой мощности. С другой стороны, постоянно ужесточаются требования к материалоёмкости, массогабаритным характеристикам и энергоэффективности ИВЭП. Наиболее эффективным решением указанной проблемы является разработка специализированных интегральных микросхем (ИМС) мультифункционального контроля и управления (ИМС МФКУ) ИВЭП, обеспечивающих высокостабильный ток/напряжение в/на нагрузке, а также минимум пульсаций при малом собственном энергопотреблении. 2. Разработка комплекса научно-технических решений, предназначенных для создания перспективных технологий и конструкций серии интегральных микросхем (ИМС) мультифункционального контроля и управления (МФКУ) для источников вторичного электропитания (ИВЭП), обеспечивающих высокую стабильность выходного тока/напряжения, работоспособность в широком диапазоне нагрузок с высоким коэффициентом полезного действия и предназначенных для применения в системах электропитания светодиодных, радиоэлектронных, телекоммуникационных и иных устройств.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты:
1.1. Научно-технические решения для проектирования топологии сложно-функциональных блоков интегральных микросхем.
1.2. Лабораторная технология изготовления кристаллов экспериментальных образцов (ЭО) ИМС МФКУ.
1.3. Лабораторная технология сборочных операций изготовления ЭО ИМС МФКУ.
1.4. Проект технического задания (ТЗ) на ОКР по теме: «Разработка интегральных микросхем мультифункционального контроля и управления источниками вторичного электропитания энергоэффективных светодиодных систем».
1.5. Промежуточные и заключительные отчеты по ПНИЭР, содержащие:
а) результаты аналитических исследований конструктивных особенностей современных источников электропитания и ИМС для источников электропитания;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) результаты экспериментальных исследований по апробации разрабатываемых технических и технологических решений, в том числе, в реальных условиях эксплуатации;
г) обобщение и выводы по результатам ПНИЭР.

2. Основные характеристики планируемых результатов:
2.1. ИМС МФКУ должны разрабатываться по высоковольтной КМОП технологии с рабочим напряжением до 30 В с топологическими нормами 180 – 350 нм.
2.2. Лабораторная технология изготовления ЭО ИМС МФКУ должна обеспечивать полный цикл корпусирования ЭО ИМС МФКУ.
2.3. Серия ИМС МФКУ, разрабатываемая в ПНИЭР, должна включать в себя три типа ИМС, предназначенных для ИВЭП, функционирующих в режимах постоянного тока, постоянного напряжения и высокостабильного тока/напряжения в нагрузке (далее обозначаются как ИМС МФКУ №1, ИМС МФКУ №2, ИМС МФКУ №3, соответственно).
2.4. ЭО ИМС МФКУ №1 предназначена для управления функциональными узлами ИВЭП, функционирующего в режиме источника постоянного тока, с целью достижения высокой стабильности выходных параметров при предельно малом собственном энергопотреблении.
2.5. ЭО ИМС МФКУ №2 предназначена для управления функциональными узлами ИВЭП, обеспечивающего питание нагрузки постоянным напряжением, с целью достижения высокой стабильности выходных параметров в широком диапазоне выходных напряжений при предельно малом собственном энергопотреблении.
2.6. ЭО ИМС МФКУ №3 предназначена для управления функциональными узлами ИВЭП, обеспечивающего высокостабильный ток в нагрузке, либо высокостабильное напряжение на нагрузке при минимизации потерь на выходном выпрямителе ИВЭП с целью повышения общей энергоэффективности ИВЭП в широком диапазоне выходных токов и напряжений при предельно малом собственном энергопотреблении.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта, являются высокоэффективные системы электропитания средней мощности (10…300 Вт), разрабатываемые Индустриальным партнером проекта с ориентацией на промышленные и бытовые светодиодные системы.
2. На разработанные Индустриальным партнером ИВЭП технические решения получены патенты и поданы заявки на зарубежное патентование.
3. Полных аналогов разрабатываемых ИМС МФКУ в настоящее время не найдено. Ближайшим аналогом являются микросхемы серии NCP4328 фирмы ON Semiconductor, которые существенно уступают ИМС МФКУ по функциональным возможностям и выходному току. Отечественные ИМС данного типа отсутствуют.
4. В ходе проведения ПНИЭР для достижения заявленных результатов должны быть решены следующие задачи:
- разработана оптимальная по критерию минимума потребляемой мощности архитектура ИМС МФКУ;
- разработаны функциональные модели ИМС МФКУ для исследования на системном уровне;
- исследованы и разработаны новые архитектурно-микросхемотехнические принципы реализации СФ блоков по высоковольтному КМОП технологическому процессу с топологическими нормами 180 – 350 нм;
- разработаны принципиальные схемы и топологии серии ИМС МФКУ;
- изготовлены экспериментальные образцы серии ИМС МФКУ;
- проведено исследование экспериментальных образцов ИМС МФКУ.
Возможных ограничений достижения заявленных результатов в настоящее время не прогнозируется.
Возможные риски связаны с использованием зарубежной технологической базы для изготовления кристаллов ЭО ИМС МФКУ (компания TSMC, Тайвань). Данные риски соответствуют временному интервалу запуска изготовления ЭО ИМС МФКУ (январь-март 2016 года).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемая серия ИМС МФКУ предназначена для построения перспективных ИВЭП средней мощности (10…300 Вт) для высокоэффективных систем электропитания с целью использования в промышленных и бытовых светодиодных системах, в радиоэлектронной аппаратуре, в современных системах телекоммуникаций, а также в системах промышленной автоматики, электрохимических устройствах. Использование ожидаемых результатов рассматривается в первую очередь посредством организации отечественного производства серии ИМС МФКУ и ИВЭП на их основе.
2. Внедрение планируется в первую очередь в изделия Индустриального партнера. Перспективой использования ожидаемых результатов является организация отечественного производства серии ИМС МФКУ и различных ИВЭП на их основе.
3. Разработка во многом решает проблемы импортозамещения обширного ассортимента комплектации, необходимой для изготовления современных высокоэффективных ИВЭП средней мощности. Макеты ИВЭП Индустриального партнера проекта, для которых разрабатываются ИМС МФКУ, уже сейчас превосходят ближайшие аналоги (PLEC-100S фирмы Sunpower, Англия; HVGC-100 фирмы MeanWell, Тайвань; MG700-120-Open фирмы Макро Груп, Россия и др.) в части:
- стабильности выходного тока (1% против 4…5% у конкурентов);
- энергоэффективности (КПД) (до 95% против 92% у конкурентов в диапазоне выходной мощности 10…300 Вт),
а также других параметров, таких как уровень пульсаций, температурный диапазон, и массогабаритные характеристики.
4. Международное сотрудничество представляется целесообразным в плане изготовления кристаллов ИМС МФКУ ввиду отсутствия в настоящее время подобных отечественных технологий. Для развития материально-технической инфраструктуры представляется целесообразным организация отечественного сборочного производства ИМС МФКУ.

Текущие результаты проекта:
1) Проанализированы теоретические возможности и варианты реализации ИМС МФКУ, определены основные технологические варианты изготовления, обеспечивающие необходимые параметры ИМС.
2) Проанализированы современные отечественные и зарубежные технологии производства ИМС. Определена наиболее подходящая технология реализации серии ИМС МФКУ - технология BCD025 компании TSMC (Тайвань), имеющая ряд технологических опций для тонкой настройки ИМС (количество слоёв металлизации, типы резисторов, управляющие затворные напряжения), содержащая высоковольтные приборы с рабочим напряжением более 30 В, и приборы с низкими рабочими напряжениями, что позволяет реализовать малопотребляющую схему ИМС МФКУ с сохранением быстродействия и количества функций.
3) Разработаны структурные схемы серии ИМС МФКУ, структурные схемы их основных СФ блоков и их функциональные модели. Описаны основные элементы конструкции ИМС МФКУ и СФ блоков. Проведён расчёт основных параметров СФ блоков.
4) Разработаны принципиальные схемы СФ блоков экспериментальных образцов (ЭО) ИМС МФКУ-1, МФКУ-2, МФКУ-3, проведено имитационное моделирование системного уровня СФ блоков экспериментальных образцов (ЭО) ИМС МФКУ,
5) Разработаны топологии экспериментальных образцов ИМС МФКУ-1 и МФКУ-2, топология ЭО ИМС МФКУ-3 разрабатывается.
6) Разработаны методики измерений и испытаний ИМС МФКУ.
7) Индустриальным партнером за счет ВБС разработана эскизная конструкторская документация трех макетов ИВЭП с использованием разрабатываемых ИМС МФКУ.
Запланированные на 2015 год индикаторы выполнены.