Optymalizacja pod kątem izolacji i parametrów działania z użyciem zaawansowanych izolatorów cyfrowych

Projektanci systemów elektronicznych muszą uwzględniać izolację zasilania i sygnałów, aby spełnić wymagania eksploatacyjne, a jednocześnie wymogi przepisów w zakresie bezpieczeństwa urządzeń i użytkowników. Izolację toru zasilania prądem zmiennym można z łatwością zrealizować za pomocą transformatora. Izolacja szyny zasilającej prądu stałego również ostatecznie bazuje na transformatorze, choć wymaga więcej obwodów. Jednak izolacja sygnałów analogowych, które zostały zdigitalizowane, jak również strumieni cyfrowych danych szeregowych stwarza inne wyzwania i komplikacje.

W tym przypadku, aby zachować parametry działania systemu, technika transferu energii stosowana w celu realizacji izolacji musi zachowywać integralność sygnałów przekazywanych przez barierę izolacyjną. Wprawdzie istnieje wiele sposobów na wdrożenie izolacji, jednak to projektanci muszą zapewnić integralność sygnałów przy wyższych prędkościach transmisji danych i w bardziej wymagających środowiskach. W związku z tym coraz częściej korzystają oni z izolatorów cyfrowych, które mogą przesyłać dane z prędkością 150Mbps.

Artykuł ten krótko analizuje powody, dla których izolacja jest wymagana, podkreślając potrzeby obwodów opartych na czujnikach. Rozpatruje on następnie różne aspekty izolacji z wykorzystaniem najnowocześniejszych izolatorów cyfrowych firmy Analog Devices i przedstawia sposób ich stosowania.

Izolacja: dlaczego i gdzie

Istnieje wiele powodów, dla których izolacja jest wymagana w obwodach opartych na czujnikach:

1. Izolacja pozwala wyeliminować wahania napięcia sygnału wspólnego i zminimalizować niektóre rodzaje zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Zapewnia ona dokładniejsze i mniej zakłócone pomiary, zapobiegając negatywnemu wpływowi zewnętrznych źródeł zakłóceń na pozyskiwane sygnały. Pozwala również mierzyć niewielkie sygnały o wysokich napięciach w trybie wspólnym.
2. Ze względu na różnice potencjału pomiędzy uziemieniami obwodów, pętle uziemienia mogą wprowadzać różnice napięcia, które zniekształcają mierzony sygnał. Izolacja przerywa pętle uziemienia.
3. Izolacja zapobiega doprowadzaniu niebezpiecznych skoków napięcia, stanów nieustalonych lub udarów do wrażliwych komponentów pomiarowych. Chroni to obwody pomiarowe oraz podłączone urządzenia i użytkownika.
4. Izolacja pozwala na bezpieczną translację poziomów pomiędzy różnymi funkcjami obwodów. Obwody po jednej stronie bariery izolacyjnej mogą pracować przy napięciu przetwornika, podczas gdy obwody po drugiej stronie mogą wykorzystywać sygnały logiczne 3,3V lub 5V.

Na przykład: w stosach baterii wysokiego napięcia często zachodzi potrzeba znajomości napięć poszczególnych ogniw w celu zapewnienia bezpiecznego działania systemu i osiągnięcia możliwie najdłuższego czasu pracy baterii. Napięcie na pojedynczym ogniwie musi zostać zmierzone pomimo występowania napięcia nawet kilkuset woltów w trybie wspólnym na połączonym szeregowo stosie baterii.

Wprawdzie możliwe jest zastosowanie obwodów analogowych i wzmacniaczy izolacyjnych w celu rozwiązania tego problemu, jednak podejścia takie nie zaspokajają potrzeby pomiarów z większą przepustowością i rozdzielczością przy zachowaniu dokładności, liniowości i powtarzalności systemów.

Najbardziej dokładną, ekonomiczną i wydajną techniką wykonywania takich pomiarów jest natomiast odizolowanie całego pomiarowego układu front-end, wraz z przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), a następnie zastosowanie izolowanego łącza szeregowego dla zdigitalizowanych danych dostarczanych do pozostałej części systemu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: użycie izolowanego układu front-end do pomiaru napięcia pojedynczego ogniwa w stosie wysokiego napięcia pozwala pokonać wyzwania związane z występowaniem napięć w trybie wspólnym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Takie podejście odizolowuje napięcie w trybie wspólnym stosu baterii, zapobiegając przenoszeniu niebezpiecznych wysokich napięć na stronę łącza danych lub na użytkownika w przypadku usterki.

Należy zauważyć, że tam, gdzie zachodzi potrzeba izolacji sygnału, istnieje również wymóg zapewnienia izolowanego zasilania, ponieważ nieizolowane szyny zasilające niweczą i negują izolację sygnałów. Wymagana izolacja zasilania może być realizowana za pomocą oddzielnego obwodu izolacyjnego zasilania lub poprzez użycie baterii jako niezależnego i izolowanego źródła zasilania.

Sposoby zapewnienia izolacji

O skuteczności izolacji decyduje wiele parametrów. Zalicza się do nich maksymalne napięcie wytrzymywane przez barierę izolacyjną, zanim ulegnie ona przebiciu. Przepisy określają wymaganą wartość maksymalną, zazwyczaj kilka tysięcy woltów, w zależności od zastosowania.

Aby uzyskać izolację sygnałów cyfrowych, można wykorzystać wiele różnych technologii. Należą do nich sprzężenie pojemnościowe, sprzężenie optyczne (dioda LED i fototranzystor), transmisja radiowa (RF) w skali „mikro” oraz sprzężenie magnetyczne.

Ta ostatnia technika charakteryzuje się niezawodnością i ma wiele zalet, jednak w przeszłości wymagała stosunkowo dużego i kosztownego transformatora sygnałowego. Sytuacja zmieniła się wraz z wprowadzeniem technologii iCoupler firmy Analog Devices. Podejście to wykorzystuje pierwotne i wtórne uzwojenia transformatora w skali mikroukładowej, oddzielone barierą izolacyjną utworzoną przez warstwy izolacji poliimidowej (ilustracja 2). Sygnał nośny wysokiej częstotliwości przenosi dane przez barierę izolacyjną do uzwojenia wtórnego.

Ilustracja 2: technologia iCoupler wykorzystuje sygnał nośny wysokiej częstotliwości do przenoszenia danych z uzwojenia pierwotnego do wtórnego przez grubą izolację poliimidową (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podczas pracy transformator jest sterowany prądami impulsowymi przepływającymi przez uzwojenie pierwotne, co wytwarza niewielkie, lokalne pole magnetyczne, które wzbudza prąd w uzwojeniu wtórnym. Krótkie impulsy prądowe trwają około 1ns, dlatego średnie natężenie prądu jest niskie, co zapewnia niski pobór mocy. Ponadto technika OOK (On/Off Keying) stosowana w generowaniu impulsów i architektura różnicowa zapewniają bardzo niskie opóźnienie propagacji i dużą szybkość.

Materiały polimerowe stosowane w urządzeniach iCoupler zapewniają odporną izolację, ponieważ posiada kwalifikację do użycia w niemal wszystkich zastosowaniach. Wspomniane parametry działania są szczególnie korzystne w najtrudniejszych przypadkach użycia, takich jak urządzenia medyczne i ciężki sprzęt przemysłowy.

Poliamid charakteryzuje się również niższymi naprężeniami w porównaniu z dwutlenkiem krzemu (SiO₂), stanowiącym alternatywny materiał bariery, dlatego możliwe jest stosowanie większych grubości w razie potrzeby. Natomiast grubość SiO₂, a tym samym zdolność do izolowania, jest ograniczona. Naprężenia przy grubościach większych od 15μm mogą powodować pękanie wafli półprzewodnikowych podczas obróbki lub rozwarstwienie w czasie eksploatacji izolatora. W poliamidowych izolatorach cyfrowych stosowane są warstwy izolacyjne o grubości nawet 26μm.

Firma Analog Devices oferuje różnorodne izolatory cyfrowe iCoupler bazujące na transformatorach. Należą do nich izolatory 3000Vrms, 150Mbps typu ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL oraz ADUM342E1WBRWZ przeznaczone do interfejsów CAN, RS-485 oraz SPI.

Omawiane izolatory cyfrowe, zwane ogólnie urządzeniami ADuM34xE, różnią się zwykle kierunkowością kanałów. Urządzenie ADuM340E posiada cztery kanały odbiorcze, ADuM341E posiada trzy kanały odbiorcze i jeden kanał zwrotny, natomiast ADuM3421 posiada dwa kanały odbiorcze i dwa kanały zwrotne (ilustracja 3).

Ilustracja 3: te trzy czterokanałowe izolatory cyfrowe z serii ADuM34xE posiadają podobne specyfikacje, lecz różnią się kierunkowością kanałów. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wspomniane trzy izolatory są oferowane w dwóch wersjach trybów odporności na uszkodzenia (ilustracja 4): stan wyjścia jest ustawiany na niski, jeżeli strona wejściowa jest wyłączona lub nie działa, bądź stan wyjścia jest ustawiany na wysoki, jeżeli strona wejściowa jest wyłączona lub nie działa. Pozwala to izolatorom przyjmować znany stan w przypadku użycia w zastosowaniach krytycznych.

Ilustracja 4: operacyjne schematy blokowe jednego kanału urządzenia ADuM34xE, przedstawiające warianty przyjmujące stan niski (u góry) i stan wysoki (u dołu) w przypadku usterki. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Należy zauważyć, że nie istnieje zależność pomiędzy zasilaniami strony wejściowej (wtyk V_DD1 na ilustracji 3) i strony wyjściowej (V_DD2). Mogą one pracować jednocześnie przy dowolnym napięciu mieszczącym się w określonym specyfikacjami zakresie roboczym, przy dowolnej kolejności włączania. Cecha ta pozwala izolatorowi na translację napięć logiki 2,5V, 3,3V oraz 5V i nie tylko.

Niuanse dotyczące charakterystyki działania urządzeń ADuM34xE

Izolatory ADuM34xE o wysokim napięciu izolacji, dużej prędkości, małej mocy i małym opóźnieniu propagacji mogą być stosowane bezpośrednio, jednak ich architektura oferuje bardziej zniuansowane zalety, z których mogą korzystać projektanci. Na przykład, łączny pobór mocy skaluje się wraz z częstotliwością roboczą, a zapotrzebowanie na moc jest w przybliżeniu proporcjonalne do prędkości, z jaką działają urządzenia. Dlatego kanały, które nie pracują lub które przełączają z bardzo małą prędkością, pobierają bardzo mało mocy. Rezultatem jest względne zmniejszenie poboru mocy energii o jeden do dwóch rzędów wielkości w porównaniu z alternatywnymi technikami izolacji.

Ponadto, gdy projektant określi maksymalną szybkość zegara szeregowego dla danego zastosowania, powiązany zasilacz izolowany może być tak dobrany, aby zapewnić wystarczającą ilość prądu do obsługi tylko tej szybkości, eliminując konieczność przekroczenia maksymalnej wartości izolatora.

Biorąc pod uwagę znaczenie synchronizacji i opóźnienia propagacji w szybkich łączach szeregowych, ważne jest, aby pamiętać, że parametry działania izolatora cyfrowego nie pogarszają się ani nie zmieniają wraz z upływem czasu i zmianami temperatury. Fluktuacje nie są dużym problemem przy niskich prędkościach przesyłu sygnałów, gdzie powodowany przez nie błąd jest niewielki w porównaniu do okresu przebiegu, jednak przy wyższych prędkościach danych fluktuacje czasowe stają się znaczącym procentem interwału sygnału. Dobór izolatora o najniższych fluktuacjach pozwala zwiększyć stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz sprawność izolowanego obwodu.

Ze względu na wymienione cechy architektury iCoupler, karty danych omawianych urządzeń określają gwarantowany minimalny i maksymalny pobór mocy, opóźnienia propagacji oraz specyfikacje zniekształceń impulsów w całym zakresie temperatur roboczych od -40°C do 125°C. Tak pełne specyfikacje upraszczają projektantom obliczenia związane z parametrami działania systemu w najbardziej niekorzystnym przypadku.

Dzięki gwarantowanym parametrom izolatorów cyfrowych dotyczącym opóźnienia propagacji (maksymalnie 10ns) (ilustracja 5), przekosu oraz dopasowania międzykanałowego, możliwe jest modelowanie i ocena specyfikacji synchronizacji na najwyższym poziomie systemu, podobnie do innych cyfrowych układów scalonych.

Ilustracja 5: technologia iCoupler pozwala uzyskać bardzo niskie i w pełni scharakteryzowane opóźnienie propagacji poniżej 10ns w pełnym zakresie temperatur roboczych. (Źródło zdjęcia: Analog Devices)

Odporność na impulsowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI) jest mniej znana i często pomijana w specyfikacjach. Stałe przełączanie w zastosowaniach wysokiego napięcia, takich jak obwody ładowania pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV), słoneczne systemy zasilania i napędy silnikowe, wprowadzają zakłócenia impulsowe w trybie wspólnym, takie jak zakłócenia komutacyjne i szumy. Technologia izolacji zastosowana w urządzeniach ADuM34xE wykorzystuje symetryczną architekturę transformatora z odczepem środkowym, która zapewnia niskoimpedancyjną drogę do masy dla szumów po obydwu stronach bariery izolacyjnej. Pozwala to na osiągnięcie znamionowej odporności na impulsowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI) równej 100kV/μs (minimum), co znacznie poprawia integralność izolowanego sygnału.

Projektanci znający zagadnienia magnetyki mogą obawiać się, że na izolatory te mogą mieć wpływ zakłócenia magnetyczne, które mogą powodować błędy przekazywania impulsów przez barierę izolacyjną. Obawa ta jest niepotrzebna, ponieważ mały promień transformatora i rdzeń powietrzny oznaczają, że do wywołania błędów potrzebne jest ekstremalnie silne pole magnetyczne lub bardzo wysoka częstotliwość. Izolatory cyfrowe są niewrażliwe na prądy 500A o częstotliwości 1MHz płynące w przewodzie oddalonym od nich o zaledwie 5mm.

Ewaluacja izolatorów cyfrowych

Wprawdzie działanie omawianych izolatorów jest dość proste, jednak ich stosowanie wymaga dbałości o szczegóły, takie jak układ płytki, aby zapewnić zachowanie ich zdolności izolacyjnych wysokiego napięcia i pracy z dużą prędkością.

Aby wspomóc projektantów w używaniu i ocenie urządzeń, firma Analog Devices oferuje płytkę ewaluacyjną EVAL-ADUM34XEEBZ do izolatorów cyfrowych iCoupler (ilustracja 6). Omawiana płytka posiada miejsce i układy dla każdego z omawianych izolatorów i czwarte, nieprzydzielone miejsce. Płytka posiada rowki w kształcie litery V pomiędzy poszczególnymi komponentami (od U1 do U4), które pozwalają użytkownikom na podzielenie płytki na sekcje i badanie konkretnego urządzenia na płytce prototypowej lub podobnym urządzeniu testowym.

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna EVAL-ADuM34XEEBZ obsługuje wszystkie trzy urządzenia ADuM34xE i posiada puste miejsce na wybrane przez użytkownika urządzenie o kompatybilnym układzie wtyków. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Płytka EVAL-ADuM34XEEBZ jest zgodna z odpowiednimi praktykami projektowania obwodów drukowanych i zawiera płaszczyznę masową po obydwu stronach bariery izolacyjnej. Ewaluacja urządzenia iCoupler za pomocą tej płytki wymaga jedynie oscyloskopu, generatora sygnałów i zasilania od 2,25V do 5,5V.

Podsumowanie

Izolacja jest wymagana w wielu konstrukcjach w celu zachowania integralności sygnałów, zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i urządzeń oraz spełnienia wymogów przepisów. Cyfrowe urządzenia izolujące oparte na technologii sprzężenia magnetycznego iCoupler firmy Analog Devices oferują łatwe w użyciu oraz niezawodne rozwiązanie o dużej prędkości. Ich podstawowe specyfikacje, w tym minimalna degradacja w czasie i pod działaniem temperatury, zapewniają doskonałe parametry długoterminowe.