DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Razvijalci elektronskih sistemov morajo za izpolnjevanje zahtev glede zmogljivosti vključiti izolacijo napajanja in signalov, hkrati pa izpolniti zakonske zahteve glede varnosti uporabnikov in naprav.
Izolacijo poti izmeničnega napajanja lahko enostavno izvedete s transformatorjem. Izolacija enosmerne napetosti je prav tako odvisna od transformatorja, čeprav zahteva več vezja. Izolacija analognih signalov, ki so bili digitalizirani, in digitalnih serijskih prenosov podatkov, pa je povezana z različnimi izzivi in zapleti.
V tem primeru mora tehnika prenosa energije, ki se uporablja za izolacijo, ohraniti celovitost signala prek izolacijske pregrade, da se ohrani zmogljivost sistema. Čeprav obstaja veliko načinov za izvedbo izolacije, morajo razvijalci zagotoviti celovitost signala pri višjih prenosnih hitrostih in v zahtevnejših okoljih. Zato se vse pogosteje odločajo za digitalne izolatorje, ki omogočajo prenos podatkov s hitrostjo 150 megabitov na sekundo (Mbps).
V tem članku je na kratko predstavljeno, zakaj je potrebna izolacija, s poudarkom na potrebi v vezjih, ki temeljijo na senzorjih. Nato obravnava različne vidike izolacije z najsodobnejšimi digitalnimi izolatorji podjetja Analog Devices in pokaže, kako jih je mogoče uporabiti.
Izolacija: zakaj in kje
V vezjih, ki temeljijo na senzorjih, je izolacija potrebna iz več razlogov:
Izolacija lahko odpravi nihanja napetosti v splošnem režimu in zmanjša nekatere vrste elektromagnetnih motenj (EMI). Zagotavlja tudi čistejše in natančnejše meritve, saj preprečuje, da bi zunanji viri šuma popačilizajeti signal. Omogoča tudi merjenje majhnih signalov z visokimi napetostmi v splošnem režimu.
Zaradi razlik v potencialih med ozemljitvami vezja lahko ozemljitvene zanke povzročijo razlike v napetosti, ki popačijo izmerjeni signal. Izolacija prekine ozemljitveno zanko.
Izolacija preprečuje, da bi nevarni skoki napetosti, prehodne spremembe ali prenapetosti dosegli občutljive merilne komponente. To ščiti merilno vezje, vse priključene naprave in uporabnika.
Izolacija podpira varno prevajanje ravni med različnimi funkcijami vezja. Vezje na eni strani izolacijske pregrade ima lahko napetost pretvornika, vezje na drugi strani pa ima lahko napetost 3,3 ali 5 voltov za signale logične ravni.
Pri visokonapetostnih baterijah je na primer pogosto treba poznati napetosti posameznih celic, da se zagotovi varno delovanje sistema in čim daljša življenjska doba baterije. Napetost na posamezni celici je treba izmeriti kljub prisotnosti do več sto voltov napetosti v splošnem režimu vzdolž zaporedno povezanega baterijskega sklopa.
Čeprav je to težavo mogoče odpraviti z analognimi vezji in izolacijskimi ojačevalniki, takšni pristopi ne zadovoljijo potrebe po meritvah z večjo pasovno širino in ločljivostjo ob hkratnem ohranjanju natančnosti, linearnosti in doslednosti sistema.
Namesto tega je najbolj natančna, varčna in učinkovita tehnika za izvajanje teh meritev izolacija celotnega merilnega ospredja vključno z analogno-digitalnim pretvornikom (ADC) in nato uporaba izolirane serijske povezave za digitalizirane podatke s preostalim sistemom (slika 1).
Ta pristop izolira napetost v splošnem režimu baterijskega sklopa in hkrati preprečuje, da bi se v primeru okvare nevarne visoke napetosti prenesle na stran podatkovne povezave ali k uporabniku.
Upoštevajte, da je treba vedno, ko je potrebna izolacija signalov, zagotoviti tudi izolirano napajanje, saj bi neizolirana napajalna vodila bila v nasprotju z izolacijo signalov in bi jo izničila. Potrebno izolacijo napajanja je mogoče izvesti z ločenim vezjem za izolacijo napajanja ali z uporabo baterije kot neodvisnega in izoliranega vira napajanja.
Kako zagotoviti izolacijo
Zmogljivost izolacije določajo številni parametri. Med njimi je najvišja napetost, ki jo izolacijska pregrada lahko vzdrži, preden odpove. Predpisi določajo zahtevano najvišjo vrednost, ki je običajno več tisoč voltov, odvisno od uporabe.
Za izolacijo digitalnih signalov se lahko uporabljajo številne različne tehnologije. Te vključujejo kapacitivni sklop, optični sklop (LED in fototranzistor), RF prenos na »mikro« ravni in magnetni sklop.
Slednji je zanesljiva tehnika s številnimi pozitivnimi lastnostmi, vendar je v preteklosti zahteval razmeroma velik in drag signalni transformator. To se je spremenilo z uvedbo tehnologije iCoupler podjetja Analog Devices. Ta pristop uporablja primarne in sekundarne transformatorske tuljave velikosti čipa, ki so ločene z izolacijsko pregrado, ustvarjeno s plastmi poliimidne izolacije (slika 2). Visokofrekvenčni nosilec prenaša podatke prek izolacijske pregrade do sekundarne tuljave.
Pri delovanju primarni transformator poganja impulzni tok skozi primarno tuljavo, ki ustvari majhno, lokalizirano magnetno polje, ki inducira tok v sekundarni tuljavi. Tokovni impulzi so kratki, približno 1 nanosekundo (1 ns), zato je povprečni tok majhen, kar zagotavlja majhno porabo energije. Tehnika OOK (on/off keying), ki se uporablja za pulziranje, in diferencialna arhitektura zagotavljata zelo majhno zakasnitev širjenja in zmožnost visoke hitrosti.
Polimerni materiali, ki jih uporablja tehnologija iCoupler, zagotavljajo robustno izolacijo, saj je material primeren za skoraj vse vrste uporabe. Največ koristi od te zmogljivosti imajo najzahtevnejši primeri uporabe, kot so medicinske naprave in težka industrijska oprema.
Poliimid ima tudi manjšo napetost kot silicijev dioksid (SiO2), alternativni pregradni material, njegovo debelino pa je mogoče po potrebi povečati. Po drugi strani pa je debelina SiO2 in s tem zmožnost izolacije omejena; obremenitve na debelini, večji od 15 mikrometrov (μm), lahko povzročijo razpoke na rezinah med obdelavo ali razslojitev v času življenjske dobe izolatorja. Poliimidni digitalni izolatorji uporabljajo izolacijske plasti, debele do 26 μm.
Podjetje Analog Devices nudi različne digitalne izolatorje iCoupler, ki temeljijo na transformatorju. Med njimi so ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL in ADUM342E1WBRWZ 3000 voltov rms, 150 Mbps izolatorji za CAN, RS-485, in vmesniki SPI.
Ti trije digitalni izolatorji se skupaj imenujejo ADuM34xE, razlikujejo pa se predvsem po usmerjenosti kanalov. ADuM340E ima štiri kanale usmerjene naprej, ADuM341E ima tri kanale usmerjene naprej in en kanal usmerjen nazaj, ADuM3421 pa ima dva kanala usmerjena naprej in dva kanala usmerjena nazaj (slika 3).
Vsak od treh izolatorjev ima možnost izbire med dvema varnima načinoma (slika 4): izhodno stanje je nastavljeno na nizko, če je vhodna stran izklopljena ali če ne deluje (nizka stopnja varnega delovanja), ali pa je izhodno stanje nastavljeno na visoko, če je vhodna stran izklopljena ali če ne deluje (visoka stopnja varnega delovanja). To omogoča, da se izolatorji ob uporabi v kritičnih primerih vrnejo v znano stanje.
Upoštevajte, da ni nobene povezave med napajanjem na vhodni strani (priključek VDD1 na sliki 3) in na izhodni strani (VDD2). Hkrati lahko delujejo pri kateri koli napetosti v okviru svojih določenih delovnih območij in si sledijo v poljubnem zaporedju. Ta funkcija izolatorju med drugim omogoča, da izvaja pretvorbe napetosti 2,5, 3,3 in 5 voltne logike.
Podrobnosti o značilnostih zmogljivosti naprave ADuM34xE
Visoka izolacijska napetost, visoka hitrost, nizka poraba energije in majhna zakasnitev razširjanja so pri izolatorjih ADuM34xE neposredno uporabni, vendar ima njihova arhitektura več prednosti, ki jih lahko uporabijo razvijalci. Skupna poraba energije na primer narašča z delovno frekvenco, potrebe po energiji pa so približno sorazmerne s hitrostjo delovanja naprav. Zato kanali, ki so nedejavni ali se jih preklaplja pri zelo nizkih hitrostih, porabijo zelo malo energije. Rezultat je relativno zmanjšanje porabe energije od enega do dveh velikostnih razredov v primerjavi z alternativnimi tehnikami izolacije.
Ko razvijalec določi največjo zaporedno taktno frekvenco za aplikacijo, lahko izbere tudi povezano izolirano napajanje, ki zagotavlja dovolj toka za to frekvenco, s čimer se odpravi potreba po pretiranem določanju vrednosti, ki presega največjo vrednost izolatorja.
Glede na pomembnost časovnega zamika in zakasnitve pri prenosu v hitrih zaporednih povezavah je pomembno opozoriti, da se zmogljivost digitalnega izolatorja ne poslabša ali spremeni s časom in temperaturo. Medtem ko je trepetanje pri nizkih hitrostih signaliziranja, kjer je njegova napaka majhna v primerjavi s periodo valovne oblike, manjši problem, pri višjih hitrostih prenosa podatkov postane časovno trepetanje pomemben odstotek intervala signala. Izbira izolatorja z najmanjšim trepetanjem lahko izboljša razmerje med signalom in šumom (SNR) in učinkovitost izoliranega vezja.
Zaradi teh značilnosti arhitekture iCoupler so v podatkovnih listih naprave opredeljene zagotovljene specifikacije minimalne in maksimalne porabe energije, zakasnitev pri prenosu in popačenja impulzov v celotnem temperaturnem območju delovanja od -40 do +125 °C. Razvijalcem te celovite specifikacije poenostavijo izračune, povezane z najslabšo zmogljivostjo sistema.
Z zanesljivimi vrednostmi digitalnih izolatorjev, povezanimi z zakasnitvijo pri prenosu (največ 10 ns) (slika 5), zamikom in ujemanjem med kanali, je mogoče modelirati in ovrednotiti specifikacije časovnega načrtovanja sistema na najvišji ravni kot pri drugih digitalnih integriranih vezjih.
Odpornost na prehodne pojave v splošnem režimu (CMTI) je manj znana in zlahka spregledana specifikacija. Stalno preklapljanje pri visokonapetostnih uporabah, kot so polnilna vezja električnih vozil (EV) in hibridnih vozil (HEV), sistemi sončne energije in motorni pogoni, povzroča prehodne pojave v splošnem režimu, kot sta zvonjenje in šum. Tehnologija izolacije v napravah ADuM34xE izkorišča arhitekturo transformatorja s središčnim odcepom, ki za šum na obeh straneh izolacijske pregrade zagotavlja pot do ozemljitve z nizko impedanco. To jim omogoča, da dosežejo stopnjo CMTI najmanj 100 kilovoltov na mikrosekundo (kV/µs) (minimalno), kar znatno izboljša celovitost izoliranega signala.
Razvijalce, ki so seznanjeni z delovanjem magnetizma, lahko skrbi, da bi na te izolatorje morda lahko vplivale magnetne motnje, ki bi lahko poškodovale oddajne impulze prek izolacijske pregrade in s tem povzročile napake. Ta skrb je neupravičena, saj je zaradi majhnega polmera in zračnega jedra transformatorjev za nastanek napake potrebno izjemno visoko magnetno polje ali zelo visoka frekvenca. Na digitalne izolatorje ne vpliva 500 amperov (A) pri 1 megahercu (MHz) v žici, oddaljeni le 5 milimetrov (mm) od naprave.
Vrednotenje digitalnih izolatorjev
Funkcionalnost teh izolatorjev je preprosta, vendar je pri njihovi uporabi treba paziti na določene podrobnosti, kot je postavitev plošče, da se zagotovi, da njihove visokonapetostne izolacijske zmogljivosti in delovanje pri visokih hitrostih niso ogrožene.
Za pomoč razvijalcem pri uporabi in vrednotenju naprav Analog Devices ponuja razvojno ploščo EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler Digital Isolator Interface Evaluation Board (slika 6). Ta plošča ima lokacije in postavitve za enega od izolatorjev ter četrto neobvezno lokacijo. Plošča ima med posameznimi komponentami (U1 do U4) utore v obliki črke V, ki uporabnikom omogočajo, da ploščo razdelijo na dele in določeno napravo pregledajo na ploščici ali podobni preizkusni opremi.
Plošča EVAL-ADuM34XEEBZ upošteva ustrezne prakse oblikovanja plošč s tiskanim vezjem (pc board), vključno z ozemljitveno plastjo na obeh straneh izolacijske pregrade. iCoupler za vrednotenje naprav s to ploščo potrebuje le osciloskop, generator signalov in napajanje z napetostjo od 2,25 do 5,5 V.
Zaključek
Izolacija je potrebna pri številnih zasnovah, da se ohrani celovitost signala, zagotovi varnost uporabnikov in naprav ter izpolnijo zakonske zahteve. Naprave za digitalno izolacijo, ki temeljijo na tehnologiji magnetne sklopke iCoupler podjetja Analog Devices, ponujajo enostavno uporabo in zanesljive rešitve visoke hitrosti. Njihove osnovne specifikacije, vključno z minimalno degradacijo v času in temperaturi, zagotavljajo vrhunsko dolgoročno zmogljivost.
Povezana vsebina:
Analog Devices, “Anatomy of a Digital Isolator”
https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/anatomy-of-a-digital-isolator.html
Analog Devices, “Digital Isolators Simplify Design and Ensure System Reliability”
https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/digital-isolators-simplify-design-and-ensure-system-reliability.html
Analog Devices, “Replacing Optocouplers with Digital Isolators”
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-16.html
Digikey, “ADuM34xE Quad Digital Isolators” (stran izdelka)
https://www.digikey.com/en/product-highlight/a/analog-devices/adum34xe-quad-digital-isolators
