Журнал "Новости Электроники", номер 14, 2008 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 14, 2008 год.Преимущества применения сдвоенного Емкостного барьера в новых цифровых изоляторах Texas InstrumentsСергей Пичугин (КОМПЭЛ) Задача цифрового изолятора √ передавать цифровой сигнал между двумя гальванически развязанными электрическими цепями. Как правило, такая изоляция крайне необходима для устранения негативного влияния сильноточных и высоковольтных цепей на измерительные схемы, схемы связи с внешними устройствами и схемы управления в составе одного или нескольких устройств. В статье описана реализация новой технологии передачи цифровых сигналов через сдвоенный емкостной изоляционный барьер, используемая в семействе цифровых изоляторов ISO72x от Texas Instruments. Ранее материал публиковался в журнале ╚Компоненты и технологии╩.

Устройство емкостного изолятора-барьера Возможные области применения цифровых изоляторов - схемы, работающие в непосредственной близости от мощных двигателей или других источников сильного электромагнитного излучения. В такой среде очень велика вероятность потерь данных или возникновения ошибок при передаче информации. Учитывая этот очень важный факт, компания Texas Instruments применила в своих изоляторах новый принцип гальванической развязки - сдвоенный емкостной барьер.

В изоляторах серии ISO72x сигнал дифференцированно пересекает изоляционный барьер через два конденсатора состоящих из металлической пластины и проводящей кремниевой подложки, расположенных по двум сторонам диэлектрика - оксида кремния SiO2 (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Структура емкостного изолятора (один конденсатор)

На рис. 2 можно видеть соединения внутри ИС ISO721 между двумя гальванически изолированными подложками, на одной из которых расположены емкостные барьеры.

 

 

Рис. 2. Внешний вид внутренних соединений между двумя подложками ИС ISO721

Для передачи постоянной составляющей сигнала, ISO72x использует два канала, как показано на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Структурная схема цифровых изоляторов ISO72x

Первый, высокоскоростной канал (нижний по схеме) передает фронты (переходы) сигнала. Второй, низкочастотный (верхний по схеме) канал при помощи ШИМ-модуляции передает дифференциальный сигнал, скважность которого прямо пропорциональна уровню постоянной составляющей входного сигнала.

 

Устойчивость к переходным процессам при быстронарастающем сигнале

Переходные процессы при быстро нарастающем (высокочастотном) сигнале могут нарушить передачу данных через изоляционный барьер. К примеру, паразитная емкость изоляционного барьера в оптоизоляторе, как показано на рис. 4, обеспечивает путь для прохождения быстронарастающего сигнала, в результате чего происходит искажения принимаемых данных в выходных цепях.

 

 

Рис. 4. Паразитная емкость в изоляционном барьере оптопары

Сетка Фарадея может отвести часть этого смещенного потока от важных выходных цепей оптических и индуктивных изоляторов.

В емкостных изоляторах сетка Фарадея - не подходящее решение проблемы, так как вместе с блокировкой быстрых переходных процессов происходила бы блокировка электрической области, используемой для передачи данных. Чтобы обеспечить устойчивость к переходным процессам при быстронарастающем сигнале, семейство цифровых емкостных изоляторов ISO72x передает во вторичный приемный канал только переходы сигнала данных. В таблице 1 указаны допустимые скорости нарастания входного сигнала для разных типов изоляторов.

Таблица 1. Допустимая скорость нарастания входного сигнала Наименование Технология изоляции Допустимая скорость
нарастания входного
сигнала (кВ/мкс) ISO721 емкостная 25 ADuM1100 индуктивная 25 HCPL-0900 индуктивная 15 HCPL-0721 оптическая 10 HCPL-0723

Как видно из таблицы, ISO721 имеет наилучшее значение параметра устойчивости к быстрым переходным процессам, что позволяет ему надежно передавать данные со скоростью до 150 Mbps.

Важно отметить, что кроме всего прочего, цифровые изоляторы серии ISO722х имеют наименьший дрейф (джиттер - jitter) задержки передачи сигнала. Зависимость максимального смещения задержки от скорости передачи данных при различных напряжениях питания отображена на рис. 5.

 

 

Рис. 5. Зависимость максимального смещения задержки от скорости передачи данных

При скорости передачи данных 100 Mbps, уровень джиттера менее 0,6 нс!

Потребляемая мощность

В таблице 2 указаны параметры потребляемой мощности различных типов цифровых изоляторов производства Texas Instruments (TI), Analog Devices (AD) и Avago Technologies.

Таблица 2. Потребляемая мощность цифровых изоляторов TI, AD и Avago Technologies Наименование Производитель Технология
изоляции Напряжения питания
Vcc1 и Vcc2 (B) Icc1
(мА) Icc2
(мА) Потреб-
ляемая
мощность
(мВт) ISO721 Texas Instruments емкостная 5 1 11 60 3,3 0,5 6 21,5 ADuM1100 Analog Devices индуктивная 5 0,8 0,006 4,3 3,3 0,3 0,04 1,2 HCPL-0900 Avago Technologies индуктивная 5 0,018 6 30 3,3 0,01 4 13,2 HCPL-0721 оптическая только 5 В 10* 9 95 HCPL-0723 оптическая только 5 В 10* 17,5** 137,5 * 10 мА при логическом «0» на входе. При логической «1» на входе ток потребления уменьшается до 3 мА
** 17,5 мА при логическом «0» на входе. При логической «1» на входе ток потребления уменьшается до 16,5 мА.

Как видно из таблицы, представленные оптические изоляторы потребляют больше энергии, чем индуктивные и емкостные изоляторы.

На рис. 6 представлен сравнительный график зависимости потребляемого тока одним изоляционным каналом от скорости передачи сигнала для различных цифровых изоляторов.

 

 

Рис. 6. Сравнительные зависимости потребляемого тока

Надежность

Среднее время до отказа (MTTF - Mean Time To Failure) - стандартный параметр надежности электронных приборов.

Таблица 3 отображает параметр MTTF для оптического, индуктивного и емкостного цифровых изоляторов.

Таблица 3. Параметры надежности различных типов цифровых изоляторов Наименование Произво-
дитель Технология
изоляции Температура
окружа-
ющей
среды, °С Доверительный
интервал 60% Доверительный
интервал 90% MTTF*
(часы/
отказ) Количество
отказов за 109
часов MTTF
(часы/
отказ) Количество
отказов
за 109
часов ISO721 Texas Instruments емкостная 125 1246889 802 504408 1983 HCPL-0900 Avago индуктивная 288118 3471 114654 8722 HCPL-0721 оптическая 174617 5727 69487 14391 * Расчетная величина.

Из таблицы видно, что ISO721 значительно превосходит по надежности представленные индуктивные и оптические решения. К сожалению, в технических описаниях на ADuM1100 параметр надежности MTTF не представлен.

Характеристики изоляции

Диэлектрики имеют свойство изоляции в соответствии с их физическим и химическим составом, который содержит различные примеси и неоднородности.

Понятно, что в течение времени эти примеси приводят к изменению изоляционных свойств материала и в конечном итоге могут вызвать выход из строя (пробой) диэлектрика. Эти изменения могут ускориться в среде сильного электромагнитного излучения, высокой температуры и под воздействием электрического поля, создаваемым высоким напряжением, приложенным к изолятору.

У большинства цифровых изоляторов в техническом описании указаны только главные параметры. Большинство общедоступных изоляторов (включая семейство ISO72x) нормированы на 4 кВ значение пикового напряжения между входом и выходом (VIOTM). Но, важно понимать, что эта оценка не предусматривает, что изолятор будет противостоять этому высокому напряжению в течение неограниченного времени и, тем более, при произвольно высокой температуре окружающей среды. Соответственно, учитывая только этот параметр, невозможно предсказать реальное поведение изолятора в течение длительного времени.

Другая характеристика изоляции, представляющая интерес, - это рабочее напряжение (VIORM) или непрерывно действующее напряжение. Этот параметр подразумевает, что при данном напряжении между входом и выходом изолятор сохраняет свои свойства изоляции в течение всей жизни. Обычно, для полупроводниковых приборов в качестве минимального срока службы принимается цифра 10 лет. В таблице 4 отображены допустимые напряжения изоляции для разных типов изоляторов в соответствии со стандартами UL 1577 и IEC 60747-5-2.

Таблица 4. Допустимые напряжения изоляции Наименование Производитель Технология
изоляции Напряжение
изоляции
(VRMS)
по стандарту
UL1577 Напряжение
изоляции VIORM
(Vпиковое)
по стандарту
IEC60747-5-2 ISO721 Texas Instruments емкостная 2500 560 ADuM1100 Analog Devices индуктивная 2500 560 HCPL-0900 Avago Technologies индуктивная 2500 нет данных HCPL-0721 HCPL-0723 оптическая 3750 560

Еще один параметр, описывающий надежность изоляции - TDDB (Time-Depended Dielectric Breakdown) определяет время до пробоя диэлектрического материала, такого как оксид кремния (SiO2), под воздействием высокого напряжения. Один из методов прогнозирования этого параметра - расчет при помощи физико-математической, так называемой, E-модели (E-Model), основанной на физической деградации диэлектрика. Не останавливаясь на описании этого метода, который достаточно подробно описан в различных источниках сети интернет, приводим таблицу с результатами расчета параметра TDDP для емкостных изоляторов серии ISO72x для различных значений напряжений между входом и выходом (табл. 5).

Таблица 5. Расчетное значение времени до пробоя диэлектрика Напряжение вход-выход, В Время до пробоя
диэлектрика (TDDP), лет 200 85 400 46 560 28 700 18 800 13

Не желая использовать E-модель расчета параметра TDDB, различные производители применяют любые удобные для них данные и методы, не базирующиеся на физической деградации диэлектрика. Для примера, на рис. 7 отображен график с зависимостью параметра TDDB для ISO721 c данными, полученными при помощи упрощенного общепринятого метода расчета.

 

 

Рис. 7. Зависимость времени жизни изолятора от напряжения между входом и выходом

Как можно видеть, таким способом были полученные более значительные сроки службы изолятора. Опубликованные данные другого производителя для индуктивного изолятора также включены в график для сравнения (конкурент А).

Семейство изоляторов ISO72x может благополучно работать в течение более чем 25 лет при рабочем напряжении вход-выход 560 вольт. Результаты также показывают, что такой изоляционный барьер является очень «крепким» и способен противостоять многократным всплескам высокого напряжения до 4000 вольт пикового или 2828 вольт среднеквадратичного (RMS) значения.

Устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей

Незащищенный никакими внешними средствами, изолятор ISO721 успешно прошел испытания по устойчивости к внешним электромагнитным полям в соответствии с 5-м классом*  (* Стандарт, определяющий 5-й класс, относится к серьезным индустриальным средам, для которых характерны проводники, шины проводников, линии среднего напряжения или высоковольтные линии по которым передаются десятки килоампер; линии грозозащит высотных сооружений, переносящих ток молнии) требований предъявляемых стандартом IEC6100-4-8 (электромагнитные поля промышленных частот) и стандартом IEC61000-4-9 (импульсные электромагнитные поля).

Незащищенный никакими внешними средствами, изолятор ISO721 успешно прошел испытания по устойчивости к внешним электромагнитным полям в соответствии с 5-м классом*  (требований предъявляемых стандартом IEC6100-4-8 (электромагнитные поля промышленных частот) и стандартом IEC61000-4-9 (импульсные электромагнитные поля).

На рис. 8 представлен график со сравнительным анализом устойчивости изоляторов к электромагнитным полям на примере емкостного (ISO721, производства Texas Instruments) и индуктивного (ADuM1100, производства Analog Devices) принципа действия и их соответствие 5 классу (наивысшему) стандартов IEC6100-4-8 и IEC61000-4-9.

 

 

Рис. 8. Устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей емкостных и индуктивных изоляторов

Данные для ADuM1100 получены из его технического описания версии «E» (рис. 8), взятого с официального сайта производителя (с конвертацией в удобные для сравнения единицы измерения).

Согласно расчетам, емкостная пара в дифференциальной цепи ISO72x с медленным сигналом и двукратном запасе по шуму требует плотности внешнего электромагнитного поля более чем 12,3 Вб/м2 на частоте 1 МГц. К примеру, это поле сгенерированное более чем 10 миллионами ампер, проходящими через 10-см проводник, на расстоянии 10 см от прибора. Маловероятно, что подобное вообще когда-либо может произойти в природе или любом изготовленном оборудовании. Даже если это произойдет, то более вероятно, что компоненты, окружающие ISO72x первыми выйдут из строя.

Для практического ознакомления с цифровыми емкостными изоляторами, компания Texas Instruments выпускает демонстрационную плату ISO721EVM, внешний вид которой можно видеть на рис. 9.

 

 

Рис. 9. Демонстрационная плата ISO721EVM

 

Заключение

Цифровые изоляторы со сдвоенным емкостным барьером выводят отрасль на самые высокие скорости передачи данных в сочетании с высокой надежностью передачи, обеспечивают на шесть порядков более высокую устойчивость к воздействию магнитных полей, чем существующие индуктивные изоляторы и потребляют на 60% меньше мощности, чем быстродействующие оптроны.

Таблица 6. Семейство цифровых емкостных изоляторов производства Texas Instruments (по состоянию на октябрь 2007 года)

Наимено-
вание Кол-
во
кана-
лов Напря-
жение
изоля-
ции
(VRMS) Кон-
фигу-
рация
кана-
лов
(прямо/
обрат-
но) Напря-
жение
пита-
ния,
В Макс.
ско-
рость
пере-
дачи
дан-
ных,
Mbps   Вход-
ной
фильтр За-
держка
(макс),
нс   Вход-
ной
гисте-
резис pin-to-
pin
совмес-
тимость Корпус ISO150 2 1500 программ. 5 80 нет 40 TTL - SOP-12 ISO721 1 2500 1/0 3,3/5 100 есть 24 TTL ADuM1100 SOIC-8 ISO721M 1 2500 1/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1100 SOIC-8 ISO722 1 2500 1/0 3,3/5 100 есть 24 TTL ADuM1100 SOIC-8 ISO7220A 2 2500 2/0 3,3/5 1 есть 475 TTL ADuM1200 SOIC-8 ISO7220C 2 2500 2/0 3,3/5 25 есть 42 TTL ADuM1200 SOIC-8 ISO7220M 2 2500 2/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1200 SOIC-8 ISO7221A 2 2500 1/1 3,3/5 1 есть 475 TTL ADuM1201 SOIC-8 ISO7221C 2 2500 1/1 3,3/5 25 есть 42 TTL ADuM1201 SOIC-8 ISO7221M 2 2500 1/1 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1201 SOIC-8 ISO722M 1 2500 1/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1100 SOIC-8 ISO7230A 3 2500 3/0 3,3/5 1 есть 70 TTL ADuM1300 SOIC-16 ISO7230C 3 2500 3/0 3,3/5 25 есть 30 TTL ADuM1300 SOIC-16 ISO7230M 3 2500 3/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1300 SOIC-16 ISO7240A 4 2500 4/0 3,3/5 1 есть 70 TTL ADuM1400 SOIC-16 ISO7240C 4 2500 4/0 3,3/5 25 есть 30 TTL ADuM1400 SOIC-16 ISO7240CF 4 2500 4/0 3,3/5 25 есть 46 TTL ADuM1400 SOIC-16 ISO7240M 4 2500 4/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1400 SOIC-16  

Новые изоляторы повышают быстродействие системы и снижают стоимость в применениях с высокими напряжениями и высоким уровнем шумов, таких как автоматизация производства, управление технологических процессов и системах сбора данных.

Литература

1. Технические описания (datasheets) рассматриваемых приборов с интернет-сайтов производителей: , ,  

2. Application Reports с интер­нет-сайта : slla181, slla197, slla198.

Ответственный за направление в КОМПЭЛе - Мария Рудяк

 

  

 

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.