Практические вопросы применения ИМС изолированного интерфейса в части выполнения требования по электромагнитной совместимости

ИМС изолированного интерфейса уже стали привычным компонентом многих устройств, им посвящено множество статей. Но проблема в том, что в одних статьях подробно рассматривается их внутренняя структура, в других — особенности сигналов, и совсем редко, вопросы практического применения на примере компоновки печатной платы. Все эти материалы, несомненно, важны и интересны для разработчика, но они имеются в общей технической документации, например в столь привычной спецификации data sheet. Автор статьи, считая, что проблемы, как всегда, кроются в мелочах, предлагает взглянуть на использование ИМС гальванически развязанного интерфейса под несколько иным углом. А именно уделить внимание вопросам проектирования изолированного интерфейса как конечного узла и интеграции такого интерфейса в конкретное изделие. То есть проанализировать вопросы, возникающие на стыке схемотехники и конструкции конечного изделия. Тема рассмотрена на примере использования ИМС типа ADM3251E компании Analog Devices, Inc. [1]. Данная микросхема применена автором в одном из серийных проектов в виде отдельного узла изолированного интерфейса. Предложенный в статье подход и ряд описанных моментов могут быть полезны и для других решений на базе иных ИМС этого типа.

Вначале коротко назовем обстоятельства, при которых изолированный интерфейс действительно необходим. Есть две основные проблемы. Первая — обеспечение безопасности, вторая — исключение паразитных контурных токов, возникающих из-за наличия петель в заземлении и общих шинах. Если ни одна из указанных проблем не актуальна для вашего оборудования, вам нет никакой надобности использовать это, в общем-то недешевое решение. Ведь при мелкооптовой закупке цена лишь ИМС ADM3251E составляет примерно $6. Никаких иных преимуществ вы не получите, так что не нужно гнаться за модой и создавать себе дополнительные хлопоты, а лучше плотнее заняться таким полезным для разработчика делом, как функционально-стоимостной анализ (ФСА) своего проекта.

Задача обеспечения безопасности с применением изолированного интерфейса чаще всего решается при проектировании медицинского оборудования или удаленных нестационарных устройств с чувствительными датчиками, имеющими автономное питание. Проблема паразитных контурных токов, появляющихся из-за наличия петель в заземлении, чаще всего возникает именно при решении вопросов снятия телеметрии или удаленного обмена информацией ЭВМ. Именно такая задача стояла в упомянутом автором проекте. Необходимо было передать данные телеметрии с СОМ-порта управляющей ЭВМ нестационарного робототехнического оборудования на внешнее удаленное оборудование и принимать через этот порт команды управления. Прогнозировать, что станет происходить по общим шинам заземления, было невозможно, поскольку в изделии имелись сигнальные общие провода и общее защитное заземление, обязательное согласно стандарту ГОСТ Р МЭК 60536-2-2001 для устройств первого класса защиты от поражения электрическим током. Причина такого обилия общих шин в том, что оборудование имело связь с внешним миром и собственное питание и, соответственно, разнесенные собственные точки заземления и точки подключения шин управления. Помимо этого, само исполнительное устройство могло перемещаться по площади объекта, где оно было установлено. Так что иного решения, кроме как использовать изолированный интерфейс для передачи телеметрической информации и разрыва всех «лишних» общих проводников, кроме защитного заземления, не имелось. Только таким путем можно было избежать описанных проблем, возникающих из-за разнесенных точек связи оборудования по общим проводам. Выбор пал на ИМС ADM3251E, поскольку требовалось обеспечить обмен информации именно по СОМ-порту и, соответственно, по протоколу RS‑232.

Что представляет собой ИМС ADM3251E? Эта популярная у разработчиков интерфейсов по протоколу RS‑232 ИМС не имеет полных аналогов у других изготовителей. Ее решение защищено несколькими патентами США, что, несомненно, говорит о ее техническом уровне. Основные достоинства микросхемы: соответствие спецификации EIA/TIA‑232E; гарантированная изоляция по цепям питания и цепям передачи/приема данных с напряжением пробоя изоляции не менее 2,5 кВ, что с достаточным запасом превышает требования по пробивному напряжению для оборудования по первому классу защиты от поражения электрическим током для основной изоляции; встроенный изолированный DC/DC-преобразователь; скорость передачи данных до 460 кбит/с; защита от воздействия статического электричества по внешним цепям ±8 кВ при контакте и ±15 кВ по воздушному зазору; высокая стойкость к воздействию синфазного напряжения, не менее чем 25 кВ/мкс, и соответствие сертификатам безопасности, в частности UL (пожаростойкость). О выполнении последнего условия разработчики часто вспоминают уже на этапе сертификации изделия (что не делает чести таким творцам и приводит к дополнительным затратам и средств, и времени).

Область применения ИМС ADM3251E — это устойчивые к помехам системы передачи данных общего и промышленного применения на основе интерфейса RS‑232, промышленные и телекоммуникационные порты, медицинское оборудование. Блок-схема ИМС ADM3251E приведена на рис. 1.

Рис. 1.
а) блок-схема;
б) рекомендованная [1] конфигурация проводников печатной платы для ИМС ADM3251E
Примечание: расшифровка наименований составных частей ИМС и пояснения приведены в тексте статьи.

Для того чтобы понять суть излагаемой проблемы, заглянем внутрь ИМС ADM3251E. Как видим, она состоит из двух частей, назовем их секциями. ИМС ADM3251E содержит полный, изолированный, с использованием внутренних высокочастотных трансформаторов, одноканальный интерфейс RS‑232 с согласующими каскадами приемников и передатчиков (цепи входа/выхода R_OUT, T_IN, R_IN*, T_OUT). Причем для повышения помехоустойчивости входные цепи приемника со стороны R_IN* (вторая секция) и передатчика со стороны T_IN (первая секция) реализованы на основе триггеров Шмитта. Как уже отмечалось, гальваническое разделение интерфейса осуществлено с использованием высокочастотных трансформаторов, они запитаны через специальные кодирующие/декодирующие преобразователи (ENCODE, DECODE). Питание условно выходной части (второй секции) ИМС выполнено также через высокочастотный разделительный трансформатор (верхний по блок-схеме рис. 1). Он запитан от отдельного генератора (OSC). Отметим, кстати, скрытый в тексте описания важный для рассматриваемого случая момент (раздел PCB LAYOUT [1]): в цепи питания в первой секции ИМС, оказывается, использован генератор с частотой 300 МГц. Само питание второй секции ИМС ADM3251E осуществляется напряжением от выпрямителя (RECT) и нормированным стабилизатором (REG) напряжением. От этого напряжения запускается схема удвоения второй секции на переключаемых конденсаторах (VOLTAGE DOUBLER), которая формирует положительные уровни напряжения по спецификации интерфейса RS‑232 и через преобразователь (VOLTAGE INVERTOR) — отрицательные. Подробно этот процесс представлен в спецификации [1] в разделе CHARGE PUMP VOLTAGE CONVERTER. Полное описание ИМС ADM3251E не является целью данной статьи, отметим лишь, что для преобразования уровней напряжения используется частота 200 кГц. Еще одна тонкость заключается в том, что, хотя почти во всех частях спецификации преобразователя указаны конденсаторы С1, С2, С3, С4 емкостью в 0,1 мкФ (и этого вполне достаточно для общего применения), на самом же деле для некоторых применений емкость конденсаторов может быть увеличена вплоть до 10 мкФ. Блокировочный конденсатор по цепи питания также указан емкостью 0,1 мкФ.

Однажды автор статьи принял участие в интереснейшем вебинаре “How to read a data sheet” («Как читать спецификации») [2]  и почерпнул много ценной информации о том, как правильно читать спецификации. Некоторое время вебинар был недоступен, но сейчас его можно открыть по ссылке [2], зайдя на сайт Analog Devices, он того стоит. Рассматриваемый случай именно «из этой оперы». Все перечисленные моменты, такие как частота внутреннего генератора первой секции для цепей питания, частота преобразователя напряжения второй секции, вариации емкостей преобразователя, оказались скрытыми в разделах спецификации, поясняющих некоторые аспекты работы ИМС [1]. Видимо, это сделано, чтобы не пугать потенциального потребителя. Согласитесь, специалисты-схемотехники обычно бегло просматривают разделы, поясняющие топологию печатной платы, а зачастую и тонкости функционирования интересующей их ИМС, больше полагаясь на собственный опыт и интуицию. Так, тонкости разводки печатной платы приходится изучать конструктору, который, как правило, не является знатоком в вопросах схемотехники. Подобная ситуация, именно на примере проектирования аналогичного интерфейса, была детально рассмотрена автором статьи в его работе о психологии управления при проведении ОКР [4]. Кроме того, мы, разработчики, часто слепо доверяем общим спецификациям, забывая, что кроме них есть еще и документы типа Application Note, в которых может найтись нужная и полезная для проектирования информация. Причина в том, что разработчик, как правило, вводит в поиск, например всезнающего Google, строку ADM3251E pdf и, естественно, получает доступ к спецификации на сайте общего пользования, скажем на alldatasheet.com. Хотя было бы правильнее обратиться непосредственно на сайт изготовителя (в данном случае Analog Devices, Inc.). В этом случае будет открыт доступ не только к текущей версии спецификации и ее вариантам, но и к истории изменений (хороший пример того, насколько это бывает важно [3]). Здесь разработчик сможет найти и рекомендации по применению, которые приведены в уже упомянутых Application Notes, связанных с интересующей его ИМС, и инструменты, помогающие в разработке изделий на ее основе.

Но вернемся к вопросу создания интерфейса. Спецификация [1] была прочитана правильно, учтены особенности построения схемы и разводки печатной платы (естественно, для данного варианта была выбрана двухсторонняя, а не шестислойная плата), учтено требование по наличию общего экрана. Здесь мы сознательно пошли на риск, хотя согласно спецификации [1] утверждалось, что при компоновке на двухсторонней печатной плате могут возникнуть проблемы с обеспечением изделия соответствию по Class A FCC. Для варианта такой платы были приведены в [1] следующие цифры: 48 дБ и 53 дБ для 300 МГц и 600 МГц соответственно. Однако признаюсь честно, мы понадеялись на всем нам хорошо известный авось и со спокойной совестью направили изделие на сертификацию. Наше конечное изделие должно было соответствовать требованиям EN 55022 : 010 [10] (CISPR22 : 2008, Class A) и FCC/CFR 47 Part 15B : 2012 (ANSI C63.4 : 2003, Class A), а также ряду других национальных стандартов, но опять-таки по разновидностям Class А.

Поскольку компания, в которой работает автор статьи, является экспортно ориентированной и через своего европейского представителя выходит на мировой рынок, сертификацию проводил один из европейских независимых сертификационных центров — Harsley EMC Service (Великобритания). К нашему удивлению, результат сертификационных испытаний оказался отрицательным. Причем в части соответствия требованиям именно по излучаемым радиопомехам, где мы, в общем, были уверены на 100%. Чтобы понять, насколько это требование важно для современной, в том числе и российской электроники, нужно оценить хотя бы общее число действующих стандартов ГОСТ Р, посвященных данной тематике (http://www.emci.ru/testig.html). Но здесь мы не ставим целью рассмотрение индустриальных и радиопомех как таковых, детально с этим вопросом можно ознакомиться, например, в публикации [7].

Итак, из итогового отчета сертификационного центра было видно, что пики превышения уровня радиопомех изделия находятся на основной частоте в 300 МГц и гармониках от этой частоты, на что честно указывала спецификация и что было разработчиком проигнорировано. Однако первоначально подозрение пало на плату центральной ЭВМ, хотя она была от надежного изготовителя VIA Technologies, Inc., с которым мы работаем не первый год. В заблуждение ввела частота помехи, совпадавшая с частотой некоторых шин платы, и то, что помеха явно была на кабеле от COM-порта к выходному интерфейсу. Все мы люди, и нам разрешили ввести экранирование кабеля медной фольгой и дополнительное экранирование, то есть кое-как ликвидировать паразитное излучение удалось лишь дополнительным и весьма тщательным экранированием блока внешнего интерфейса и связанных с ним кабелей. Помеха с горем пополам уменьшилась до приемлемого уровня, формально сертификат на соответствия по всем Классам A мог быть получен, но до победы, как оказалось, было еще далеко. Мы подписали итоговый документ и взяли на себя обязательства предоставить детальные разъяснения причины и измененную конструкцию на типовые испытания.

Понятно, такое экранирование оказалось некой припаркой и не было приемлемым для серийного производства, поэтому начался повторный процесс изучения проблемы. И вот тут-то мы поняли, что упомянутое выше и скрытое в недрах спецификации разъяснение, что в цепи питания в первой секции ИМС использован генератор с частотой 300 МГц, и является нашей проблемой. Именно он не позволял на двухсторонней плате выполнить заданные нормы по уровню радиопомех. Исследования, проведенные «дома», действительно показали, что мы ошиблись в своих предположениях насчет проблем от платы центральной ЭВМ и компания VIA Technologies здесь совсем ни при чем. Причина и источник генерации помехи показаны на рис. 2.\

Рис. 2. Диполь, генерирующий излучение между входом и выходом ИМС изолированного интерфейса в случае двухслойной печатной платы (по материалам [6])

Основной механизм излучения диполя, как отмечается в [6], — генерация тока, протекающего от входа к выходу в зазоре между разделенными входной и выходной «землями» через изолятор. В некоторых случаях это может сформировать излучающий диполь, как показано на рис. 2. Данный тип излучения, что и характерно для диполя, в основном перпендикулярен к плоскости расположения заземляющих поверхностей.

Какие общие выводы были сделаны и какие общие рекомендации можно дать? Во‑первых, при практическом проектировании подобных интерфейсов:

1. Необходимо оптимизировать разводку платы, нужно не только более тщательно располагать проводники, но крайне нежелательно вклинивать в области размещения таких устройств не относящиеся непосредственно к интерфейсу цепи (в нашем первоначальном варианте интерфейс был «перемешан» с цепями управления включения питания и индикации). Подробно проблемы компоновки самого интерфейса рассмотрены как в спецификации [1], так и в весьма полезных в этом отношении справочных материалах [5, 6].
2. Для достижения минимального уровня электромагнитных и радиопомех экранирование должно быть глухим. А у нас на этом небольшом выносном блоке были массивные кнопки включения/выключения системы, индикаторы, и одна из стенок была образована прилегающим основанием (щели там были неизбежны).
3. Указанная в спецификации [1] блокировочная емкость в цепи питания в 0,1 мкФ полностью не решает поставленной перед ней задачи. Необходимо использовать параллельное включение к ней как минимум еще одного конденсатора номиналом не более 1 нФ. Естественно, полезным будет и электролитический конденсатор в 100 мкФ в цепи питания.

Тем не менее ясности, как поступить в этом случае, мы не имели, поскольку все доступные рекомендации, в том числе и упомянутые [5, 6], использовали в качестве примера как минимум четырехслойные платы, что было не только невыгодно технологически, но и просто недоступно. Однако внимательно изучили документ “Recommendations for Control of Radiated Emissions with isoPower Devices” («Рекомендации по контролю излучения isoPower устройств») [6]. Он прямо указан в спецификации ИМС ADM3251E и, как оказалось, имеет к ней самое непосредственное отношение. Именно этот материал дал толчок к принятию окончательного и правильного решения. Как следует из упомянутого документа (и это подтверждено на практике), добиться значительного снижения уровня паразитного электромагнитного излучения позволяет использование привычного для импульсных источников питания, но не столь обычного для схем изолированного интерфейса, помехоподавляющего Y‑конденсатора совместно с X‑конденсаторами. Для тех, кто незнаком с этими обозначениями, добавлю: X‑конденсаторы — это конденсаторы, устанавливаемые по цепям питания (само название X происходит от английского across-the-line, буква X напоминает крест, cross). В нашем случае эту роль выполняют уже установленные блокировочные конденсаторы. Y‑конденсатор помещается между изолированными входной и выходной «землями». Его задача следующая. Между первичной и вторичной обмоткой трансформатора схемы питания (верхний трансформатор на рис. 1) всегда есть паразитная емкость. Через нее высокочастотные пульсации проникают от генератора (OSC на рис. 1), а это, как выяснилось, и есть источник рассматриваемой помехи 300 МГц на вторичную секцию интерфейса. Таким образом, на всей выходной части интерфейса присутствуют пульсации (с частотой блока генератора) относительно заземления обеих секций интерфейса, которые излучаются диполем (рис. 2). Как только добавлен Y‑конденсатор, ток помехи, просочившийся через паразитную емкость, может вернуться обратно по более короткому и менее сложному пути, чем в предыдущем случае, и паразитное излучение резко падает. Такой Y‑конденсатор в англоязычной технической литературе, применительно к рассматриваемой проблеме, имеет название Stitching Capacitance (буквально: «сшивающая» емкость, которая часто выполняется путем перекрытия изолированных слоев многослойной печатной платы [6]).

Для нашего случая достаточна емкость такого конденсатора 150 пФ, а его пробивное напряжение должно превышать необходимое для проектируемого устройства максимальное напряжение пробоя изоляции. Сам конденсатор обязательно должен быть керамическим, с минимальной собственной индуктивностью. В реальном устройстве применялся дисковый малогабаритный керамический выводной конденсатор SNT 150pF 20% 3kV RM7.5, относящийся к конденсаторам типа X1/Y2 (напряжение пробоя изоляции до 5 кВ). В качестве «сшивающего» конденсатора можно использовать и конденсаторы DE2B3KY151KA2BM01 (Murata), VY2151K29Y5SS63V7 (Vishay) и т. п. Внешний вид типового X1/Y‑конденсатора представлен на рис. 3. Если частота помехи превышает 300 МГц, то необходимы конденсаторы для поверхностного монтажа, например 502R29W151KV3E-SC (Johanson Dielectrics) с напряжением пробоя изоляции 1,5 кВ.

Рис. 3. Типовой выводной X/Y‑конденсатор

В качестве дополнительных помехоподавляющих элементов, препятствующих излучению помех с внешних кабелей интерфейса, использованы прекрасно себя зарекомендовавшие помехоподавляющие проходные конденсаторы (Chip EMIFIL) производства Murata — NFM21CC471R1H3D [9], а в качестве индуктивностей — многослойные ферритовые структуры (Chip Ferrite Bead) также производства Murata BLM18HD102SN1D [9]. Частотные характеристики этих элементов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Частотные характеристики помехоподавляющих элементов:
а) NFM21CC471R1H3D;
б) BLM18HD102SN1D

Все изложенное, учитывая и установку дополнительных блокировочных конденсаторов малой емкости (100 пФ), вместе с экранированием дало положительные результаты. И если ранее схема интерфейса в общем соответствовала типовой схеме из спецификации [1] (рис. 1), то после модернизации она приняла вид, представленный на рис. 5.

Рис. 5. Практическая схема изолированного интерфейса RS 232 с минимизированным уровнем электромагнитных и радиопомех для варианта исполнения на двухсторонней печатной плате

Для того чтобы оценить воздействие «сшивающей» емкости на уровень подавления помех в схемах с изолированными интерфейсами, обратимся к таблице [6], которая описывает влияние различных методов на подавление излучения на примере четырехканального цифрового изолятора ADuM1402 [8] с частотой передачи информации 1 Мбит/с.

Как видно, для рассматриваемого случая достаточно применения одного конденсатора емкостью в 150 пФ. При этом использование двухсторонней печатной платы допустимо. Не менее важно и то, что металлический корпус выходного разъема интерфейса не должен быть соединен с общим проводом второй секции, а экранная оплетка выходного кабеля (если она имеется) — с металлическими частями ответного разъема. В противном случае произойдет объединение «земель» через контур защитного заземления и вся проделанная вами работа по их разделению пойдет насмарку. Конечное изделие с предлагаемым схемотехническим и конструктивны решением в части рассматриваемого интерфейса успешно и с большим технологическим запасом прошло сертификационные испытания по излучению радиопомех. Блок интерфейса в разобранном виде представлен на рис. 6, а результаты одного из финальных наихудших из замеров паразитных излучений — на рис. 7 [11]. Как можно видеть на графике, результаты работы весьма впечатляющие. Для справки: в конечном изделии, кроме упомянутой в начале статьи центральной управляющей ЭВМ, имелись две веб-камеры, три блока управления шаговыми двигателями, двигатель постоянного тока с блоком управления, компрессорный узел с блоком управления, блоки питания и распределения, еще одна ЭВМ собственной разработки. Так что потенциальных источников радиопомех было более чем достаточно.

Рис. 6. Конструктивное исполнение изолированного интерфейса

Рис. 7. Характеристика излучения радиопомех конечным изделием с модернизированным (рис. 5) изолированным интерфейсом [11] (публикуется с разрешения компании «Модуль-98»)