отправка...Преимущества применения сдвоенного емкостного барьера в новых цифровых изоляторах Texas Instruments
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 этой статье проведен сравнительный анализ основных характеристик электрической изоляции в высокоскоростных цифровых цепях, рассмотрены преимущества и недостатки оптических, индуктивных и емкостных изоляторов. Особое внимание уделено обзору реализации новой технологии передачи цифровых сигналов через сдвоенный емкостной изоляционный барьер, используемый в семействе цифровых изоляторов ISO72x от Texas Instruments.
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 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 и расположенных по двум сторонам диэлектрика — оксида кремния SiO2 (рис. 1). На рис. 2 можно видеть соединения внутри ИС ISO721 между двумя гальванически изолированными подложками, на одной из которых расположены емкостные барьеры.
Для передачи постоянной составляющей сигнала ISO72x использует два канала (рис. 3). Первый, высокоскоростной канал (нижний на схеме) передает фронты (переходы) сигнала. Второй, низкочастотный (верхний на 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 быстронарастающем (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 происходят искажения принимаемых данных в выходных цепях. Сетка Фарадея может отвести часть этого смещенного потока от важных выходных цепей оптических и индуктивных изоляторов.
В емкостных изоляторах сетка Фарадея — неподходящее решение проблемы, так как вместе с блокировкой быстрых переходных процессов происходит 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. Как видно из таблицы, ISO721 имеет наилучшее значение параметра устойчивости к быстрым переходным процессам, что позволяет ему надежно передавать данные со скоростью до 150 Mбит/с.
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. При скорости передачи данных 100 Mбит/с, 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. 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.
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. 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 изоляционные свойства в соответствии с их физическим и химическим составом, в котором содержатся 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) нормировано на значение пикового напряжения между входом и выходом 4 кВ (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.
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 модели (так называемой E-модели), основанной на физической деградации диэлектрика. Не останавливаясь на описании этого метода, приводим таблицу с результатами расчета параметра TDDP для емкостных изоляторов серии ISO72x для различных значений напряжений между входом и выходом (табл. 5).
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. Как можно видеть, таким способом были получены 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 более 25 лет при рабочем напряжении вход/выход 560 В. Результаты также показывают, что такой изоляционный барьер является очень «крепким» и способен противостоять многократным всплескам высокого напряжения до 4000 Вт пикового или 2828 В 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 классом* требований, предъявляемых стандартом IEC6100-4-8 (электромагнитные поля промышленных частот) и стандартом IEC61000-4-9 (импульсные электромагнитные поля).
* 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, а также линии грозозащит высотных сооружений, переносящих ток молнии.
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 стандартов IEC6100-4-8 и IEC61000-4-9. Данные для ADuM1100 получены из его технического описания версии «E» (рис. 8), взятого с официального сайта производителя (с переводом в удобные для сравнения единицы измерения).
Согласно расчетам, емкостная пара в дифференциальной цепи ISO72x с медленным сигналом и двукратным запасом по шуму требует плотности внешнего электромагнитного поля более чем 12,3 Вб/м2 на частоте 1 МГц. К примеру, это поле генерируется током более 10 МА, проходящим через 10-сантиметровый 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.
Заключение
Цифровые изоляторы со сдвоенным емкостным барьером выводят отрасль на самые высокие скорости передачи данных при высокой надежности 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. Новые изоляторы повышают быстродействие системы и снижают стоимость в применениях с высокими напряжениями и высоким уровнем шумов, таких как автоматизация производства, управление технологическими процессами и системы сбора данных.
Литература
- www.avagotech.com
- www.analog.com
- www.ti.com
20 июля, 2022