Серия микросборок гальванической развязки сигналов на планарных трансформаторах производства ОАО «НПО «Физика»

Введение

На данный момент интегрированные решения повсеместно вытеснили с рынка дискретные варианты реализации гальванической развязки сигналов. Однако на рынке отечественной ЭКБ микросборки гальванической развязки сигналов представлены решениями на основе оптронов или классических объемных трансформаторов. Для большинства таких решений характерны суженный температурный диапазон, слабая стойкость к специальным внешним воздействующим факторам (СВВФ), большие размеры корпуса.

Микросборки гальванической развязки, разработанные с использованием индуктивной технологии передачи данных через планарные интегральные трансформаторы, лишены данных недостатков.

Варианты применения

Гальваническая развязка сигналов предназначена для изоляции отдельных доменов питания друг от друга и удаления «земляных» петель из схемы.

Наиболее типичны применения в схемах:

1. Приема данных с удаленных устройств.
2. Трансформаторных DC/DC-источников питания.
3. Управления двигателями.
4. Контроля напряжения в многосекционных аккумуляторах.
5. Изолированного включения АЦП, ЦАП.

Особенности конструкции

ОАО «НПО «Физика» разработана серия микросборок гальванической развязки сигналов с применением индуктивной технологии передачи данных через планарные интегральные трансформаторы (рис. 1). Данные микросборки были созданы с использованием единого подхода к конструированию.

Рис. 1. Инженерные образцы

В составе микросборки имеются:

• металлокерамический корпус;
• базовая плата;
• микросхемы приемопередатчиков сигналов трансформаторов;
• трансформаторы;
• прочие пассивные компоненты.

Планарные интегральные трансформаторы состоят из двух керамических подложек, на которых расположены катушки индуктивности. Каждая из подложек может содержать по нескольку планарных катушек индуктивности, обладающих индивидуально заданными параметрами. Подложки наклеены одна на другую — таким образом пары катушек индуктивности формируют плоские трансформаторы. Допустимо использование подложек толщиной 0,15–0,5 мм в зависимости от требуемого напряжения изоляции. Высота таких трансформаторов значительно меньше, чем у самых компактных образцов классических трансформаторов, что позволяет использовать низкопрофильные металлокерамические корпуса.

Применение металлокерамического корпуса обеспечивает длительный срок хранения изделия, расширенный температурный диапазон эксплуатации, устойчивость к термо-циклированию и механическим напряжениям.

Принцип работы

Базовые принципы работы трансформатора всем знакомы, но действие планарного трансформатора несколько отличается от классического (рис. 2). Наиболее близкой аналогией будет работа классического трансформатора, но без сердечника и с пониженным коэффициентом передачи. Магнитные материалы, применяемые в конструкции классических трансформаторов, значительно повышают КПД трансформатора, однако имеют ограниченный температурный диапазон и частоту работы. Отказ от применения магнитных материалов позволяет расширить рабочий температурный и частотный диапазоны изделия.

Рис. 2. Модель воздушного планарного трансформатора

Типы напряжения изоляции

В России не существует единого стандарта, регламентирующего порядок испытаний микросборок гальванической развязки. В международной практике есть множество национальных и индустриальных стандартов, которых производители придерживаются на свое усмотрение. Безотносительно какого-либо стандарта, перечислим основные типы напряжений изоляции. Для большинства перечисленных в таблице 1 параметров указывается среднеквадратичное значение (скз) биполярного или однополярного синусоидального напряжения частотой 50 Гц, приложенного к изолированным частям микросборки. Типовые значения параметров приводятся для современных изделий рынка общего назначения независимо от применяемой технологии гальванической развязки.

Примечания.

1. Различие параметровV_IORM и V_ISO вызвано скоростью деградации изолирующей среды при приложенном напряжении.
2. Зависит оттолщины и качества изготовления изолирующей среды.
3. Зависит отемкостной и индуктивной связей изолированных частей микросборки.

Параметры, контролируемые при производстве, определяются страной рынка сбыта и областью применения.

Разработанные микросборки

Специалисты ОАО «НПО «Физика», используя свою технологию производства планарных интегральных трансформаторов, создали серию микросборок гальванической развязки сигналов. В данных изделиях применяются материалы и компоненты исключительно отечественного производства. Микросхемы приемопередатчиков сигналов трансформаторов были разработаны на основе набора сложнофункциональных (СФ) блоков, позволяющих реализовать передачу данных и энергии через планарные трансформаторы. Применение ранее существовавших СФ-блоков помогло сократить период разработки и в кратчайшие сроки реализовать опытные изделия. Модульный подход позволяет оперативно реагировать на требования пользователей и интегрировать технологию гальванической развязки в другие перспективные или существующие изделия.

Общие параметры микросборок:

• низкопрофильный 18‑выводной металлокерамический корпус;
• температурный диапазон: –60…+125 °C;
• V_IORM = 400 В скз;
• V_iso = 2,5 кВ скз;
• V_CM = 25 кВ/мкс.

В зависимости от назначения микросборки предусмотрены различные технологии кодирования передаваемых через планарные трансформаторы данных: фазовое, импульсное однополярное, импульсное биполярное.

Микросборка 2015ВВ014

Микросборка 2015ВВ014 (рис. 3, 4) предназначена для однонаправленной двухканальной гальванической развязки цифровых сигналов асинхронных протоколов обмена данными с частотой передаваемого меандра не более 20 МГц (40 Мбит/с NRZ). Задержка передачи данных составляет 40 нс, искажение длительности сигнала — 4 нс.

Рис. 3. Микросборка 2015ВВ014

Рис. 4. Открытая микросборка 2015ВВ014

Микросборка 2015ВВ014 содержит (рис. 5):

• кристалл передатчика цифровых сигналов на интегральные трансформаторы;
• кристалл приемника сигналов с интегральных трансформаторов;
• интегральные трансформаторы;
• прочие пассивные компоненты.

Рис. 5. Структурная схема микросборки 2015ВВ014

Для передачи информации по одному каналу используются два трансформатора, один из которых посылает данные о приходе фронта сигнала, а второй — о срезе сигнала. Передача информации осуществляется короткими мощными импульсами, которые обеспечивают уверенное принятие аналогового сигнала на приемной стороне. Для повышения надежности работы при передаче низкочастотного сигнала используются схемы обновления и контроля уровня сигнала. Схема обновления уровня сигнала обеспечивает передачу информации о состоянии сигнала не реже, чем раз в n мкс, тогда как схема контроля сигнала устанавливает ноль на выходе микросборки, если информация о состоянии сигнала не обновлялась в течение 2×n мкс. Схемы обновления и контроля уровня сигналов действуют от встроенного генератора и могут быть выключены в случае работы с высокочастотными сигналами для снижения тока потребления микросборки в обоих доменах питания.

Назначение выводов представлено в таблице 2, а осциллограммы работы микросборки приведены на рис. 6–9.

Рис. 6. Осциллограмма передачи положительного импульса

Рис. 7. Осциллограмма передачи отрицательного импульса

Рис. 8. Осциллограмма передачи меандра с нулевым уровнем линии в режиме ожидания

Рис. 9. Осциллограмма передачи меандра с единичным уровнем линии в режиме ожидания

Отладочная плата

Для данной микросборки доступна отладочная плата TEST 2015ВВ014 (рис. 10).

Рис. 10. Отладочная плата TEST 2015ВВ014

Основные параметры платы:

• габариты: 10×10 см;
• подключаемая индикация подачи питания;
• подключаемая трансформаторная DC/DC-развязка с напряжением изоляции 1 кВ;
• подача высокочастотных входных сигналов через SMA-разъем, для чего требуется выставить на генератор нагрузку High-Z;
• возможность использования с контактирующим устройством FP-cl-h‑18-2.0-001 производства ОАО «Тест-Контакт»;
• возможность установки высоковольтного выводного конденсатора для улучшения параметров ЭМС.

Микросборка 2015ВВ024

Микросборка 2015ВВ024 (рис. 11, 12) предназначена для приема двуполярного последовательного кода по ГОСТ 18977-79 и РТМ 1495-75 (ARINC‑429) и выдачи гальванически развязанной цифровой информации пользователю. В состав микросборки (рис. 13) входит также изолированный DC/DC-преобразователь.

Рис. 11. Микросборка 2015ВВ024

Рис. 12. Открытая микросборка 2015ВВ024

Рис. 13. Структурная схема микросборки 2015ВВ024

Микросборка 2015ВВ024 включает:

• кристалл приемника сигналов ГОСТ 18977-79 (далее — кристалл 1);
• кристалл приемника сигналов с интегральных трансформаторов (далее — кристалл 2);
• три интегральных трансформатора;
• прочие пассивные компоненты.

Кристалл 1 декодирует данные с линии ГОСТ 18977-79 и передает кодированные данные через плоские трансформаторы. Сигнал с плоских трансформаторов поступает на аналоговые входные цепи кристалла 2, декодируется и выдается пользователю. Интерфейс выдачи данных может быть выбран:

• аналогичный интерфейсу приемников серии 1586ИН4АУ и приемников производства фирмы HOLT IC;
• аналогичный интерфейсу микросборок Ф004А;
• аналогичный интерфейсу микросборок серии АП.

Кристалл 2 принимает тактовую частоту и, усилив, подает ее на трансформатор для накачки энергии на изолированную сторону микросборки. Кристалл 1 получает энергию для работы от двух источников: маломощной запитки от линии передачи данных и с трансформатора.

Назначение выводов представлено в таблице 3, а осциллограммы работы приемника показаны на рис. 14, 15. Осциллограммы приведены для работы с короткой линией, передатчиком на которой выступает микросхема 1586ИН2У1. Нагрузка на линии: 22 нФ и 850 Ом.

Рис. 14. Осциллограмма работы приемника на частоте 12,5 кГц

Рис. 15. Осциллограмма работы приемника на частоте 100 кГц

Отладочная плата

Для данной микросборки доступна отладочная плата TEST 2015ВВ024 (рис. 16).

Рис. 16. Отладочная плата TEST 2015ВВ024

Основные параметры платы:

• предустановленный передатчик 1586ИН2У1 с возможностью настройки частоты работы;
• регулируемая нагрузка в линии;
• возможность подключить внешнюю линию;
• предустановленная трансформаторная DC/DC-развязка с напряжением изоляции 1 кВ для отработки взаимодействия с внешней подачей питания.

Заключение

По совокупности характеристик микросборки гальванической развязки сигналов производства ОАО НПО «Физика» являются уникальными изделиями. Их применение позволит специалистам ускорить процесс разработки, сделать устройство надежнее, легче, компактнее и энергоэффективнее. Производство микросборок налажено, предприятие готово к опытным поставкам. Включение в перечень ЭКБ ожидается в 2020 году.

Также возможно изготовление микросборок специального применения с интегрированной гальванической развязкой по требованиям заказчиков.