Цифровой изолятор что это
Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?
Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.
Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.
Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.
Зачем оно нужно
Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.
Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.
Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.
Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.
Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.
Как оно работает
Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.
Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.
Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.
Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.
Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.
Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.
Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.
Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.
На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.
Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.
Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.
Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.
Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.
Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.
Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.
Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.
Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.
Где оно работает
Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.
Не только оптопары: понятие цифровых изоляторов
Оптопары, несомненно, эффективны, но альтернативные технологии гальванической развязки (электрической изоляции цепей друг от друга) могут лучше подходить для вашего приложения.
Связанная информация
Достичь гальванической развязки довольно легко, когда мы имеем дело с сигналами переменного тока. Плавно изменяющиеся напряжения и токи настолько стремятся выйти за пределы проводящих соединений, что естественным образом допускают три типа изолированной передачи: они генерируют магнитные поля, которые могут быть связаны через катушки трансформатора, электрические поля, которые могут быть связаны через пластины конденсатора, и электромагнитное излучение, которое можно передавать через антенны.
Проблема в том, что часто нам необходимо электрически изолировать сигналы, форма которых не меняется постоянно. Как правило, это цифровые сигналы, которые могут оставаться на низком или высоком уровне в течение длительного периода времени. Стандартным решением этой проблемы является использование света, который обладает удобной возможностью передавать между передатчиком и приемником информацию о низкочастотных сигналах или даже об устойчивых состояниях без установления прямого электрического соединения.
Что такое оптопара?
Оптопара представляет собой простое устройство, состоящее из светодиода, изолирующего барьера и фоточувствительного полупроводникового устройства (то есть фотодиода или фототранзистора).
Рисунок 1 – Рентгеновское изображение оптопары, взятое из документа Silicon Labs под названием «Цифровые CMOS изоляторы заменяют оптопары в промышленных приложениях»
Недостатки оптопар на практике
Оптопары подходят для множества систем, но у них есть существенные недостатки:
Радиочастотный подход
Обычно радиочастотная связь у нас ассоциируется с системами, работающими на больших расстояниях. Но нет никаких причин, по которым вы не можете использовать ее для приложений (очень) ближнего действия, таких как изоляция цифрового сигнала. Идея заключается в том, чтобы модулировать несущую в соответствии с цифровым входным сигналом, передавать модулированный сигнал через изолирующий барьер и затем демодулировать сигнал.
Риснок 2 – Схема взята из технического описания для семейства цифровых изоляторов Si864x от Silicon Labs.
Использование амплитудной манипуляции (вкл/выкл) снижает энергопотребление, поскольку устройство не передает РЧ-сигнал, когда на входе присутствует низкий логический уровень.
Рисунок 3 – Диаграмма взята из технического описания для семейства цифровых изоляторов Si864x от Silicon Labs.
Описание компонента на первой странице технического описания Si864x показывает, что эти устройства лучше, чем оптопары, практически во всех отношениях. Единственные возможные недостатки, которые могут прийти мне в голову, связаны с повышенной генерацией или восприимчивостью к электромагнитным помехам. Однако в этом документе (стр. 10) утверждается, что эти изоляторы сконструированы таким образом, чтобы обеспечить работу с низким уровнем создаваемых электромагнитных помех и высокую устойчивость к радиочастотным помехам.
Прежде чем двигаться дальше, интересно отметить, что эти радиочастотные изоляторы обеспечивают значительные улучшения по сравнению с оптопарами, несмотря на тот факт, что принципиальное различие между этими двумя технологиями заключается только в длине волны: оптопара позволяет цифровому сигналу включать и отключать источник электромагнитного излучения с более короткой длиной волны излучения (т. е. свет), а устройство SiLabs позволяет цифровому сигналу включать и отключать источник более длинноволнового электромагнитного излучения (т. е. РЧ сигнал).
Магнитная изоляция
Analog Devices, чтобы преодолеть ограничения оптопар, использует магнитную связь. Их технология iCoupler объединяет крошечные трансформаторы со схемами управления таким образом, что низкочастотные цифровые сигналы могут передаваться, несмотря на то, что для индукции тока требуется изменяющееся магнитное поле. Следующая диаграмма дает хорошее представление об их технологии:
Рисунок 4 – Схема взята из этой статьи, опубликованной Analog Devices.
Выходной сигнал следует за входным сигналом, отслеживая переходы. Логика на входной стороне кодирует нарастающие и падающие фронты и передает их через барьер с помощью магнитной связи, а выходная сторона декодирует эти сигналы в обычные логические переходы. Как и в случае радиочастотных изоляторов, технология iCoupler превосходит оптопары по размерам, рабочей частоте, энергопотреблению и т. д. Честно говоря, прочитав литературу производителя по альтернативным методам изоляции, вы почти пожалеете бедных инженеров, которым пришлось так долго работать с изоляторами на основе света.
Возможно, вы могли бы потратить большую часть дня, пытаясь тщательно проанализировать плюсы и минусы магнитных и радиочастотных изоляторов, но я не думаю, что это хорошее использование времени, потому что в большинстве приложений оба этих решения будут очень эффективными. Я лишь упомяну два момента:
Заключение
Если оптопары полностью подходят для вашего применения, обязательно используйте их. Я последний, кто порекомендует вам перейти на новый продукт просто потому, что он новый. Однако важно знать об альтернативах, потому что технологии изоляции на основе радиочастотных сигналов и магнитных полей действительно предлагают значительные преимущества.
Анатомия цифровых изоляторов
David Krakauer, Analog Devices
По габаритам, скорости, потребляемой мощности, простоте использования и надежности цифровые изоляторы намного превосходят оптроны
На протяжении многих лет у разработчиков промышленного, медицинского и иного оборудования, к которому предъявляются повышенные требования по уровню безопасности, выбор решений для гальванической защитной изоляции был минимален, промышленность выпускала только оптроны. Появившиеся в последние годы цифровые изоляторы имеют неоспоримые преимущества в части технических характеристик, габаритов, стоимости, энергетической эффективности и интеграции. Для правильного выбора цифрового изолятора необходимо иметь четкое понимание природы и взаимосвязи трех ключевых элементов: материала изолятора, его структуры и способа передачи данных.
Изоляция цепей нужна разработчикам там, где этого требуют стандарты безопасности, где необходимо уменьшить шумы, создаваемые возвращающимися через «землю» токами, и еще во множестве случаев. Гальваническая изоляция позволяет передавать данные без прямых электрических соединений и без путей утечки токов, которые могут быть потенциальными источниками опасности. Самым простым и экономически эффективным способом реализации гальванической развязки на сегодня являются цифровые изоляторы.
Традиционно используемые в цепях изоляции оптроны крайне несовершенны. Они рассеивают большую мощность, а скорость передачи данных, в типичном случае, не превышает 1 МГц. Более эффективные и быстродействующие оптроны, в принципе, выпускаются, но они весьма дороги.
Первые цифровые изоляторы были выпущены более 10 лет назад как более совершенная альтернатива оптронам. Они изготавливаются на основе КМОП технологии и позволяют значительно увеличить скорости передачи данных и одновременно снизить стоимость изоляции. Характеристики цифровых изоляторов определяются тремя элементами, о которых шла речь чуть выше. Балансом этих элементов практически всегда можно достичь оптимального решения поставленной задачи. Изоляционный материал выбирается в соответствии с предписаниями стандартов безопасности. Структура и метод передачи данных должны отвечать целям проекта. Компромисс недопустим лишь в части, затрагивающей технику безопасности.
Материал изоляции
Цифровые изоляторы изготавливаются на основе типовых технологических процессов КМОП, в которых используются только стандартные материалы. Специальные материалы усложняют производство, делают его нетехнологичным, а конечный продукт – дорогим. В качестве изолирующих материалов обычно применяются либо полимеры, такие как полиимид, который можно наносить в виде тонкой пленки, либо диоксид кремния (SiO2). Изолирующие свойства обоих хорошо изучены, оба материала используются в производстве полупроводников на протяжении многих лет. С использованием полимеров изготавливались многие оптроны, именно полимеры сделали их высоковольтными изоляторами.
Таблица 1. Наилучшими свойствами обладают изоляторы на полимерной/полиимидной основе
В стандартах безопасности обычно прописаны требования по напряжению изоляции (типовые значения от 2.5 до 5 кВ с.к.з. в течение 1 мин) и рабочему напряжению (типовые значения от 125 до 400 В с.к.з в течение 1 мин). Для специальной усиленной изоляции некоторые стандарты требуют устойчивости к более высоким напряжениям при меньшем времени воздействия (например, 10 кВ в течение 50 мкс). Как можно заключить, посмотрев на Таблицу 1, наилучшими изолирующими свойствами обладают материалы на полимерной/полиимидной основе.
Характеристики цифровых изоляторов на полиимидной основе близки к характеристикам оптронов. Изоляторы на основе SiO2 имеют более слабую защиту от бросков напряжения, что исключает их применение, например, в медицинской аппаратуре.
Величина внутреннего напряжения полимеров также различна. У полиимида оно меньше, чем у SiO2, что позволяет, при необходимости, наращивать толщину материала. Толщина SiO2 и, соответственно, изолирующая способность, ограничены пределом 15 мкм. Превышение этого предела может привести к появлению трещин в кремниевой пластине, или к отслоению изолятора в процессе эксплуатации. Толщина полиимидной пленки может достигать 26 мкм.
Структура изолятора
В цифровых изоляторах для передачи данных через изолирующий барьер используется магнитная или емкостная связь, аналогично тому, как в оптронах используется свет.
Импульс тока катушки трансформатора создает слабое локализованное магнитное поле, индуцирующее ток в другой катушке (Рисунок 1). Импульсы тока очень коротки, обычно порядка 1 нс, поэтому средний ток невелик.
 | |
| Рисунок 1. | В трансформаторе с толстой полиимидной изоляцией магнитное поле, создаваемое в первичной катушке, индуцирует ток во вторичной катушке (слева); в конденсаторе с тонким изолятором из двуокиси кремния (SiO2) для связи между обкладками используются слабые электрические поля (справа). |
В силу своей дифференциальной природы, трансформаторы исключительно устойчивы к синфазным помехам со скоростью нарастания до 100 кВ/мкс. (Для оптронов эта величина, в типичном случае, имеет порядок 15 кВ/мкс). Кроме того, магнитная связь слабее зависит от расстояния между катушками трансформатора, чем емкостная связь от расстояния между обкладками конденсатора. Это позволяет увеличивать толщину изоляции в трансформаторах, улучшая, соответственно, их изолирующие свойства. С учетом низкого уровня внутренних напряжений и высоким качеством полиимидной изоляции, трансформаторы выглядят существенно привлекательнее, чем конденсаторы с диэлектриком из двуокиси кремния.
Несимметричный вход конденсатора к синфазным помехам намного восприимчивее. Устранить это недостаток можно использованием дифференциальной пары конденсаторов, но следствием такого решения будет увеличение размеров изолятора и его стоимости.
Главное преимущество конденсаторов в малом токе, необходимом для создания электрического поля, достаточного для надежной связи. Это становится особенно заметным на частотах свыше 25 МГц.
Способы передачи данных
Для передачи информации через изолирующий барьер в оптронах используется световой поток светодиода, попеременно переключаемого в состояния «лог. 0» и «лог. 1». Включенный светодиод потребляет значительный ток, поэтому для приложений, критичных к уровню расходуемой мощности, оптрон будет самым плохим выбором. Разработчику, использующему оптоизоляторы, вопросы формирования входных и/или выходных сигналов чаще всего приходится решать самостоятельно, что не всегда достигается простыми средствами.
В цифровых изоляторах для кодирования и декодирования данных используются боле сложные схемы, позволяющие увеличить скорость передачи и обеспечить возможность работы с такими сложными двунаправленными интерфейсами, как USB и I 2 C.
Один из способов кодирования положительных и отрицательных фронтов заключается в формировании парных или одиночных импульсов (Рисунок 2). На вторичной стороне эти импульсы восстанавливаются декодером обратно в перепады сигнала. Такой метод, в сравнении с оптронами, дает выигрыш в потребляемой мощности от 10 до 100 раз, поскольку ток протекает через изолятор только в моменты смены входных логических уровней. Для регулярного восстановления уровня постоянной составляющей могут использоваться дополнительные схемы регенерации.
 | |
| Рисунок 2. | Один из способов передачи данных: фронты кодируются одиночными или сдвоенными импульсами. |
Еще один метод основан на модуляции высокочастотных сигналов, во многом подобной модуляции света в оптоизоляторах: на время присутствия на входе изолятора уровня «лог. 1» включается генератор высокой частоты. Потребляемая мощность при высокочастотном кодирования намного выше, чем при импульсном, так как в состоянии «лог. 1» ток потребляется постоянно.
Для снижения влияния синфазных помех применяются различные схемные решения, однако лучше всего использовать готовые дифференциальные элементы, такие как трансформаторы.
Выбор правильного сочетания элементов
По сравнению с оптронами, цифровые изоляторы значительно меньше, быстрее, экономичнее, надежнее и проще в использовании. Комбинируя различные изолирующие материалы, архитектурные решения и методы передачи данных, можно создавать цифровые изоляторы, более или менее подходящие для каждого конкретного устройства. Как отмечалось выше, самая надежная изоляция обеспечивается полимерными материалами. Эти материалы можно использовать практически во всех приложениях, но в наибольшей степени их преимущество проявляется там, где требования к изоляции особенно строги: в здравоохранении и тяжелом промышленном оборудовании. Для повышения надежности изоляции толщину полиимидной пленки можно увеличивать в более широких пределах, чем оксидную изоляцию конденсаторов. По этой причине изоляторы на конденсаторной основе предпочтительно использовать там, где изоляция не служит средством обеспечения безопасности. В большинстве случаев имеет смысл использовать изоляцию на трансформаторной основе, в особенности в комбинации с дифференциальной передачей данных, позволяющей использовать преимущества симметричной структуры трансформаторов.
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман