Hur man optimerar isolation och prestanda med hjälp av avancerade digitala isolatorer

Konstruktörer av elektroniska system behöver integrera ström- och signalisolation för att uppfylla prestandakraven och samtidigt uppfylla säkerhetsbestämmelser för användare och apparater. Isolation av en växelströmsmatning är enkel att åstadkomma med en transformator. Isolation av en likströmsmatning bygger i slutänden också på en transformator, men kräver fler kretsar. Isolation av analoga signaler som har digitaliserats, likväl som digitala seriella dataströmmar, innebär dock andra utmaningar och bekymmer.

I det här fallet måste den energiöverföringsteknik som används för isolation bevara signalens integritet genom den isolerande barriären för att bibehålla systemets prestanda. Det finns många sätt att implementera isolation, men konstruktörer måste garantera signalintegriteten vid högre datahastigheter och i mer utmanande miljöer. Därför använder de sig i allt högre grad av digitala isolatorer som kan överföra data med 150 Mbit/s.

Artikeln beskriver kortfattat varför isolation krävs, med betoning på behovet i sensorbaserade kretsar. Den tittar sedan på olika aspekter av isolation med hjälp av toppmoderna digitala isolatorer från Analog Devices och visar hur dessa kan tillämpas.

Isolation: varför och var

Det finns flera anledningar till behovet av isolation i sensorbaserade kretsar:

1. Isolation kan eliminera variationer i common mode-spänningar och minimera vissa typer av elektromagnetiska störningar (EMI). Det garanterar renare och mer exakta mätningar genom att förhindra att externa störningskällor förstör den insamlade signalen. Den gör det även möjligt att mäta små signaler med höga common mode-spänningar.
2. Till följd av skillnader i jordpotential mellan kretsar kan jordslingor ge upphov till spänningsskillnader som förvränger den uppmätta signalen. Isolation bryter upp jordslingan.
3. Isolation förhindrar att farliga spänningstoppar, transienter och överspänningar når känsliga mätkomponenter. Det skyddar mätkretsen, alla anslutna apparater och användaren.
4. Isolation medför säker nivåomvandling mellan olika delar av kretsen. Kretsar på ena sidan av isolationsbarriären kan ha omvandlarens spänning, medan kretsar på andra sidan kan ha 3,3 eller 5 V för signaler på logiknivå.

I ett batteripaket för hög spänning är det t.ex. ofta nödvändigt att känna till de enskilda cellernas spänning för att säkerställa att systemet fungerar säkert och har längsta möjliga batteritid. Spänningen över en enskild cell måste mätas trots att det finns upp till flera hundra volt common mode-spänningar i den seriekopplade batteripaketet.

Det är visserligen möjligt att använda analoga kretsar och isolerande förstärkare för att lösa detta problem, men sådana metoder uppfyller inte behoven för mätningar med högre bandbredd och upplösning samtidigt som systemets noggrannhet, linjäritet och konsekvens bibehålls.

Den mest exakta, ekonomiska och effektiva tekniken för att utföra sådana mätningar är istället att isolera hela mätningens frontände, inklusive analog- till digitalomvandlaren (ADC), och sedan använda en isolerad seriell länk för den digitaliserade informationen för resten av systemet (figur 1).

Figur 1: Genom att använda en isolerad frontände vid mätning av spänningen hos en enskild cell i ett batteripaket för hög spänning hanterar man utmaningen med common mode-spänningar. (Bildkälla: Analog Devices)

Denna metod isolerar batteripaketets common mode-spänning samtidigt som det förhindrar att farlig högspänning övergår till datalänkens sida eller användaren vid ett fel.

Observera att när det finns ett behov av signalisolation, finns det även ett krav på att tillhandahålla isolerad strömförsörjning, då matningar utan isolering skulle motverka och upphäva isoleringen av signalen. Den isolation av strömmen som krävs går att åstadkomma med en separat strömisolationskrets eller genom att använda ett batteri som en oberoende och isolerad strömkälla.

Hur man skapar isolation

Det är många parametrar som definierar en isolationens prestanda. Bland dessa finns den högsta spänning som isolationsbarriären tål innan den går sönder. Bestämmelser reglerar det högsta tillåtna värdet, vanligtvis flera tusen volt, beroende på tillämpning.

Flera olika tekniker kan användas för att åstadkomma isolation av digitala signaler. Dessa inkluderar kapacitiva kopplingar, optiska kopplingar (LED och fototransistor), RF-överföringar i "mikroskala" och magnetisk kopplingar.

Den sistnämnda är en tillförlitlig teknik med många positiva egenskaper, men har historiskt sett krävt en relativt stor och dyr signaltransformator. Den situationen förändrades med introduktionen av tekniken iCoupler från Analog Devices. Här används primära och sekundära transformatorspolar i kretsskala som är åtskilda av en isolationsbarriär som består av isolationslager med polyimid (figur 2). En högfrekvent bärvåg överför data genom isolationsbarriären till den sekundära spolen.

Figur 2: Tekniken iCoupler använder en högfrekvent bärvåg för att överföra data från den primära spolen till den sekundära spolen genom en tjock isolering av polyimid. (Bildkälla: Analog Devices)

Vid användning, drivs den primära transformatorns primära spole av en pulserande ström för att skapa ett litet, lokalt magnetfält som inducerar en ström i den sekundära spolen. Strömpulserna är korta, ca 1 ns, så den genomsnittliga strömmen är låg för att garantera en låg strömförbrukning. Tekniken OOK (av/på-anpassning) som används för pulseringen och den differentiella arkitekturen ger dessutom en mycket låg utbredningsfördröjning och kapacitet för hög hastighet.

De polymermaterial som används för iCoupler tillhandahåller en robust isolering, eftersom materialet är godkänt för nästan alla tillämpningar. De mest krävande användningsområdena, som exempelvis medicinteknisk utrustning och tung industriutrustning, drar störst nytta av denna prestandakapacitet.

Polyimid har även mindre påfrestning än kiseldioxid (SiO₂), som är ett alternativt barriärmaterial, och kan ökas i tjocklek efter behov. I jämförelse, är tjockleken på SiO₂, och därmed isolationsförmågan, begränsad; påfrestningar på tjocklekar större än 15 μm kan leda till spruckna kretsskivor vid bearbetningen eller att lamineringen lossnar under isolatorns livslängd. Digitala isolatorer av polyimid använder isolationsskikt med en tjocklek på ända upp till 26 μm.

Analog Devices har en mängd olika transformatorbaserade digitala iCoupler-isolatorer. Bland dem finns isolatorerna ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL och ADUM342E1WBRWZ med 3000 Vrms, 150 Mbit/s för gränssnitten CAN, RS-485 och SPI.

De tre digitala isolatorerna kallas gemensamt för ADuM34xE-enheter och skiljer sig främst åt genom kanalernas riktning. ADuM340E har fyra framriktade kanaler, ADuM341E har tre framåtriktade och en bakåtriktad kanal och ADuM3421 har två framåtriktade och två bakåtriktade kanaler (figur 3).

Bild 3: De tre digitala isolatorerna med fyra kanaler i serien ADuM34xE har liknande specifikationer men skiljer sig åt när det gäller kanalernas riktning. (Bildkälla: Analog Devices)

Var och en av de tre isolatorerna finns med ett val mellan två felsäkra lägen (figur 4): utgången sätts till lågt läge om ingångens sida är avstängd eller inte fungerar (lågt läge vid fel), eller där utgången sätts till högt läge om ingångens sida är avstängd eller inte fungerar (högt läge vid fel). Det gör att isolatorerna kan återgå till ett känt tillstånd när de används i viktiga tillämpningar.

Figur 4: Här visas ett blockdiagram för en kanal i en ADuM34xE som illustrerar alternativen med lågt läge vid fel (överst) och högt läge vid fel (nederst). (Bildkälla: Analog Devices)

Observera att det inte finns något samband mellan ingångssidans (stiftet V_DD1 i figur 3) och utgångssidans (V_DD2). De kan arbeta samtidigt med vilken spänning som helst inom sina specificerade driftområden och i vilken ordningsföljd som helst. Funktionen medför att isolatorn kan utföra spänningsomvandlingar för bl.a. 2,5-, 3,3- och 5 V-logik.

Nyanser i prestandaegenskaperna hos ADuM34xE

Den höga isolationsspänningen, höga hastigheten, låga strömförbrukningen och låga utbredningsfördröjningen hos isolatorerna ADuM34xE är direkt tillämpliga, men arkitekturen har mer nyanserade fördelar som konstruktörer kan utnyttja. Den totala strömförbrukningen skalas exempelvis med driftfrekvensen, och strömbehovet är proportionellt mot ungefär den hastighet som enheterna arbetar med. Därför förbrukar kanaler som är inaktiva eller som switchar vid mycket låg hastighet, väldigt lite ström. Resultatet är en relativ minskning av strömförbrukningen med en till två storleksordningar jämfört med alternativa tekniker för isolation.

När konstruktören har bestämt tillämpningens högsta seriella klockfrekvens kan den tillhörande isolerade strömförsörjningen väljas så att den ger tillräckligt med ström för att stödja just denna frekvens, vilket eliminerar behovet av att överspecificera bortom isolatorns högsta värde.

Med tanke på vikten av timing och fördröjning i seriella länkar med hög hastighet är det viktigt att notera att den digitala isolatorns prestanda inte försämras eller förändras över tid eller med temperatur. Jitter är ett mindre problem för signaler med låg hastighet där felet är litet jämfört med vågformens period, men vid högre datahastigheter blir timingjitter en betydande andel av signalens intervall. Genom att välja en isolator med det lägsta jittret kan man öka den isolerade kretsens signal-brusförhållande (SNR) och verkningsgrad.

Till följd av dessa egenskaper hos iCoupler-arkitekturen definierar enheternas datablad den garanterade lägsta och högsta strömförbrukningen, fördröjningen och pulsförvrängningen i hela driftstemperaturområdet -40 °C till +125 °C. För konstruktörer innebär de fullständiga specifikationerna att det blir enklare att göra beräkningar av systemets sämsta tänkbara prestanda.

Med de digitala isolatorernas garanterade värden för utbredningsfördröjning (max. 10 ns) (figur 5), stig- och falltid och matchning mellan kanaler kan systemets specifikationer för timing på högsta nivå modelleras och utvärderas på samma sätt som med andra digitala integrerade kretsar.

Figur 5: Tekniken iCoupler medför en mycket låg och helt karakteriserad fördröjning på under 10 ns i hela drifttemperaturområdet. (Bildkälla: Analog Devices)

Transientimmunitet i common mode (CMTI) är en mindre känd och lätt förbisedd specifikation. Den ständiga switchningen i högspänningstillämpningar som exempelvis laddningskretsar för elfordon (EV) och hybridfordon (HEV), solenergisystem och motordrivenheter ger upphov till common mode-transienter som ringning och störningar. Isolationstekniken i ADuM34xE-enheterna använder en transformatorarkitektur med centrumtappning, rygg mot rygg, som skapar en väg till jord med låg impedans för störningar på respektive sida av isolationsbarriären. Det medför att de kan uppnå en CMTI-klassificering på 100 kV/µs (minst), vilket förbättrar integriteten hos den isolerade signalen avsevärt.

Konstruktörer som känner till magnetik kan bekymra sig över att isolatorerna kan påverkas av magnetiska störningar som kan förvanska de pulser som skickas genom isolationsbarriären och orsaka fel. Den oron är obefogad, eftersom transformatorernas lilla radie och kärna av luft innebär att det krävs ett extremt stort magnetfält eller en mycket hög frekvens för att inducera ett fel. Digitala isolatorer är opåverkade av 500 A vid 1 MHz i en ledning bara 5 mm från enheten.

Utvärdering av digitala isolatorer

Även om funktionen hos isolatorerna är enkel, krävs uppmärksamhet på detaljer vid tillämpning av dem, som t.ex. kortlayout, för att garantera att deras funktioner för isolering av hög spänning och hög hastighet inte äventyras.

För att hjälpa konstruktörer att använda och utvärdera enheter erbjuder Analog Devices kortet EVAL-ADUM34XEEBZ för utvärdering av digitala iCoupler-isolatorer (figur 6). Kortet har plats och layout för en av vardera isolator, samt en fjärde icke definierad plats. Kortet har v-formade spår mellan respektive komponent (U1 till U4) så att användare kan dela upp kortet i delar och undersöka en specifik enhet på ett kopplingsdäck eller liknande testanordning.

Figur 6: Utvärderingskortet EVAL-ADuM34XEEBZ har stöd för alla de tre ADuM34xE-enheterna och har en fri plats för användarens val av en stiftkompatibel enhet. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskortet EVAL-ADuM34XEEBZ följer lämplig konstruktionspraxis för kretskort, inklusive ett jordplan på respektive sida av isoleringsbarriären. För utvärdering av iCoupler-enheter med hjälp av detta kort krävs endast ett oscilloskop, en signalgenerator och en strömförsörjning på 2,25 till 5,5 V.

Sammanfattning

Isolation behövs i många konstruktioner för att upprätthålla signalintegritet, säkerställa säkerheten för användare och apparater samt för att uppfylla krav i bestämmelser. Digitala isolationsenheter baserade på den magnetiska kopplingstekniken iCoupler från Analog Devices tillhandahåller en lättanvänd och tillförlitlig höghastighetslösning. Dess huvudspecifikationer, inklusive minimal försämring med tid och temperatur, garanterar en överlägsen långsiktig prestanda.