цифровой изолятор что это
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
Анатомия цифровых изоляторов
Цифровые изоляторы имеют значительные преимущества по сравнению оптопарами по размеру, скорости, энергопотреблению, простоте использования и надежности.
Идея вкратце
В течение многих лет разработчики промышленных, медицинских и других изолированных систем имели ограниченные возможности для реализации безопасному изолированию: единственным разумным выбором была оптопара. Сегодня цифровые изоляторы предлагают преимущества в производительности, размере, стоимости, энергоэффективности и интеграции. При выборе правильного цифрового изолятора важно понимание природы и взаимозависимости трех ключевых элементов цифрового изолятора. Этими элементами являются изолирующий материал, структура изолятора и способ передачи данных.
Разработчики применяют развязку из-за правил техники безопасности или для уменьшения шума от контуров земли и т. д. Гальваническая развязка обеспечивает передачу данных без электрического соединения или пути утечки, которые могут создавать угрозу безопасности. Тем не менее, развязка накладывает ограничения, такие как задержки, энергопотребление, стоимость и размер. Целью цифрового изолятора является соблюдение требований безопасности при минимизации этих проблем.
Оптопары, традиционный изолятор, несут наибольшие потери, потребляя высокий уровень мощности и ограничивая скорость передачи данных до 1 Мбит/с. Доступны и более энергоэффективные и высокоскоростные оптопары, но здесь уже появляется проблема с более высокой ценой.
Цифровые изоляторы стали использоваться более 10 лет назад для уменьшения проблем, связанных с оптопарами. Они используют схемы на основе CMOS логики и предлагают значительную экономию в деньгах и энергии при значительном улучшении скорости передачи данных. Характеристики цифровых изоляторов определяются элементами, указанными выше. Изоляционный материал определяет внутреннюю изоляционную способность и выбирается, исходя из обеспечения соответствия стандартам безопасности. Структура изолятора и метод передачи данных выбираются, исходя из необходимости преодоления указанных проблем. Все три элемента должны работать вместе, чтобы сбалансировать проектные цели, но единственная цель, которая не может быть скомпрометирована и «сбалансирована» – это способность соответствовать правилам безопасности.
Изоляционный материал
Цифровые изоляторы используют плавильные CMOS процессы и ограничиваются материалами, обычно используемыми в плавлении. Нестандартные материалы усложняют производство, что приводит к плохой технологичности и удорожанию. Типовые изолирующие материалы включают в себя полимеры, такие как полиимид (PI), который может быть выполнен в виде тонкой пленки, и диоксид кремния (SiO2). Оба имеют хорошо известные изолирующие свойства и годами используются в производстве стандартных полупроводниковых приборов. Полимеры стали основой для многих оптопар, дав им признание в качестве высоковольтного изолятора.
Стандарты безопасности обычно определяют выдерживаемое напряжение в течение 1 минуты (обычно от 2,5 до 5 кВ, среднеквадратичное значение) и рабочее напряжение (обычно от 125 до 400 В, среднеквадратичное значение). В некоторых стандартах также указывается более короткая длительность и более высокое напряжение (например, пиковое напряжение 10 кВ в течение 50 мкс) как часть сертификации для усиленной изоляции. Как показано в таблице 1, изоляторы на основе полимеров/полиимидов дают лучшие изоляционные свойства.
| Оптрон на основе полимеров | Цифровой изолятор на основе полиимида | Цифровой изолятор на основе SiO2 | |
|---|---|---|---|
| Выдерживаемое напряжение (1 минута) | 7,5 кВ скз | 5 кВ скз | 5 кВ скз |
| Срок службы при действующем напряжении 400 В | 25 лет | 50 лет | 25 лет |
| Пиковый уровень при усиленной изоляции | 20 кВ | 12 кВ | 7 кВ |
| Расстояние через изоляцию (толщина изоляции) | 400 мкм | от 14 до 26 мкм | от 7 до 15 мкм |
Цифровые изоляторы на основе полиимидов аналогичны оптопарам и имеют увеличенный срок службы при стандартных рабочих напряжениях. Изоляторы на основе SiO2 обеспечивают более слабую защиту от скачков напряжения, что исключает их использование в медицинских и других применениях.
Внутреннее напряжение у полимеров также различно. Полиимид имеет более низкое напряжение, чем SiO2, что позволяет, при необходимости увеличивать толщину слоя. Толщина SiO2 и, следовательно, изоляционная способность ограничены; напряжение при толщине более 15 мкм может привести к появлению трещин во время обработки или расслоению в течение срока службы изолятора. В цифровых изоляторах на основе полиимида используются слои изоляции толщиной до 26 мкм.
Структура изолятора
Для магнитной или емкостной связи данных через изолирующий барьер цифровые изоляторы используют трансформаторы или конденсаторы; по сравнению с оптопарами, которые используют свет от светодиодов.
Через обмотку трансформатора пропускается импульс тока (как показано на рисунке 1), что создает небольшое локализованное магнитное поле, которое индуцирует ток во второй обмотке. Длительность импульсов тока мала, 1 нс, поэтому среднее значение тока также мало.
Рисунок 1 – Трансформатор с толстой полиимидной изоляцией, в котором импульсы тока создают магнитные поля для индукции тока во вторичной катушке (слева). Конденсатор с тонкой изоляцией SiO2, использующий слабые электрические поля для связи через изолирующий барьер (справа).
Трансформаторы также являются дифференциальными устройствами и обеспечивают превосходную устойчивость к синфазным помехам со скоростью нарастания до 100 кВ/мкс (у оптопар этот параметр обычно составляют около 15 кВ/мкс). Магнитная связь также имеет более слабую зависимость от расстояния между обмотками трансформатора, по сравнению с зависимостью емкостной связи от расстояния между пластинами. Это обеспечивает более толстую изоляцию между обмотками трансформатора, что приводит к более высокой изолирующей способности. Сочетание низкого внутреннего напряжения и высоких изоляционных характеристик полиимидных пленок ставит использующие их трансформаторы в более выигрышное положение, по сравнению с конденсаторами, использующими SiO2.
Конденсаторы, так как являются не симметричными устройствами, имеют более высокую чувствительность к синфазным переходным процессам. Дифференциальные пары конденсаторов могут компенсировать этот недостаток, но это уже увеличивает размер и стоимость.
Одним из преимуществ конденсаторов является то, что для создания электрического поля связи они используют малые токи. Это становится заметно при высоких скоростях передачи данных, выше 25 Мбит/с.
Методы передачи данных
Для передачи данных через изолирующий барьер оптопары используют свет от светодиодов: светодиод включается, когда идет высокий логический уровень, и выключается, когда идет низкий логический уровень. Когда светодиод включен, оптопара потребляет электроэнергию, что делает оптопару плохим выбором там, где энергопотребление имеет значение. Большинство оптопар оставляют преобразование сигнала на входе и/или выходе на откуп разработчику, что не всегда легко реализовать.
Цифровые изоляторы используют более продвинутые схемы для кодирования и декодирования данных, что обеспечивает более быструю передачу данных и возможность обработки сложных двунаправленных интерфейсов, таких как USB и I 2 C.
Один из методов заключается в кодировании нарастающих и падающих фронтов в виде двойных или одиночных импульсов, которые приводят в действие трансформатор (рисунок 2). На стороне вторичной обмотки эти импульсы декодируются обратно в нарастающие/падающие фронты. Это снижает энергопотребление по сравнению с оптопарами в 10–100 раз, поскольку питание не подается непрерывно, как в оптопарах. Для регулярного восстановления уровня постоянной составляющей могут использоваться дополнительные схемы регенерации.
Рисунок 2 – Один из способов передачи данных кодирует фронты сигнала в одиночные или двойные импульсы.
Другой метод использует модулированные РЧ сигналы почти так же, как оптопары используют свет; высокий логический уровень сигнала приводит к непрерывной передаче радиочастотного сигнала. Это потребляет больше энергии, чем импульсный метод, поскольку высокие логические уровни сигнала вызывают непрерывное потребление электроэнергии.
Для уменьшения влияния синфазных помех могут использоваться дифференциальные методы передачи; однако их лучше всего использовать с дифференциальными элементами, такими как трансформаторы.
Выбор правильной комбинации
Цифровые изоляторы имеют значительные преимущества перед оптопарами по размеру, скорости, энергопотреблению, простоте использования и надежности. В пределах класса цифровых изоляторов различные комбинации изоляционного материала, структуры изолятора и метода передачи данных создают различные варианты устройств, делая некоторые из них более или менее подходящими для конкретных применений. Как отмечалось выше, материалы на основе полимеров обеспечивают наиболее надежную изоляцию; этот материал можно использовать практически во всех областях, но наиболее строгие, такие как медицинское оборудование и тяжелое промышленное оборудование, получат от него наибольшее преимущество. Для достижения максимально надежной изоляции толщина полиимида может быть увеличена сверх допустимой для конденсаторов; следовательно, развязка на основе конденсаторов может лучше всего подходить для рабочей изоляции, где от изоляции не требуется обеспечение безопасности. В тех случаях, где есть требования к безопасности, изоляция на основе трансформаторов может быть более предпочтительна, особенно в сочетании с методом дифференциальной передачи данных, который в полной мере использует дифференциальную природу трансформаторов.