CC BY
4540 I компоненты изоляторы
Сергей ПИЧУГИН
s.pichugin@compel.ru
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
Рис. 2. Внешний вид внутренних соединений между двумя подложками ИС ^721
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.
Верхнее защитное покрытие Медная площадка
8 мкм изоляционный барьер: SiOs
Кремниевая подложка
Рис. 1. Структура емкостного изолятора (один конденсатор)
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 быстронарас-тающем (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 быстронарастающе-го 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.
Рис. 4. Паразитная емкость в изоляционном барьере оптопары
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 быстронарастаю-щем 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.
Таблица 1. Допустимая скорость нарастания входного сигнала
Наимено- вание Технология изоляции Допустимая скорость нарастания входного сигнала (кВ/мкс)
ISO721 Емкостная 25
ADuM1100 Индуктивная 25
HCPL-0900 Индуктивная 15
HCPL-0721 HCPL-0723 Oптическая 10
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 скоро-
сти 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
Таблица 2. Потребляемая мощность цифровых изоляторов TI, AD и Avago Technologies
Наименование Производитель Технология изоляции Напряжения питания Vcc1 и Vcc2 (B) Icc1 (мА) Icc2 (мА) Потребляемая мощность (мВт)
ISO721 Texas Емкостная 5 1 11 60
Instruments 3,3 0,5 6 21,5
ADuM1100 Analog Индуктивная 5 0,8 0,006 4,3
Devices 3,3 0,3 0,04 1,2
HCPL-0900 Индуктивная 5 0,018 6 30
Avago 3,3 0,01 4 13,2
HCPL-0721 Technologies Оптическая Только 5 В 10* 9 95
HCPL-0723 Оптическая Только 5 В 10* 17,5** 137,5
* 10 мА при логическом «0» на входе. При логической «1» на входе ток потребления уменьшается до 3 мА ** 17,5 мА при логическом «0» на входе. При логической «1» на входе ток потребления уменьшается до 16,5 мА
Таблица 3. Параметры надежности различных типов цифровых изоляторов
Температура Доверител ный интервал 60% Доверител ный интервал 90%
вание Производитель изоляции окружающей среды MTTF* (часы/отказ) Количество отказов за 109 часов MTTF (часы/отказ) Количество отказов за 109 часов
ISO721 Texas Instruments Емкостная 125 °С 1 246 SS9 802 504 408 1983
HCPL-0900 Avago Индуктивная 2SS 118 3471 114654 8722
HCPL-0721 Оптическая 174617 5727 69 487 14 391
Таблица 5. Расчетное значение времени до пробоя
диэлектрика
Напряжение вход/выход, В Время до пробоя диэлектрика (TDDP), лет
200 85
400 46
560 28
700 18
800 13
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 ^стм). 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 диэле-
ктрика. 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
Таблица 4. Допустимые напряжения изоляции
Наименование Производитель Технология изоляции Напряжение изоляции (Vrms) по стандарту UL1577 Напряжение изоляции Viorm ^пиковое) по стандарту IEC60747-5-2
ISO721 Texas Instruments Емкостная 2500 560
ADuM1100 Analog Devices Индуктивная 2500 560
HCPL-0900 Avago Technologies Индуктивная 2500 Нет данных
HCPL-0721 HCPL-0723 Оптическая 3750 560
Напряжение между входом и выходом, В (RMS) Примечание: ЗЕ+8 секунд =10 лет
Рис. 7. Зависимость времени жизни изолятора от напряжения между входом и выходом
100Е+6
100Е+0
гм
2
\
Ш 100Е-6
100Е-12
100Е-18
0,001 0,01 0,1 1 10 100 МГц
Рис. 8. Устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей емкостных и индуктивных изоляторов
Таблица 6. Семейство цифровых емкостных изоляторов производства Texas Instruments (по состоянию на октябрь 2007 года)
Наименование Кол-во каналов Напряжение изоляции(VRMS) Конфигурация каналов (прямо/обратно) Напряжение питания(В) Макс. скорость передачи данных (Mbps) Входной фильтр Задержка (макс) (нс) Входной гистерезис pin-to-pin совместимость Корпус
ISO150 1500 Программ. 80 нет 40 TTL SOP-12
ISO721 2500 1/0 3,3/5 100 есть 24 TTL ADuM1100 SOIC-8
ISO721M 2500 1/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1100 SOIC-8
ISO722 2500 1/0 3,3/5 100 есть 24 TTL ADuM1100 SOIC-8
ISO7220A 2 2500 2/0 3,3/5 1 есть 475 TTL ADuM1200 SOIC-8
ISOH20C 2 2500 2/0 3,3/5 25 есть 42 TTL ADuM1200 SOIC-8
ISOH20M 2 2500 2/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1200 SOIC-8
ISO7221A 2 2500 1/1 3,3/5 1 есть 475 TTL ADuM1201 SOIC-8
ISO7221C 2 2500 1/1 3,3/5 25 есть 42 TTL ADuM1201 SOIC-8
ISO7221M 2 2500 1/1 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1201 SOIC-8
ISO722M 1 2500 1/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1100 SOIC-8
ISOH30A 3 2500 3/0 3,3/5 1 есть 70 TTL ADuM1300 SOIC-16
ISOH30C 3 2500 3/0 3,3/5 25 есть 30 TTL ADuM1300 SOIC-16
ISOH30M 3 2500 3/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1300 SOIC-16
ISOH40A 4 2500 4/0 3,3/5 1 есть 70 TTL ADuM1400 SOIC-16
ISOH40C 4 2500 4/0 3,3/5 25 есть 30 TTL ADuM1400 SOIC-16
ISOH40CF 4 2500 4/0 3,3/5 25 есть 46 TTL ADuM1400 SOIC-16
ISOH40M 4 2500 4/0 3,3/5 150 нет 16 CMOS ADuM1400 SOIC-16
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).
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
* 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 кило ампер, а также линии грозозащит высотных сооружений, переносящих ток молнии.
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 суще-
ствующие 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
1. www.avagotech.com
2. www.analog.com
3. www.ti.com
