CC BY
85Компоненты и технологии, № 7'2003 Компоненты
Высокоскоростные цифровые изоляторы фирмы Analog Devices -
достойная альтернатива оптопарам
Фирма Analog Devices расширила семейство высокоскоростных цифровых изоляторов на основе запатентованной технологии iCoupler ADuMlxxx, выпустив 3-канальные ADuM130x и 4-канальные ADuM140x устройства. Данная статья рассматривает основные параметры и особенности применения цифровых изоляторов в сравнении с другими устройствами с гальванической развязкой ведущих фирм.
Олег Романов
oleg.rom@eltech.spb.ru
Фирма Analog Devices, известная своими высокопроизводительными микросхемами в области обработки сигналов, дополнила семейство многоканальных цифровых изоляторов iCoupler. Эти трех- и четырехканальные устройства избавляют от применения многочисленных дополнительных компонентов, позволяя уменьшить на 60% размеры изделия, на 40% стоимость и вплоть до 98% потребление мощности при сравнении с существующими решениями на оптопарах. Изоляторы iCoupler работают в диапазоне температур -40 ... +100 °С (-40 ... +125 °С ADuM1100UR) и предназначены для промышленных приложений, включающих передачу данных с возможностью одновременного преобразования уровней передаваемых сигналов.
Принцип действия и технические характеристики
Одноканальный iCoupler состоит из двух КМОП-кристаллов в одном корпусе. Входной ци-
Рис. 1. Структурная схема работы одноканального цифрового изолятора
фровой сигнал через формирователь-кодер подается на передающую высокодобротную катушку, расположенную сверху над приемной катушкой. Кроме катушки, приемник данных содержит декодер-формирователь выходной последовательности данных. Запатентованный алгоритм кодирования-декодирования сигналов гарантирует, что выходной сигнал с высокой точностью повторит входной сигнал без ограничения частоты сигнала в низкочастотной области, вплоть до постоянной составляющей. Вся система кодирования, передачи и восстановления сигналов обеспечивает электрическую прочность изоляции 2500 В АС. Кроме того, так как электромагнитная энергия полностью ограничивается областью двух катушек трансформатора, несколько каналов Юоиркг могут быть объединены в одном корпусе без интермодуляционных помех.
В отличие от большинства оптопар, не требует дополнительных компонентов, кроме обычного фильтрующего конденсатора на шине питания. Изолятор имеет независимое питание передающей и приемной частей, тем самым позволяя преобразовывать, при необходимости, уровни сигналов, подавая на одну часть микросхемы, например, питание 3,3 В, а на другую 5 В. Юоир1ег не использует неэффективное электро-оптическое преобразование и поэтому его потребляемая мощьность составляет 10...20% мощности оптопары. Кроме того, он обеспечивает значительно большую скорость передачи данных в температурном диапазоне -40 ... + 125 °С. Многоканальные изоляторы, в отличие от оптопар, имеют варианты исполнения с прямым и обратным направлением связи каналов, и перекрывают все возможные конфигурации направлений связи (см. табл. 2).
Цифровой изолятор Л0иМ1100 использовался в изделиях РИОИВШ фирмы Siemens и получил высокую оценку специалистов фирмы. Спроектированные как полностью совместимые по выводам с
Компоненты и технологии, № 7'2003
Таблица 1. Сравнительные характеристики устройств передачи сигналов с гальванической развязкой разных технологий и производителей
Параметр Analog Devices ADuM1100 Agilent HCPL-0723 Agilent HCPL-0721 Agilent HCPL-0710 Agilent HCPL-0611 Agilent NVE HCPL-0900 IL710
iCoupler Optocoupler Optocoupler Optocoupler Optocoupler GMR Isolators
Макс. скорость передачи, Мбит/с (мин.) 25/100 50 25 12,5 Нет в тех. описании 100
Ток потребления при 10 Мбит/с, мА (макс.) 2 25 19 24 13 7
Напряжение питания, В 3...5,5 4,5...5,5 4,5...5,5 4,5...5,5 4,5...5,5 3.5,5
Задержка передачи сигнала, нс (макс.) 1B 22 40 40 100 15
Искажение длительности импульса, нс (макс.) 2 2 6 B 35 3
Неравномерность в задержке передачи, нс (макс.) б 16 20 20 40 6
Импульсная помеха, кВ/мкс (мин.) 25 10 10 10 10 15/20
Защита входа-выхода от кратковременного перенапряжения, В (действ. знач.) 2500 2500 2500 2500 2500 2500
Передача постоянной составляющей + + + + + -
Температурный диапазон, °С -40...+100/+125 -40...+B5 -40...+B5 -40...+B5 -40...+B5 -40...+100
Таблица 2. Технические характеристики цифровых изоляторов iCoupler
Модель Конфигурация каналов Класс изоляции, кВ Макс. скорость передачи, Мбит/с Макс. задержка передачи сигнала, нс Макс. искажение длительности импульса, нс Темпер. диапазон, °С Корпус Цена, $ (с НДС) <100 >100
1 канальные
ADuM1100AR 1/0 2,5 25 1B 2 -40...+100 SOICB 3,49 3,20
ADuM1100BR 1/0 2,5 100 1B 2 -40...+100 SOICB 3,92 3,60
ADuM1100UR 1/0 2,5 100 1B 2 -40...+125 SOICB 6,44 5,37
3 канальные
ADuM1300ARW 3/0 2,5 1 100 40 -40...+100 wSOIC16 4,44 4,04
ADuM1300BRW 3/0 2,5 10 50 3 -40...+100 wSOIC16 5,94 5,50
ADuM1300CRW 3/0 2,5 100 32 2 -40...+100 wSOIC16 7,99 7,50
ADuM1301ARW 2/1 2,5 1 100 40 -40...+100 wSOIC16 4,44 4,04
ADuM1301BRW 2/1 2,5 10 50 3 -40...+100 wSOIC16 5,94 5,50
ADuM1301CRW 2/1 2,5 100 32 2 -40...+100 wSOIC16 7,99 7,50
4 канальные
ADuM1400ARW 4/0 2,5 1 100 40 -40...+100 wSOIC16 5,93 5,50
ADuM1400BRW 4/0 2,5 10 50 3 -40...+100 wSOIC16 7,97 7,50
ADuM1400CRW 4/0 2,5 100 32 2 -40...+100 wSOIC16 B,96 4,4B
ADuM1401ARW 3/1 2,5 1 100 40 -40...+100 wSOIC16 5,93 5,50
ADuM1401BRW 3/1 2,5 10 50 3 -40...+100 wSOIC16 7,97 7,50
ADuM1401CRW 3/1 2,5 100 32 2 -40...+100 wSOIC16 B,96 4,4B
ADuM1402ARW 2/2 2,5 1 100 40 -40...+100 wSOIC16 5,93 5,50
ADuM1402BRW 2/2 2,5 10 50 3 -40...+100 wSOIC16 7,97 7,50
ADuM1402CRW 2/2 2,5 100 32 2 -40...+100 wSOIC16 B,96 4,4B
кающие в разработках с оптопарами. Примером могут служить рис. 2 и 3 реализации SPI-интерфейса между АЦП и микроконтроллером.
На схемах, представленных на рис. 2 и 3, показаны реализации 4-проводного интерфейса с оптопарами и 4-проводного интерфейса с ^оир1ег. Первое, что бросается в глаза, — меньшее число внешних компонентов в реализации схемы с цифровым изолятором. Требуется всего два развязывающих конденсатора на шину питания в противовес схеме с реализацией на оптопарах, где количество внешних компонентов, в общей сложности, достигает пятнадцати. 4-провод-ной интерфейс при реализации на оптопарах требует одну 2-канальную и две одноканальных оптопары. Это три микросхемы в противовес одной микросхеме ^оир1ег.
Использованные в этом примере оптопары доступны в 8-выводных корпусах SOIC, скорость передачи 10 Мбит/с, 6Ш37 — 1-канальные и ИСРЬ-0630 — 2-канальная. ЛБиМ1401ВК^ в 16-выводном корпусе «широкий SOIC» обеспечивает четыре канала с необходимыми направлениями передачи сигналов. Дополнительные компоненты использовались в исполнении для поверхностного монтажа 0603 для конденсаторов, 0805 для резисторов и диоды в корпусах SOT-23. Сравнительные характеристики двух решений, на оптопарах и ЛЭиМ1401ВК^, приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, кроме уменьшения стоимости, размеров печатной платы, потребляемой мощности, уменьшается и разогрев окружающих компонентов. При использовании оптопар требуется использовать источник питания большей мощности, это ведет к дополнительному тепловому излучению. Тепловое излучение оптопар и источника питания вызывает изменения параметров окружающих компонентов, что делает невозможным реализацию прецизионных схем.
Примечания:
1. Конфигурация каналов указывает направление каналов. Например, 2/1 указывает, что 2 канала передают сигнал в одном направлении и 1 канал во встречном направлении.
2. Цены ООО «ЭЛТЕХ» — официального дистрибьютора Analog Devices Incorporation.
существующими оптопарами, изделия iCoupler легко встраиваются в текущие разработки. Кроме того, преимущества интеграции этой новой технологии дают возможность уменьшить размер, стоимость и потребляемую мощность новых изделий PROFIBUS.
Сравнительные характеристики ADuMll00, оптопар фирмы Agilent Technologies и цифрового изолятора фирмы NVE Corporation приведены в таблице 1.
Применение цифровых изоляторов серии ADuM
3-канальные ADuMl30x и 4-канальные цифровые изоляторы ADuMl40x устраняют многочисленные трудности, обычно возни---------------------www.finestreet.ru-
Компоненты и технологии, № 7'2003
0,1 mF
88HC11
SCK
MOSI
MISO
+PS1
Vddi
ADC
CS
SCLK DINDOUT
0,1 mF 1
VOD
FncodeI-encodeH
<)—^>-(ІКІСОРЕ|-DECODE H
VDD2 Vf2
H DECODE h >-Q—------------
H DECODE I- >-Q
GND1
S7
ADuMUOl
GND2
4Vob
4VoC
VlD
ISOLATION
BARRIER
CS ADC SCLK
DIN
CS IN
CHIP
SELECT
DECODER
CS OTHER
Рис. 3. Интерфейс с изолятором ADuM1401
Таблица 3. Сравнительные характеристики реализации 4-проводного интерфейса на оптопарах и iCoupler
Реализация на оптопарах Реализация на ADuM1401BRW
Требуемая площадь 1B компонентов, 425 мм2 3 компонента, 160 мм2
Потребляемая мощность 340 мВт 25 мВт
Повышение температуры 10.15 °С 2 °С
Стоимость внешних компонентов $0,21 $0,03
Стоимость ADuM1401BRW $3
Стоимость НСР1-0630 $2
Стоимость 6Ы137, 2 шт. $2
Стоимость конструирования платы $0,54 $0,12
Общая стоимость $4,75 $3,15
Примечание. Цены FOB в долларах США.
Low-Resistance Coil Insulation
Low-Resistance Coil Insulation
CMOS Top Metal Coil"
Drive Die Receiver Die
Analog Devices/Coupler Technology
Рис. 4. Структурная схема технологий iCoupler и IsoLoop
Underlying GMR Structure Drive Die Receiver Die
NVE IsoLoop Technology
Результаты сравнительных испытаний ADuM1100 и IL710/HCPL-0900 (IL716/HCPL-901J)
Другим конкурентом технологии iCoupler фирмы Analog Devices является технология IsoLoop компании NVE Corporation, основанная на магниторезистивном эффекте (GMR). Технологию IsoLoop применяет также Agilent Technologies. Данная технология превосходит технологию электро-оптичес-кого преобразования, поэтому будем сравни-
Таблица 4. Сравнение технологий iCoupler и IsoLoop
вать изделия, выполненные по этой технологии с iCoupler. Две эти технологии основываются на передачи магнитного поля через изолирующий барьер (рис. 4), но из-за особенностей технологии IsoLoop изоляторы имеют проблемы при передаче сигналов в моменты подачи питания, в условиях импульсных помех и при передаче медленно изменяющихся сигналов (см. табл. 4 и 5).
Были произведены сравнительные испытания ADuM1100 (ADI), IL710 (NVE) (HCPL-0900 (Agilent)) и IL716 (NVE) (HCPL-901J
iCoupler IsoLoop
Передача цифровых данных. Сигналы стандартных цифровых уровней. Передача цифровых данных. Сигналы стандартных цифровых уровней.
Благодаря формирователю-кодеру корректная передача входных сигналов в отсутствии логических переходов, то есть возможность передачи постоянной составляющей. Нет возможности передать постоянную составляющую сигнала.
Корректный старт устройства при подаче питания через 1 мкс. Возможны ложные срабатывания при наличии импульсных помех.
Входной фильтр предотвращает ложные срабатывания из-за входного шума.
Правильное, устойчивое к помехам, выходное состояние при малой входной мощности благодаря формирователю-кодеру. -
Нечувствительность к постоянным внешним магнитным полям. Чувствительность к постоянным внешним магнитным полям.
(Agilent)). В результате испытаний были выявлены случаи некорректной работы микросхем Agilent/NVE. Некорректность работы заключалась в передаче на выходной вывод IsoLoop изолятора сигнала с отличным от входного сигнала логическим уровнем или многократными переходами выходного сигнала с одного логического уровня на другой. Изолятор IsoLoop переходил в так называемый генераторный режим с «дребезгом» на выходе. Эти ситуации происходили при включении питания, наличии входного импульсного шума или большой длительности фронтов импульсов. Далее рассматривается в основном одноканальный вариант IsoLoop (IL710), но аналогичные проблемы наблюдались и в четырехканальном IL716. Влияние любого из выявленных недостатков сильно зависит от конкретного технического решения и должно оцениваться разработчиком. За исключением проблем при включении питания, остальные случаи не подтверждаются NVE/Agilent в технических описаниях (data sheets) на ИМС.
Главное различие между iCoupler и IsoLoop — возможность правильной передачи не изменяющегося логического уровня сигнала. Это имеет отношение к способности изолятора выдавать на выходе сигнал с правильным логическим уровнем, когда на вход постоянно подается сигнал одного логического уровня. iCoupler включает цепь формирователь-кодер, которая гарантирует правильное выходное состояние при отсутствии изменяющегося входного сигнала. IsoLoop не имеет аналогичного узла формирования входного сигнала и, следовательно, не может правильно выставить выходной уровень сигнала в зависимости от входного уровня в этом случае.
Действительно, технические описания Agilent/NVE указывают, что изоляторы IsoLoop имеют данный недостаток: «неоднозначное выходное состояние при включении, выключении и падении напряжения питания». При проверке на образцы ADI ADuM1100 и NVE IL710 (Agilent HCPL-0900) при включении питания на входной вывод подавался низкий уровень входного сигнала (рис. 5). В этом эксперименте на выходные каскады изоляторов питание было подано заранее (VDD2 = 5 В), осциллограммы при-
Таблица 5. Основные параметры ADuM1100
(iCoupler) и IL710/HCPL-0900 (IsoLoop)
Параметры ADI ADuM1100 Agilent NVE HCPL-0900 IL710
Макс. скорость передачи, Мбит/с (мин.) 100 100
Ток потребления при ожидании, мА (макс.) 0,9 6
Ток потребления при 25 Мбит/с, мА (макс.) 4,5 10
Ток потребления при 100 Мбит/с, мА (макс.) 17 26
Импульсная помеха, кВ/мкс (мин.) 25 20
Задержка передачи сигнала, нс (макс.) 1B 15
Искажение длительности импульса, нс (макс.) 2 3
Компоненты и технологии, № 7'2003
ADI ADuM 1100
NVE IL710
Vddi INPUT LOW 4
OUTPUT
Ch2 2,00 VQ M1,00|I1 h4 f Ch3 2,00 VQ
Ch2 2,00 VQ M500ns Ch4 \
Ch3 2,00 VQ
2,444
Рис. 5. Состояния выводов при включении питания ADuM1100 и IL710
ADI ADuM 1100
NVEIL710
ВН 2,00 VQ
Ch2 2,00 VQ М 12,5ns С f 1,04 V
EH 2,00 VQ
Ch2 2,00 VQ M 12,5ns Ch2 / 1,04 V
Рис. 6. Состояния выводов ADuM1100 и 11.716 при воздействии импульсной помехи ~8 нс
ADI ADuM 1100
NVE IL710
НЛП 2,00 VQ
Ch2 2,00 VQ M 12,5ns Ch2 Г 1,04 V
ВЯ 2,00 VQ
Ch2 2,00 VQ M 12,5ns Ch2 S 1,04 V
Рис. 7. Состояния выводов ADuM1100 и 11.716 при воздействии импульсной помехи ~2,7 нс
ADI ADuM 1100
NVEIL710
N. *4 INPUT
. . . .
^ Ch2 2,00 Vfi M 50,0ns Ch2 f 1,40 V ЭН 2,00 УП
Рис. 8. Состояния выводов ADuM1100 и И716 при длительности фронта входного импульса 100 нс
ведены для момента подачи питания на входные части микросхем УОБ1. До подачи питания на входной каскад изоляторов выходы обоих изоляторов были в состоянии логической 1. По мере того как нарастало питание, выход ЛБиМ1100 принял правильное состояние логического 0, при этом выход 1Ь710 оставался в неправильном выходном состоянии, несмотря на присутствие напряжения питания на входной части микросхемы.
ADI ADuM 1100
Рис. 9. Состояния выводов ADuM1100 и 11.716 при длительности фронта входного импульса 500 нс
Рис. 5 иллюстрирует проведение испытаний iCoupler и IsoLoop при подаче питания.
Второй эксперимент заключался в подаче на вход импульсного шумового сигнала. Как для iCoupler, так и для IsoLoop по техническим описаниям определена минимальная длительность импульса 10 нс. Длительности шумовых импульсов были взяты меньше, чем требуемая по техническим параметрам ширина импульсов, чтобы определить, как
поведут себя два типа изоляторов. Оба изолятора имеют область некорректной работы, находящейся на границе их полосы пропускания. Благодаря входным цепям (формирователю-кодеру), ADuM1100 исправляет ошибочное выходное состояние на корректное, IL710 (HCPL-0900) не имеет таких функциональных узлов, поэтому остается в некорректном состоянии (рис. 6).
Дополнительный эксперимент был проведен с 4-канальной версией IsoLoop IL716 (HCPL-901J). Ниже приведены осциллограммы сравнения выходных сигналов ADuM1100 и IL716, подвергшихся шумовому воздействию импульсами длительностью около 2,7 нс. В этом случае ADuM1100 не реагирует на помеху и сохраняет правильное выходное значение сигнала. IL716 среагировал на импульс шума и перешел в неустойчивое положение и оставался в нем, пока на вход не был подан сигнал другого логического уровня, с требуемой длительностью более 10 нс (рис. 7).
Следующая область, в которой у IsoLoop-изоляторов наблюдались трудности, была связана с медленным нарастанием фронта импульса. iCoupler корректно работает с длительностями фронтов импульсов до 1 мс, как указано в техническом описании. Техническое описание на IsoLoop указывает на длительность до 1 мкс. Эксперименты, произведенные с IL716 (HCPL-901J), показали, что даже с длительностями фронтов менее 1 мкс IL716 (HCPL-901J) работал некорректно: импульсы на выходе, неправильное значение выходного сигнала, генерация на выходе. Это свидетельствует о слабой помехозащищенности входа. Ниже приведены осциллограммы сравнения ADuM1100 и IL716 с длительностями фронтов импульса 100 и 500 нс. (рис. 8 и 9).
И последнее: оказалось, что изоляторы IsoLoop имеют большие переходные процессы на выходе. Ниже приведены осцилло-
Компоненты и технологии, № 7'2003
ADI ADuM 1100
NVE IL710
___ Ch2 2,00 V M12,5m Ch2 / 1,24 V
SH 2,00V
Рис. 10. Входной и выходной сигналы на ADuM1100 и IL716
КЗ 2,00 V
СН2 2,00 V М 12,ini 02 S 1,24 V
Таблица 6. Сравнение работы цифровых изоляторов iCoupler и IsoLoop в различных режимах работы
Ситуации iCoupler (Analog Devices) IsoLoop (NVE и Agilent)
Включение питания Выходой сигнал всегда совпадает с входым после установления питания Выход не всегда совпадает с входом после установления питания
Восприимчивость к входному шуму После прохождения импульсной помехи выходной сигнал всегда совпадает с входным После прохождения импульсной помехи выход может установиться в противоположное состояние от логического уровня входа или перейти в генераторное состояние
Медленно нарастающий фронт импульса Выход всегда переходит в корректное состояние, при длительности фронта входного сигнала, указанной в техническом описании (1 мс) Выход может установиться в противоположное состояние от логического уровня входа или перейти в генераторное состояние
Переходные процессы на выходе Размах выходного сигнала менее 200 мВ Размах выходного сигнала ~1,8 В, с 2-3 периодами колебаний
граммы сравнения выходных характеристик ЛБиМ1100 и 1Ь710 (НСРЬ-0900). Чрезмерные по уровню затухающие колебания на выходе 1Ь710 имеют величину, превышающую установленные требования к электромагнитной совместимости (рис. 10).
Заключение
Как технология iCoupler, так и IsoLoop предлагают лучшие решения по сравнению с технологией оптопар, однако есть важные различия в их параметрах работы.
Идеальный цифровой изолятор обеспечивает определенный, правильный выходной сигнал не только при благоприятных условиях, описанных в спецификации, но также и в реальных условиях, которые включают момент подачи питания, входной шум и большой диапазон скоростей передачи сигналов. Разработчику будет полезно рассмотреть влияние различных факторов на работу микросхем при выборе метода гальванической развязки. Таким образом, цифровые изоляторы iCoupler Analog Devices значительно лучше подходят для работы в условиях воздействий различных дестабилизирующих факторов, чем оптопары и цифровые изоляторы NVE и Agilent Technologies.
Все эксперименты выполнялись инженерами Analog Devices при соблюдении требований документации на рассматриваемые в данной статье микросхемы. Использовались ИМС: Analog Devices ADuM1100BR (datacode 0251), NVE IL710 (datacode 024116) и NVE IL716 (datacode 025127). ИИ
Литература
1. Analog Devices, Data Sheets: ADuM1100 (Rev. D, 2003), ADuM 1300/1301 (Rev. PrL, May 9, 2003), ADuM1400/1401/1402 (Rev. PrL, May 9, 2003).
2. NVE, Data Sheets: IL710, IL716.
