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.
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 I2C.
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.
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.