Цифровая изоляция Analog Devices: технологии, компоненты и применения

31 мая

телекоммуникацииавтоматизацияответственные примененияуниверсальное применениеAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыRS-485LVDSизоляцияUSBCAN

Александр Русу (г. Одесса)

Analog Devices предлагает лучшую в своем классе запатентованную технологию цифровой изоляции данных iCoupler, мощные изолированные преобразователи напряжения, протоколы связи, от RS-485 (ADM2795E), USB (ADuM4160) и CAN (ADM3050E) до гигабитного LVDS (ADN4654), изолированные драйверы для IGBT и SiC (ADuM4122), переключатели и изолированные сигма-дельта-АЦП, модуляторы и усилители. Решения Analog Devices в области цифровой изоляции гарантируют безопасность и целостность данных.

Вставка в электрическую цепь участка с большим сопротивлением, называемого изолятором, является самым эффективным способом уменьшения величины нежелательных токов. Потребность в качественной изоляции возникла сразу же после открытия электричества, и с момента появления электрического, а затем и электронного оборудования инженерам постоянно приходится создавать изоляторы, отличающиеся друг от друга как по своему устройству, так и по функциональному назначению.

В этой статье речь пойдет о цифровых изоляторах iCoupler, выпускаемых компанией Analog Devices, с помощью которых можно быстро и качественно передать информацию без использования электрических соединений. Подобные микросхемы необходимы, например, в случае, когда приемник и передатчик сигнала находятся под разными потенциалами, и их непосредственное соединение приведет к появлению тока, нарушающего работоспособность оборудования. Изоляция позволяет улучшить характеристики практически всех проводных коммуникационных интерфейсов, кабели которых являются прекрасными приемниками электромагнитных помех и хорошими местами для разрядов молний. Также изоляция необходима для защиты человека от поражения электрическим током при использовании оборудования, работающего от сети. В связи с этим потребность в специализированных изоляторах, вызванная массовым использованием цифровых устройств, в том числе интеллектуальных автоматизированных систем и роботизированного оборудования, увеличивается с каждым годом, стимулируя производство новых моделей микросхем с самыми разными техническими характеристиками.

Основные этапы развития технологий цифровой изоляции

Основанная в 1965 году компания Analog Devices выпустила первые микросхемы с интегрированной изоляцией в начале 2000-х годов (рисунок 1). На протяжении первых десяти лет компания осваивала новые для себя направления, расширяя спектр предлагаемых решений, от обычных цифровых изоляторов до микросхем для прецизионных аналого-цифровых преобразований. Именно в этот период закладываются основные концепции технологий iCoupler и isoPower, впоследствии ставших основой для всех последующих моделей изоляторов. В это же время происходит расширение списка продукции – создаются микросхемы для интерфейсов SPI, RS-232, RS-485, I2C, USB, в том числе и с интегрированными преобразователями напряжения. Параллельно проводятся исследования, направленные на повышение электрической прочности используемой изоляции, которая к концу 2000-х годов достигла уровня 5 кВ.

Высокая надежность и хорошие технические характеристики в комплексе с продуманной технологией производства постепенно завоевали доверие производителей электронного оборудования, что обоснованно привело к росту продаж. К концу этого десятилетия общее количество изолированных каналов, произведенных Analog Devices, превысило полмиллиарда, что еще больше укрепило уверенность руководства компании в правильности выбранных направлений.

В начале 2010-х, отвечая на резкое увеличение общего количества обрабатываемой информации, ставшее причиной стабильной потребности в высокоскоростных информационных системах, компания Analog Devices осваивает производство продуктов следующего поколения. В 2011 г. выходит на рынок новое семейство изолированных CAN-интерфейсов ADM305x, в 2014-м – семейства изоляторов с ультрамалым потреблением ADuM124x и ADuM144x, а 2015 год ознаменовался выходом на рынок четырехканальных версий ставших уже популярными изоляторов семейства ADuM14x повышенной надежности. В 2016 г. появились первые высокоскоростные LVDS-изоляторы ADN4651, позволившие передавать данные со скоростью до 600 Мбит/с. Параллельно с этим происходит расширение и других линеек, в том числе драйверов затвора полевых транзисторов, аналоговых устройств, изолированных ключей и прочих решений, требующих применения высококачественной электрической изоляции.

Рис. 1. Основные этапы развития технологий цифровой изоляции Analog Devices

Рис. 1. Основные этапы развития технологий цифровой изоляции Analog Devices

Дальнейшее развитие цифровых изоляторов, в соответствии с основными направлениями развития электронной техники и ужесточением существующих стандартов, уже было направлено на повышение помехозащищенности, стойкости к электростатическим разрядам и снижение уровня излучаемых помех. При этом основные характеристики – электрическая прочность изоляции и скорость передачи данных — так и остаются на прежнем высоком уровне.

На сегодняшний день в ассортименте продукции компании Analog Devices присутствует практически весь перечень типов приборов, в которых может потребоваться изоляция. Причем все эти годы Analog Devices не просто создавал цифровые изоляторы, а во многих случаях являлся первопроходцем в освоении новых технологий, постоянно экспериментируя с разными материалами и методами производства. Все это не могло не отразиться на уровне доверия клиентов компании, для которых бренд Analog Devices в области цифровой изоляции уже давно стал символом. Более чем 3,3 миллиарда произведенных изолированных каналов для передачи самой разной информации являются более чем хорошим подтверждением высокого уровня профессионализма этой компании.

Особенности цифровых изоляторов iCoupler

Основной функцией любого изолятора является максимально возможная блокировка протекания тока между изолированными сторонами. Однако в отличие от, например, фарфорового изолятора ЛЭП, цифровой изолятор при этом должен еще и передавать информацию, содержащуюся в электрических сигналах. Таким образом, цифровой изолятор должен обеспечивать две взаимоисключающие функции: беспрепятственно пропускать электрический ток информационных сигналов и одновременно препятствовать любому его протеканию. Очевидно, что это физически невозможно, поэтому информация между изолированными сторонами должна передаваться каким угодно способом, но только не с помощью электрического тока.

Быстрее всего передать информацию можно через электромагнитное поле, не требующее для распространения энергии электрических соединений. Наивысший уровень электрической защиты и наилучшую помехозащищенность могут иметь оптические средства связи, из-за чего в информационных системах уже давно используются волоконно-оптические кабели. Однако из-за несовершенства существующих оптоэлектронных приборов при прямом и обратном преобразовании электрического сигнала в свет возникают потери, становящиеся особо ощутимыми при передаче информации на микроскопические расстояния, где поглощение излучения в линии связи практически отсутствует. Кроме этого, характеристики оптоэлектронных приборов очень сильно зависят от температуры и со временем ухудшаются из-за естественных процессов деградации полупроводниковых кристаллов.

Передача информации только через электрическое поле – с помощью конденсаторов – приводит к увеличению площади вероятного электрического контакта и, соответственно, применения более дорогих изоляционных материалов. Кроме того, увеличение проходной емкости между изолированными сторонами отрицательно сказывается на уровне помехозащищенности системы, особенно для синфазных помех (Common-Mode Transient Immunity, CMTI), поскольку мощный импульс с крутыми фронтами может пройти через паразитную емкость изоляционного барьера и привести к ошибкам во время передачи данных.

Из-за этих недостатков компания Analog Devices при выборе метода передачи информации остановилась на использовании миниатюрных трансформаторов, связывающих изолированные стороны через магнитное поле (рисунок 2). Изолирующий трансформатор iCoupler формируется следующим образом: вначале на одном из кристаллов микросхемы в слое внешней металлизации создается нижняя обмотка трансформатора. После этого на место будущего изолятора наносится полиимидная (Polyimide) пленка, на верхней стороне которой затем формируется обмотка из золота.

Рис. 2. Изолирующий элемент iCoupler

Рис. 2. Изолирующий элемент iCoupler

Использование трансформаторов имеет ряд преимуществ, по сравнению с емкостными или оптическими изоляторами. Трансформаторы имеют достаточно высокий КПД, поэтому через магнитное поле можно эффективно передавать не только информацию, но и энергию, необходимую для работы узлов на изолированной стороне. Это позволяет на основе одной и той же технологии создавать комплексные решения с высокой степенью интеграции, содержащие в одном корпусе и модули для передачи информации, и узлы, обеспечивающие их энергией. Трансформаторные изоляторы не так критичны к расстояниям между изолированными сторонами, как их конденсаторные аналоги. В связи с этим в изолирующих элементах iCoupler можно достаточно просто увеличить расстояние между обмотками, например, с помощью пленки большей толщины, тем самым увеличив пробивное напряжения изолятора. Кроме этого, из-за малых размеров и малого активного сопротивления условия для возникновения помехи в обмотках трансформаторов намного сложнее, чем при использовании конденсаторов. Поэтому системы на основе iCoupler имеют больший уровень помехозащищенности, по сравнению с микросхемами на основе емкостных разделителей (рисунок 3).

Рис. 3. Результаты тестирования устойчивости цифровых изоляторов к воздействию электромагнитной помехи, создаваемой рацией (450 МГц, 100 дБ/мкВ)

Рис. 3. Результаты тестирования устойчивости цифровых изоляторов к воздействию электромагнитной помехи, создаваемой рацией (450 МГц, 100 дБ/мкВ)

Качество изолятора во многом зависит от материалов, используемых при его изготовлении. В цифровых изоляторах для создания изоляционного слоя чаще всего используют стекло (диоксид кремния SiO2). Однако стекло является достаточно хрупким материалом, способным разрушиться под воздействием импульсов высокого напряжения. К тому же электрическая прочность стекла очень сильно зависит от его химического состава и температуры. В отличие от стекла, полиимидные пленки устойчивы к термическим колебаниям и не теряют своих свойств при резком увеличении напряжения. Например, 20-микронная полиимидная пленка способна работать в электрическом поле, создаваемом источником переменного напряжения с действующим значением 400 В, на протяжении 50 лет без заметного ухудшения изолирующих свойств и кратковременно выдерживать импульсное напряжение до 10 кВ, что соответствует требованиям к усиленной изоляции. Кроме того, полиимидная пленка является химически пассивным соединением и более устойчива к вибрации и механическим нагрузкам, чем стекло.

На сегодняшний день существуют два поколения изоляторов iCoupler (рисунок 4). Особенностью второго поколения является большая толщина полиимидной пленки, а также наличие защитного покрытия золотых проводников верхней обмотки пленкой нитрида кремния. Это позволило уменьшить частоту отказов с 1% в течение 50 лет до 1 отказа на миллион приборов (1 PPM) в течение 30 лет при одновременном увеличении среднеквадратического значения рабочего напряжения с 600 до 1060 В, а импульсного – с 848 до 1500 В. Применение новых технологий позволило также увеличить стойкость к воздействий импульсных помех с 16 до 20 кВ, а также увеличить устойчивость к кратковременным (в течение минуты) воздействиям переменного напряжения с 5,7 до 7,5 кВ (среднее квадратическое значение, СКЗ).

Рис. 4. Поколения цифровых изоляторов iCoupler

Рис. 4. Поколения цифровых изоляторов iCoupler

Особенностью трансформаторов является возможность работы только в переменных магнитных полях, причем, учитывая очень малую индуктивность обмоток, обусловленную их микроскопическими размерами и отсутствием магнитопровода, частота изменения магнитного поля изолятора может быть значительно выше частоты информационных сигналов. Поэтому для передачи информации через подобный трансформатор необходимы дополнительные специализированные узлы — модуляторы и демодуляторы, позволяющие пройти информационному сигналу через изолирующий барьер (рисунок 5).

Рис. 5. Структурная схема канала передачи информации iCoupler при использовании однополярной импульсной модуляции

Рис. 5. Структурная схема канала передачи информации iCoupler при использовании однополярной импульсной модуляции

Для передачи данных в компонентах Analog Devices используются три вида модуляции (таблица 1), каждый из которых наилучшим образом подходит для приложений определенного типа. Если необходимо передавать небольшой объем информации, но с малыми затратами энергии, то есть смысл приобретать микросхемы, в которых фронты информационного импульса кодируются одним или двумя однополярными импульсами. Такие системы просты в реализации и имеют наименьшее энергопотребление в статическом режиме – при отсутствии изменений сигнала на входе канала. К сожалению, на этом преимущества данного метода заканчиваются, поскольку использование однополярных сигналов негативно сказывается на уровне как помехозащищенности, так и излучаемых электромагнитных помех. Кроме этого, передача и восстановление сигнала при использовании этого метода требует значительного времени, поэтому подобные системы имеют наибольшее время распространения информации.

Таблица 1. Характеристики методов модуляции

Метод С помощью однополярных импульсов Ключевой (ON/OFF) С помощью двухполярных импульсов
Форма модулированного сигнала
Задержка распространения сигнала, нс 32 13 2,5
Статическое энергопотребление канала, мВт 2,3 6,9 62,5
Динамическое потребление канала, мВт/Мбит/с 0,7 0,09 0,05
Помехозащищенность (CMTI), кВ/мкс 100 150 100
Уровень электромагнитного излучения (EMI), дБ/мкВ +1 -6 -6

Если построить передатчик по мостовой схеме, тем самым создав условия для формирования двухполярных импульсов, то можно получить самую высокоскоростную систему передачи данных с наименьшей задержкой. При использовании этого метода модуляции передний край информационного импульса будет передаваться через изоляционный барьер с помощью узкого импульса, например, положительной полярности, а задний – с помощью такого же импульса, но противоположной полярности. Это позволяет ощутимо увеличить уровень помехозащищенности системы и уменьшить уровень собственного излучения. К сожалению, схема восстановления подобного сигнала обладает повышенным энергопотреблением, поэтому цифровые изоляторы с этим методом модуляции следует использовать в приложениях, где скорость передачи данных имеет большее значение, чем уровень энергопотребления.

Золотой серединой среди методов модуляции является ключевой метод (ON/OFF), являющийся разновидностью амплитудной манипуляции (Amplitude Shift Keying, ASK), широко использующейся в цифровых системах связи, например, при передаче телеграфных сообщений с помощью азбуки Морзе. При использовании этого метода один из уровней входного сигнала, чаще всего уровень логической единицы, кодируется переменным электрическим сигналом, а второй – его отсутствием. Увеличение количества энергии, используемой для передачи сигнала, а также возможность интеграции нескольких импульсов на приемной стороне значительно повышают уровень помехозащищенности такой системы, которая в 1,5 раза выше, чем при использовании других методов модуляции. Однако в полном соответствии с теорией связи, за высокую достоверность принятой информации приходится платить либо большим энергопотреблением, либо меньшей скоростью передачи данных. Кстати, в отличие от других методов модуляции, при использовании ключевого метода уровень энергопотребления будет зависеть от соотношения нулей и единиц в передаваемом сообщении, поэтому в некоторых приложениях величину тока, потребляемого цифровым изолятором, можно снизить простой инверсией передаваемых сигналов.

Таким образом, цифровой изолятор превращается в полноценную систему связи, содержащую модуляторы, демодуляторы и прочие узлы, характерные для подобных систем. Однако при этом возникает дополнительная проблема – узлам и устройствам, расположенным на изолированной стороне, для работы необходима электрическая энергии, а отдельного изолированного канала питания в системе обычно нет. Для решения этой задачи компания Analog Devices разработала специальную технологию isoPower (рисунок 6), позволяющую создавать микросхемы со встроенными преобразователями напряжения.

Рис. 6. Устройство цифровых изоляторов, изготовленных по технологии isoPower

Рис. 6. Устройство цифровых изоляторов, изготовленных по технологии isoPower

Для передачи энергии на изолированную сторону используются трансформаторы с изолятором из полиимидной пленки такого же самого типа, что и для передачи информации (рисунок 2), за тем лишь исключением, что из-за большей мощности для изготовления их обмоток используется только золото. При этом, в зависимости от необходимой выходной мощности, можгут использоваться несколько трансформаторов, один из которых предназначен для передачи сигнала обратной связи, необходимого для стабилизации выходных напряжений.

Цифровые стабилизаторы, построенные по технологии isoPower, являются полностью интегрированными решениями, требующими для своей работы минимум внешних компонентов, что является важным преимуществом. К сожалению, из-за малых размеров мощность трансформаторов isoPower ограничена, поэтому при большом энергопотреблении узлов, расположенных на изолированной стороне, имеет смысл обратить внимание на микромодули µModule (рисунок 7), отличающиеся использованием трансформатора большей мощности.

Рис. 7. Устройство микромодулей µModule цифровых изоляторов

Рис. 7. Устройство микромодулей µModule цифровых изоляторов

Следует отметить, что помимо повышенной выходной мощности встроенного преобразователя, цифровые изоляторы µModule имеют большую длину тока утечки из-за использования BGA-корпусов с большим расстоянием между выводами, расположенными на изолированных сторонах. Помимо этого, микромодули µModule создают меньший уровень электромагнитных помех и могут работать в более широком температурном диапазоне.

Основные направления использования изоляторов iCoupler

Цифровые сигналы обычно являются универсальными, и их характеристики мало зависят от прикладного назначения. Например, сигналы для управления силовыми ключами инвертора электропривода могут иметь такую же частоту, амплитуду и скорость изменения фронтов импульса, как и сигналы для передачи информации о текущем состоянии датчика температуры, используемого в системе умного дома. Поэтому, в общем случае, для передачи цифровой информации можно использовать универсальные изоляторы общего назначения (Standard Digital Isolators).

Например, для приложений, не требующих питания узлов на изолированной стороне, можно применить изоляторы семейств ADuM1хх или ADUM2xx (рисунок 8). Эти микросхемы позволяют организовать до шести каналов для передачи информации, из которых до четырех каналов могут быть предназначены для передачи информации в обратном направлении – с изолированной стороны на неизолированную. Максимальная скорость передачи и электрическая прочность изоляции зависят от конкретной модели изолятора и могут находиться в пределах 1…150 Мбит/с и 2,5…5 кВ (СКЗ), соответственно. Еще в более широких пределах может колебаться величина тока, потребляемого микросхемами. Обычно высокоскоростные изоляторы с высоким уровнем помехозащищенности имеют и более высокое энергопотребление – до 2,9 мВт/канал, в то время как в специализированных малопотребляющих решениях оно может уменьшаться до 0,3 мкВт/канал. При выборе микросхем следует учитывать, что некоторые из них имеют соответствующие сертификаты, позволяющие применять их в промышленных и автомобильных приложениях.

Рис. 8. Примеры стандартных цифровых изоляторов

Рис. 8. Примеры стандартных цифровых изоляторов

Для приложений, в которых отсутствует возможность питания узлов на изолированной стороне, лучше всего использовать микросхемы, содержащие интегрированные преобразователи напряжения. Когда требуется обеспечить питанием только узлы цифрового изолятора и несколько малопотребляющих узлов, например, датчика сигнала и операционных усилителей, лучше всего использовать микросхемы, изготовленные по технологии isoPower. В остальных случаях, следует использовать микромодули µModule, содержащие преобразователи повышенной мощности. Из стандартных цифровых изоляторов наилучшим образом подходящих для решения этой задачи, следует отметить семейства ADuM5xxx, ADuM6xxx, LTM2810 и LTM288x. Количество каналов, максимальная скорость передачи данных и другие технические характеристики этих изоляторов могут сильно отличаться, поэтому при выборе конкретных микросхем рекомендуется пользоваться технической документаций, доступной на сайте Analog Devices.

Особого внимания заслуживают новые высокоскоростные изоляторы ADN465x (рисунок 9), предназначенные для передачи дифференциальных сигналов (Low Voltage Differential Signaling, LVDS) со скоростью до 600 Мбит/с (ADN4650/51/52) и до 1,1 Гбит/с (ADN4654/55/56). Эти микросхемы содержат по два канала, позволяющих передавать мощные цифровые потоки данных с минимальной задержкой распространения сигнала (до 4,5 нс). Изоляторы ADN465x могут быть одно- и двунаправленными. В первом случае микросхемы содержат два комплекта узлов, передающих данные с неизолированной стороны на изолированную, а во втором – по одному передатчику и приемнику для передачи информации в каждом направлении. Основной областью применения этих микросхем являются высокопроизводительные цифровые системы, в том числе и работающие с аудио- и видеосигналами: системы видеонаблюдения, медицинская диагностическая аппаратура, мониторы состояния пациента и многие другие приложения, в которых требуется передавать через изоляционные барьеры огромные потоки информации в режиме реального времени.

Рис. 9. Изоляторы для передачи дифференциальных сигналов

Рис. 9. Изоляторы для передачи дифференциальных сигналов

Использование цифровых изоляторов общего назначения является универсальным методом и позволяет решить большинство практических задач. Однако такой подход может быть оптимальным только в случае, когда необходимо просто передать данные с одного устройства на другое. Однако на практике различные устройства чаще всего объединяются в единую информационную систему с помощью какого-нибудь интерфейса, имеющего свои специфические особенности. В этом случае наибольший интерес для разработчиков представляют специализированные микросхемы, ориентированные на конкретный интерфейс и содержащие не только необходимое количество каналов, но и ряд дополнительных узлов и функций, наилучшим образом подходящих именно для этого случая.

Например, цифровые изоляторы для интерфейса RS-232, предлагаемые Analog Devices (рисунок 10), являются одновременно и преобразователями уровней сигналов, позволяющими подключать данные микросхемы напрямую к микроконтроллерам. При этом все необходимые для данного интерфейса двухполярные напряжения формируются на изолированной стороне специализированными интегрированными преобразователями.

Рис. 10. Цифровые изоляторы для интерфейса RS-232

Рис. 10. Цифровые изоляторы для интерфейса RS-232

Изоляция микросхем ADM3251/2 и LTM2882 способна выдерживать в течение минуты переменное напряжение со среднеквадратическим значением 2,5 кВ. При этом микросхема сохраняет полную работоспособность и позволяет передавать информацию по каждому каналу со скоростью до 460 кбит/с (ADM3251/2) или до 1 Мбит/с (LTM2882). Микросхемы ADM3252 и LTM2882 содержат 4 канала для передачи информации – по два в каждом направлении, что позволяет реализовать на их основе устройства с полнофункциональным интерфейсом RS-232. Для более простых приложений, использующих лишь базовые возможности этого протокола, можно использовать более простой изолятор ADM3251, содержащий по одному изолированному каналу в каждом направлении передачи информации. Дополнительной особенностью микромодуля LTM2882 является повышенная мощность встроенного преобразователя напряжения, с помощью которого можно питать на изолированной стороне различные внешние узлы с суммарной потребляемой мощностью до 1 Вт.

Намного больше функций требуется для приложений с интерфейсами RS-485/422, широко распространенными в промышленных системах. Из-за использования специфической линии связи – витой пары – на приемной и передающей сторонах системы необходимы специализированные усилители, способные работать с дифференциальными сигналами.

Именно поэтому для реализации изолированных версий интерфейсов RS-485/422 лучше всего использовать только специализированные решения, тем более что у компании Analog Devices эта линейка является одной из самых многочисленных. Для относительно простых приложений лучше всего использовать стандартные изоляторы, с помощью которых можно передавать информацию со скоростью до 50 Мбит/с (рисунок 11). При этом разработчику предоставляется возможность гибкого выбора микросхемы, максимально подходящей для конкретного технического задания. Например, в приложениях с уже существующим изолированным каналом питания нет смысла использовать микросхемы с интегрированным преобразователем, поэтому для этой задачи лучше всего подойдут обычные цифровые изоляторы ADM2463 или ADM2763, в то время как при наличии на вторичной стороне дополнительных узлов можно использовать микромодули LTM2881 или LTM2885, содержащие преобразователи повышенной мощности.

Рис. 11. Стандартные цифровые изоляторы для интерфейсов RS-485/422

Рис. 11. Стандартные цифровые изоляторы для интерфейсов RS-485/422

Основным отличием интерфейса RS-422 от RS-485 является использования двух витых пар, что позволяет одновременно передавать и принимать данные (работать в дуплексном режиме). Поддержка дуплексного режима и, соответственно, интерфейса RS-422 в первую очередь заключается в способе соединения выхода передатчика и входа приемника на изолированной стороне. Микросхемы, поддерживающие дуплексный режим, имеют отдельные выводы для подключения двух витых пар (А + В и Y + Z), в то время как у полудуплексных приборов они соединены вместе (рисунок 12). Однако это не является препятствием для использования дуплексных микросхем в полудуплексных системах, поскольку практически все цифровые изоляторы поддерживают возможность перевода передатчиков в высокоимпедансное состояние. В связи с этим для объединения каналов приема и передачи достаточно просто соединить выводы А и В с выводами Y и Z, соответственно.

Рис. 12. Цифровые изоляторы для полудуплексной (а) и дуплексной (б) связи

Рис. 12. Цифровые изоляторы для полудуплексной (а) и дуплексной (б) связи

Использование цифровых изоляторов Analog Devices позволяет не только решить техническую проблему электрической изоляции отдельных элементов информационной системы, но и упростить сертификацию готового приложения. Например, одни из последних моделей цифровых изоляторов – ADM2865E/67E, обеспечивающие скорость передачи до 25 Мбит/с, — имеют уровень электромагнитного излучения, соответствующего классу B стандарта EN55032. Причем для достижения такого уровня собственных помех нет необходимости в разработке дорогостоящих многослойных печатных плат, достаточно обычной двухсторонней платы и двух ферритовых бусин размером 0402 в цепях питания на изолированной стороне. При этом микросхемы ADM2865E/67E выдерживают напряжение между изолированными сторонами до 5,7 кВ и имеют защиту от электростатического напряжения до 12 кВ при непосредственном контакте и 15 кВ при воздушном пробое IEC61000-4-2.

Следует отметить, что для интерфейсов RS-485/422, использующих для передачи данных линии, достигающие нескольких километров в длину, вопросы защиты от электростатических разрядов являются не менее важными, чем обеспечение требуемой пропускной способности и необходимой электрической прочности изоляции. В этом случае лучше всего использовать уже готовые решения, позволяющие пройти необходимую сертификацию с минимальными затратами времени и средств (рисунок 13).

Рис. 13. Цифровые изоляторы RS-485/422 с разными уровнями защиты от электростатических разрядов

Рис. 13. Цифровые изоляторы RS-485/422 с разными уровнями защиты от электростатических разрядов

При выборе цифрового изолятора RS-485/422 важно обращать внимание на наличие дополнительных функций, позволяющих либо сократить количество внешних компонентов и тем самым снизить стоимость устройства, либо расширить возможности конкретного приложения без значительных затрат времени на их реализацию. Дополнительными преимуществами изоляторов RS-485/422 являются (рисунок 14):

  • наличие интегрированного терминального резистора с сопротивлением 120 Ом с возможностью его отключения, что позволяет программно адаптировать приемопередатчики системы под конкретную линию связи;
  • возможность программного инвертирования сигнала линии, что позволяет упростить монтаж, поскольку неправильное подключение линий А и В (Y и Z) является одной из наиболее распространенных ошибок при инсталляции подобных систем;
  • выбор скорости передачи данных. Уменьшение скорости нарастания и спада импульсов при малых скоростях передачи положительно сказывается на уровне помех, излучаемых кабелем, и позволяет дополнительно повысить помехозащищенность приемопередающего тракта.

Рис. 14. Дополнительные функции цифровых изоляторов RS-485/422

Рис. 14. Дополнительные функции цифровых изоляторов RS-485/422

Следует отметить, что интерфейсы RS-232/485/422 основаны на одном и том же последовательном протоколе передачи данных и отличаются только типом линии связи. Из-за этого в ряде приложений можно реализовать дополнительную функцию смены типа интерфейса. В этом случае, чтобы не увеличивать количество приемопередатчиков, можно использовать изоляторы, поддерживающие несколько интерфейсов (рисунок 15).

Рис. 15. Цифровые изоляторы, поддерживающие несколько интерфейсов

Рис. 15. Цифровые изоляторы, поддерживающие несколько интерфейсов

Еще одним интерфейсом, который может использовать в качестве среды для передачи электрического сигнала витую пару, является интерфейс CAN, получивший широкое распространение в автомобильной технике, промышленных системах, а также в интеллектуальных устройствах домашней автоматизации. Ключевой особенностью цифровых изоляторов для интерфейса CAN является возможность работы в жесткой обстановке с высоким уровнем внешних электромагнитных помех и возможным наличием электростатических разрядов. При этом уровень собственного электромагнитного излучения системы передачи данных должен быть минимальным. В этом случае лучше всего использовать специализированные цифровые изоляторы для шины CAN (рисунок 16), при разработке которых были учтены все особенности данного интерфейса.

Рис. 16. Цифровые изоляторы для интерфейса CAN

Рис. 16. Цифровые изоляторы для интерфейса CAN

Кроме интерфейсов, основанных на протоколе USART, и шины CAN, в цифровой аппаратуре широко применяются и другие разновидности последовательных протоколов, при использовании которых также может потребоваться электрическая изоляция отдельных компонентов информационной системы. Для систем, использующих для обмена данными интерфейс I2C, также лучше всего применять специализированные изоляторы (рисунок 17), особенностью которых является, например, использование двунаправленных каналов передачи данных, а также усилителей с выходными каскадами, построенными по схемам с открытым стоком. Как и в случае решений для других интерфейсов, в каталогах Analog Devices присутствуют и приборы, содержащие только информационные каналы, и микросхемы с интегрированными преобразователями, в том числе и повышенной мощности, позволяющие питать дополнительные узлы на изолированной стороне.

Рис. 17. Цифровые изоляторы для интерфейса I2C

Рис. 17. Цифровые изоляторы для интерфейса I2C

При выборе микросхем для интерфейса I2C следует обращать внимание на особенности канала передачи тактовой частоты CLK. Для полноценной реализации всех возможностей этого интерфейса, например, режима с несколькими ведущими, необходимо использовать микросхемы с CLK, поддерживающим передачу информации по этому каналу в обоих направлениях. В то же время для простых систем с одним ведущим можно использовать более бюджетные микросхемы, в которых канал CLK поддерживает передачу данных только в одном направлении (рисунок 18).

Рис. 18. Структурная схема цифровых изоляторов для интерфейса I2C с однонаправленным (а) и двунаправленным (б) каналами тактовой частоты

Рис. 18. Структурная схема цифровых изоляторов для интерфейса I2C с однонаправленным (а) и двунаправленным (б) каналами тактовой частоты

Наиболее тяжелой задачей для проектирования изоляции приемопередающих узлов является интерфейс USB, в котором, кроме механизма передачи информации, реализован еще и сложнейший протокол взаимодействия ведущего с ведомыми устройствами, включая формирование токов фиксированного значения, подтяжка определенных линий к шинам питания и многие другие функции. Реализация аппаратной части изолированного приемопередатчика дополнительно усложняется тем, что ее конфигурация не является статической, а должна динамически изменяться, в зависимости от конкретного этапа взаимодействия ведущего с подключенным устройством. Если добавить к этому еще и поддержку высоких скоростей передачи данных, возможность смены роли устройства (ведущий/ведомый), а также поддержку питания ведомых устройств, которое, кстати, тоже должно быть изолированным, то станет понятно, что реализация USB-изоляторов как минимум на порядок сложнее, чем работа с более простыми интерфейсами.

Тем не менее, Analog Devices успешно решил эту задачу и теперь предлагает своим клиентам несколько моделей высокоскоростных USB-изоляторов (рисунок 19), соответствующих второй версии интерфейса USB 2.0. Микросхемы LTM2894, ADuM4160 и ADuM3160 поддерживают только передачу информации через изоляционный барьер, в то время как микромодуль LTM2884 (рисунок 20), реализованный с помощью технологии µModule, содержит преобразователь постоянного напряжения, позволяющий питать ведомые устройства с мощностью до 1 Вт, обеспечивая при этом передачу данных со скоростью до 12 Мбит/с.

Рис. 19. Цифровые изоляторы для интерфейса USB

Рис. 19. Цифровые изоляторы для интерфейса USB

Рис. 20. Структурная схема микромодуля LTM2884

Рис. 20. Структурная схема микромодуля LTM2884

Количество устройств, являющихся как источниками, так и потребителями информации, будет неуклонно увеличиваться. Причем многие из них должны будут взаимодействовать как с другими элементами информационных систем, так и с человеком. А это означает и увеличение потребности в цифровых изоляторах с самыми разными уровнями защиты и пропускной способностью. Наличие решений от Analog Devices, уже сейчас удовлетворяющих будущие требования данной отрасли, является важным признаком высокого уровня ответственности по отношению как к своему делу, так и к своим клиентам.

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD открыла ...читать далее

Товары
Наименование
ADUM120N1BRZ-RL7 (AD)
ADUM120N0BRZ-RL7 (AD)
ADUM230E1BRIZ (AD)
ADUM230E1BRWZ (AD)
ADUM240E1BRIZ-RL (AD)
ADUM240E0BRIZ-RL (AD)
ADM2795EBRWZ-RL7 (AD)
ADM2795EARWZ-RL7 (AD)
ADM2563EBRNZ-RL7 (AD)
ADM2563EBRNZ (AD)
ADM2867EBRNZ-RL7 (AD)
ADM2867EBRNZ (AD)
ADM3056EBRIZ-RL (AD)
ADM3056EBRIZ (AD)
ADUM4160BRWZ-RL (AD)
ADUM4160BRIZ (AD)
ADN4650BRSZ (AD)
ADN4650BRSZ-RL7 (AD)
ADUM6420ABRNZ3-RL (AD)
ADUM6420ABRNZ5-RL (AD)