Способы организации электропитания интерфейсов с гальванической изоляцией
6 мая
Николай Вашкалюк, Андрей Любенко, Сергей Миронов (Компэл)
Для реализации питания интерфейса с гальванической изоляцией китайские производители предлагают нам три основные группы продукции: готовые электронные модули, миниатюрные интегральные модули в корпусах микросхем, а также решения для самостоятельной сборки, состоящие из микросхемы драйвера, малогабаритного трансформатора и нескольких пассивных компонентов. Отдельно можно выделить и четвертую группу, представляющую собой полностью интегрированный в одном корпусе изолированный источник питания (ИП) и гальванически развязанный приемопередатчик интерфейса.
При выборе того или иного варианта исполнения изолированного питания разработчику необходимо учесть ряд требований к конечному изделию. Например, для получения высокого КПД подходят как готовые модули, так и сборка драйвер плюс трансформатор. Но эти решение не являются малогабаритными, поэтому при ограниченном месте на печатной плате и отсутствии жестких требований, связанных с эффективностью преобразователя, идеальными вариантом выглядят интегральные модули в виде микросхем, а так же совмещенные в одном корпусе изолированный трансивер с соответствующим изолированным ИП.
Чтобы понять, какие решения используют российские разработчики, в одном из своих вебинаров мы провели опрос и выяснили (рисунок 1): чаще всего предпочтение отдается полностью интегрированному решению (трансивер плюс питание в одном корпусе), второе место – за готовыми электронными и интегральными модулями, а замыкает список ИП, выполненный на отдельных компонентах (драйвер плюс трансформатор).
Рис. 1. Электропитание изолированных интерфейсов: предпочтения российских разработчиков
Рассмотрим четыре варианта реализации изолированного питания и выделим их сильные и слабые стороны.
1. Интегральные модули в корпусе микросхемы
| Внешний вид | Достоинства | Недостатки |
|---|---|---|
 |
|
|
В этой группе представлено несколько уникальных изделий производства MORNSUN, ChipAnalog и Silergy. Причем первые две микросхемы (таблица 1) – полностью Pin-to-Pin-совместимые, имеют очень схожие параметры и могут применяться в медицинском оборудовании.
Вся перечисленная продукция имеет необходимый набор защит: от перегрузки (OLP), короткого замыкания (SCP) и перегрева (OTP) – а также схему мягкого старта (SS) для уменьшения тока запуска и внутреннюю обратную связь, позволяющую получить высокую точность и стабильность выходного напряжения. Типовая структура такого изделия на примере CA-IS3105W показана на рисунке 2.
Рис. 2. Внутренняя структура интегрального изолированного преобразователя CA-IS3105W (ChipAnalog)
B0505ST16-W5 (MORNSUN) может работать в очень широком температурном диапазоне, а также допущена к применению в автомобильной промышленности (стандарт AEC-Q100).
Из особенностей SY20694WNQ/SQ79002WNQ (Silergy) можно выделить высокую точность выходного напряжения ±1%, широкий диапазон входного напряжения и высокое значение КПД по сравнению с конкурентами.
Таблица 1. Интегральные модули в корпусе микросхемы
| Наименование (производитель) |
VIN, В | POUT, Вт | VOUT, В | VISO, В | КПД, % | Диапазон рабочих температур, °С | Свойства | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| B0505ST16-W5 (MORNSUN) | 4.5…5.5 | 0.5 | 3.3/3.7/5.0/5.4 | 5000 | 53 | -55…125 | SS, OLP, SCP, OTP | SOW16 |
| CA-IS3105W (ChipAnalog) | 4.5…5.5 | 0.65 | 3.3/3.7/5.0/5.4 | 5000 | 55 | -40…125 | SS, OLP, SCP, OTP | SOW16 |
| SY20694WNQ/ SQ79002WNQ (Silergy)* | 4.5…14.0 | 1 | 5.0 | 3000 | 65 | -40…125 | SS, OLP, SCP, OTP | QFN4x5.5-14 |
* Названия указаны для глобального и внутреннего рынков, соответственно. Дополнительная информация по запросу.
Выходное напряжение B0505ST16-W5 и CA-IS3105W (рисунок 3) может быть установлено со следующими значениями: 3.3 В / 3.7 В / 5.0 В / 5.4 В, для этого необходимо на вывод SEL подать соответствующий уровень напряжения (см. документацию на микросхему). У продукции Silergy выходное напряжение фиксированное (5 В), но зато обладает самой высокой номинальной точностью ±1%.
Рис. 3. Типовая схема включения CA-IS3105W (ChipAnalog)
Ввиду особенностей технологии изготовления интегрального трансформатора главным недостатком рассмотренных выше решений является невысокое значение КПД. Если разработчику требуется более эффективная схема ИП, следует рассмотреть следующие два варианта: построение на отдельных компонентах (драйвер плюс трансформатор) и использование готового модуля.
2. Реализация на отдельных компонентах
| Внешний вид | Достоинства | Недостатки |
|---|---|---|
 |
|
|
При построении изолированного ИП разработчику потребуются микросхема драйвера (таблица 2), трансформатор (таблица 3) и несколько пассивных/дискретных компонентов. Главным достоинством такого типа ИП является низкая стоимость, высокий КПД, а также отличная гибкость, позволяющая разместить схему на выделенном участке печатной платы.
Ключевой особенностью микросхем драйверов для работы с маломощными push-pull трансформаторами является высокая симметрия выходных транзисторов, что позволяет снизить ток подмагничивания трансформатора до минимума. В таблице 2 представлены все варианты подобных драйверов.
Все изделия от Mornsun имеют стандартный набор защит – от КЗ, перегрузки, перегрева – и блокировку при пониженном входном напряжении. Встроенная схема мягкого пуска обеспечивает плавное нарастание тока при включении устройства и позволяет использовать выходные конденсаторы большой емкости.
Таблица 2. Микросхемы драйверов трансформатора
| Наименование (производитель) | Аналог (степень совместимости) | Входное напряжение VIN, В | Номинальный ток IOUT, макс., мА | Частота коммутации FOSC, кГц | Рабочая температура, °C | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SCM1201BTA (MORNSUN) | SN6501 (функциональный аналог) | 2,7…5,5 | 600 | 195…245 | -40…150* | SOT23-6 |
| SCM1212BTA(-Q) (MORNSUN) | SN6501 (Pin-to-Pin) | 2,7…5,5 | 600 | 195…245 | -40…150* | SOT23-5 |
| SCM1209ATA (MORNSUN) | MAX13256 (функциональный аналог) | 8,1…30 | 600 | 238…282 | -40…150* | SOT23-6 |
| IS801B/IS801Q (AnalogySemi) | SN6501 (Pin-to-Pin) | 2,5…5,5 | 500 | 300…550 | -40…125 | SOT23-5 |
| IS802B (AnalogySemi) | SN6505 (Pin-to-Pin) | 2,5…5,5 | 500 | 275…550 | -40…125 | SOT23-6 |
* Рабочая температура кристалла.
Драйверы SCM1201BTA и SCM1212BTA имеют полностью идентичные характеристики и отличаются только расположением выводов (рисунок 4). Пример использования данных микросхем показан на рисунке 5.
Рис. 4. Расположение выводов SCM1201BTA и SCM1212BTA
Если перед разработчиком стоит задача по разработке изолированного питания устройства, предназначенного для работы в автомобильных приложениях, Mornsun предлагает вариант драйвера, соответствующий данному отраслевому стандарту – SCM1212BTA-Q.
Рис. 5. Пример построения полностью изолированного интерфейса RS-485
Изделия от AnalogySemi IS801B и IS802B, в отличие от MORNSUN, имеют несколько меньший ток выходных транзисторов и не оснащены схемами защиты от перегрузки и КЗ. Схема мягкого пуска и защита от перегрева присутствуют. Частота коммутации тут выше, чем у SCM1201BTA/SCM1212BTA, и имеет расширение спектра для уменьшения электромагнитного излучения (ЭМИ). Кроме того, IS802B поддерживает управление внешним сигналом, что дает возможность синхронизировать несколько устройств от одного источника тактовой частоты и обеспечивает большую гибкость при проектировании системы (рисунок 6). Пониженное значение ЭМИ позволяет использовать данные драйверы в медицинском оборудовании. А для автомобильных приложений AnalogySemi предлагает IS801Q.
Рис. 6. Типовая схема включения IS802B
Все рассмотренные выше драйверы трансформатора имеют рабочее напряжение до 5,5 В. Если требуется работа с входным напряжением до 30 В, то на помощь может прийти SCM1209ATA производства MORNSUN (рисунок 7). Внутренняя структура микросхемы, а также выполняемые функции полностью идентичны SCM1201BTA/SCM1212BTA.
Рис. 7. Схема включения SCM1209ATA
Таблица 3. Push-Pull-трансформаторы MORNSUN
| Наименование | Внешний вид | Входное напряжение VIN, В | Выходное напряжение VOUT, В | Выходной ток IOUT, мА | Коэффициент трансформации | Напряжение изоляции VISO, В | Топология |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TTB0503-1T |  |
5 (4,5…5,5) | 3,3 | 303 | 1,29 : 1 | 1650 | Push-Pull |
| TTB0505-1T | 5 | 200 | 1 : 1,1 | ||||
| TTB0509-1T | 9 | 111 | 1 : 1,94 | ||||
| TSHT5.8-01 |  |
5 | 250 | 1 : 1,1 | 3000 | ||
| TTH0505-1T |  |
5 | 200 | 1:1,1 | 6000 |
3. Готовые модули
Использование готовых модулей позволяет упростить схемотехнику устройства, сократить время на отладку узла и, в итоге, ускорить вывод конечного изделия на рынок.
В номенклатуре имеется широкий выбор готовых изолированных DC/DC-преобразователей с самыми различными техническими, конструктивными и эксплуатационными параметрами.
Причем у разных производителей – MORNSUN, Yuan Dean, MEAN WELL – эта продукция выпускается в стандартных корпусах и с близкими техническими параметрами, что позволяет диверсифицировать поставки и снизить риски отсутствия нужной модели в нужное время.
Самый широкий ассортимент подобных преобразователей имеется у MORNSUN, и эта продукция постоянно поддерживается на складе.
Продукция Yuan Dean (YDS) не поддерживается на складе, но доступна под заказ. В ряде случаев стоимость продукции этого производителя может быть ниже, чем у других, однако в России он менее известен.
Производитель MEAN WELL имеет самую широкую известность и хороший выбор DC/DC-преобразователей. Продукция этого производителя поддерживается на складе.
| Внешний вид | Достоинства | Недостатки |
|---|---|---|
 |
|
|
MORNSUN выпускает продукцию нескольких поколений. Основное поколение сейчас – это R3 (таблица 4) и новое перспективное поколение R4 (таблица 5)
Таблица 4. Изолированные DC/DC-преобразователи поколения R3 с однополярным выходом (Семейства с биполярным выходом A* и E* в таблице не указаны)
| Семейство | Мощность, Вт | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Изоляция | Тип корпуса |
|---|---|---|---|---|---|
| B*S_1/2WR3 | 1, 2 | Стандартный ряд: 3.3/5/9/12/15/24 | 1500 | SIP-4 | |
| B*LS_1/2WR3 | 1, 2 | 1500 | SIP-7 | ||
| B*XT_1/2WR3 | 1, 2 | 1500 | SMD-8 | ||
| B*D_1/2WR3 | 1, 2 | 1500 | DIP-8 | ||
| F*S_1/2WR3 | 1, 2 | 3000 | SIP-7 | ||
| F*XT_1/2WR3 | 1, 2 | 3000 | SMD-8 | ||
| F*D_1/2WR3 | 1, 2 | 3000 | DIP-14 | ||
Таблица 5. Изолированные DC/DC-преобразователи поколения R4
| Наименование | Мощность, Вт | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В |
Изоляция, В | Тип корпуса | Вид корпуса |
|---|---|---|---|---|---|---|
| B0505MT-1WR4 | 1 | 5 | +5 | 3000 | DFN |  |
| E0505T-1WR4 | 1 | 5 | +5, -5 | 3000 | ||
| FB0505T-1WR4 | 1 | 5 | +5 | 4200 | ||
| D050505T-1WR4 | 1 | 5 | +5, +5 (раздельные и изолированные) | 3000 |
4. Полностью интегрированный вариант изолированного интерфейса с питанием в одном корпусе
| Внешний вид | Достоинства | Недостатки |
|---|---|---|
 |
|
|
Еще одним из вариантов реализации питания интерфейса с гальванической изоляцией является полностью интегрированный вариант, содержащий встроенный изолированный DC/DC-преобразователь, а также непосредственно изолированный интерфейс или изолятор в одном корпусе. Одними из главных плюсов реализации подобного решения являются простота реализации, минимальный размер и экономия места на плате.
В таблице 6 приведены наиболее популярные на рынке модели изоляторов и интерфейсов со встроенным питанием.
Таблица 6. Интегрированные изолированные интерфейсы
| Наименование (производитель) | Интерфейс | Кол-во каналов | Скорость передачи данных, МБит/с | Напряжение изоляции VISO, В | Рабочая температура, °C | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TDA51S-41HC (MORNSUN) | Изолятор | 3/1 | 100 | 5000 | -40…125 | SOIC16-WB |
| CA-IS3620LW (ChipAnalog) | Изолятор | 2/0 | 100 | 5000 | -40…125 | SOIC16-WB(W) |
| CA-IS3641LW (ChipAnalog) | Изолятор | 3/1 | 100 | 5000 | -40…125 | SOIC16-WB(W) |
| NSIP8820 (Novosense) | Изолятор | 2/0 | 150 | 5000 | -40…125 | SOW16 |
| NSiP8841 (Novosense) | Изолятор | 3/1 | 150 | 5000 | -40…125 | SOW16 |
| TDA51S485HC (MORNSUN) | RS-485 | Half-duplex | 0,5 | 5000 | -40…125 | SOIC16 |
| TD551S485H (MORNSUN) | RS-485 | Half-duplex | 10 | 6000 | -40…125 | SOIC16 |
| TD551S422H (MORNSUN) | RS-485 | Full-Duplex | 20 | 4000 | -40…125 | SOIC16 |
| TD551S422HW (MORNSUN) | RS-485 | Full-Duplex | 20 | 4000 | -40…125 | SOIC20 |
| CA-IS3098W (ChipAnalog) | RS-485 | Half-duplex | 20 | 5000 | -40…125 | SOIC16-WB(W) |
| NSIP83086 (Novosense) | RS-485 | Full-Duplex | 16 | 5000 | -40…125 | SOW16, SOW20 |
| TDA51SCANHC (MORNSUN) | CAN | 1 | 1 | 5000 | -40…125 | SOIC16 |
| NSiP1042 (Novosense) | CAN | 1 | 5 | 5000 | -40…125 | SOW20 |
| TD551SCANH (MORNSUN) | CAN | 1 | 5 | 6000 | -40…125 | SOIC16 |
| TD551SCANHW (MORNSUN) | CAN | 1 | 5 | 6000 | -40…125 | SOIC20 |
Пример реализации изолированного интерфейса SPI для подключения АЦП к микроконтроллеру на базе интегрированного изолятора с питанием от MORNSUN показан на рисунке 8.
Рис. 8. Интерфейс SPI на базе интегрированного изолятора MORNSUN
Наши информационные каналы