Цифровые изоляторы HOPERF – простое решение для улучшения помехозащищенности и ЭМС устройств

27 апреля

Дмитрий Илларионов (г. Нижний Новгород)

Цифровые изоляторы HOPERF серий CMT812x, CMT804x, CMT826x, драйверы затворов CMT8602x, а также изолированные приемопередатчики CMT8308x (RS-485) и CMT10xx (CAN) выполнены по технологии емкостной связи. Они обеспечивают напряжение изоляции до 5,7 кВ, устойчивость к синфазным помехам до 200 кВ/мкс и могут применяться в системах накопления энергии и портативных источниках питания, повышая помехозащищенность устройств.

Качество и надежность работы любого электронного устройства зависит в том числе и от его устойчивости к электромагнитным помехам (ЭМП). Для улучшения данной характеристики многие производители электронных компонентов предлагают разработчикам достаточно большой выбор готовых решений, часть из которых уже стала стандартом. К таким решениям относятся интегральные схемы изоляторов цифровых и аналоговых сигналов, в настоящее время являющиеся доступными и удобными в использовании компонентами, зачастую имеющими стандартный функционал, корпус и расположение выводов. Их применение обычно не сильно влияет на себестоимость готового изделия, однако значительно увеличивает его устойчивость к электромагнитным помехам и степень электромагнитной совместимости.

В качестве примера устройства, в котором применение изоляторов цифровых сигналов является как минимум оправданным, а зачастую и необходимым, можно рассмотреть любую современную систему накопления, хранения и распределения энергии. Частным случаем такого применения являются портативные источники питания – компактные устройства, позволяющие питать электроприборы без подключения к обычной сети переменного тока (рисунок 1).

Рис. 1. Пример портативного источника питания

Данные устройства нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, таких как бытовая и промышленная техника, телеком, медицинские и другие приборы. При этом, несмотря на слово «портативный» в названии, компактные источники питания представляют собой достаточно сложные электронные изделия, состоящие из тех же самых узлов, что и их полноразмерные варианты: батареи, контроллера заряда, инвертора и схемы управления энергией (рисунок 2).

Рис. 2. Блок-схема портативного источника питания

Бо́льшая часть силовых элементов в этих узлах работает в импульсном режиме, пропуская через себя значительные токи. Это порождает довольно сильные электромагнитные помехи, а также электрические шумы и скачки напряжения. Данные факторы могут сбивать работу слаботочных управляющих узлов, а также затруднять функционирование аналогового тракта, наличие которого необходимо для преобразования сигналов от датчиков. Кроме того, разные функциональные модули системы могут иметь разные потенциалы общего провода, причем их непосредственное выравнивание не всегда возможно. К тому же, часть элементов инвертора подключена к общей сети переменного тока, и прямая их связь с узлами, к которым пользователь имеет физический доступ, просто недопустима. Наличие вышеперечисленных факторов приводит к тому, что каналы связи между основными функциональными модулями системы хранения энергии обычно реализуются не непосредственным их подключением друг к другу, а через изоляторы цифровых сигналов (цифровые изоляторы). Такой подход, несмотря на увеличение себестоимости продукта, позволяет решить такие задачи, как:

• обеспечение независимости сигнальных цепей, что существенно снижает помехи, увеличивая соотношение «сигнал/шум» аналогового тракта и точность измерений, а также повышая надежность работы цифровых узлов и помехоустойчивость канала связи;
• защита оборудования от пагубного воздействия внешней среды, такого как электростатические разряды, выбросы напряжения и другие негативные факторы;
• защита пользователя от поражения электрическим током.

Таким образом, в системах накопления, хранения и распределения энергии, характеризующихся наличием сильноточных и слаботочных электрических цепей, а также переменными условиями эксплуатации, цифровые изоляторы являются одними из ключевых компонентов. Их использование помогает обеспечить скоординированную работу функциональных модулей блока управления, предотвращает проблемы с контурами заземления, а также повышает общий уровень надежности и безопасности системы. Рассмотрим изоляторы цифровых сигналов CMT, выпускаемые компанией HOPERF – одним из производителей компонентов данного сегмента электроники.

Способы изоляции цифровых сигналов

Скорость работы, энергопотребление и стоимость изолированного канала связи напрямую зависят от вида примененного изолятора, поэтому для выбора оптимального решения разработчик должен хорошо представлять себе плюсы и минусы доступных вариантов. В настоящее время распространены три способа изоляции цифровых сигналов: оптронная развязка, индуктивные изоляторы и емкостные изоляторы (рисунок 3).

Рис. 3. Способы изоляции цифровых сигналов

Первый вариант характеризуется простотой конструкции и невысокой стоимостью, однако платить за это приходится достаточно большим потреблением тока и сравнительно низкой скоростью работы микросхемы. Кроме того, оптронам присуща постепенная деградация барьера – так называют процесс разрушения изоляционного материала, который обеспечивает гальваническую развязку между источником света и фотодетектором интегральной схемы.

Для повышения быстродействия и энергоэффективности канала связи необходимо использовать индуктивный или емкостной изолятор, однако следует иметь в виду, что это более дорогое решение. К тому же, в первом случае микросхема будет подвержена влиянию окружающих магнитных помех, поскольку передача данных в ней осуществляется за счет связи магнитного поля двух катушек. Также нужно помнить, что изоляционный материал в индуктивных и емкостных изоляторах, как и в оптронах, подвержен постепенной деградации. В первом случае его разрушение связано с воздействием пространственного заряда, а во втором – с временным диэлектрическим пробоем (Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB), который наступает вследствие длительного воздействия относительно слабого электрического поля. При этом следует отметить, что деградация барьера в емкостных изоляторах происходит существенно дольше чем в индуктивных, поэтому с точки зрения долговечности они являются наиболее предпочтительными.

Компания HOPERF имеет многолетний опыт проектирования высокочастотных микросхем, а также внедрения передовых производственных процессов. Поэтому изоляторы линейки CMT построены с использованием технологии емкостной связи, характеризующейся большим напряжением пробоя изоляции, высокой скоростью передачи данных, малым энергопотреблением, а также надежной работой в течение длительного времени. При этом, чтобы входной сигнал мог быть передан на выход изолятора, с ним необходимо произвести дополнительные манипуляции: сначала сигнал подвергается высокочастотной модуляции и преобразуется в дифференциальную форму, затем проходит через две пары емкостных барьеров, после чего демодулируется и восстанавливается (рисунок 4).

Рис. 4. Схема передачи входного сигнала на выход изолятора

Такой подход позволяет минимизировать задержку распространения сигнала, исключить его искажение на выходе, а также обеспечить высокую устойчивость к синфазным помехам за счет применения дифференциальной передачи.

Микросхемы CMT812x, CMT804x и CMT826x

Интегральные схемы CMT812x, CMT804x и CMT826x – это серия изоляторов цифровых сигналов общего назначения с различным количеством каналов и направлением передачи данных. Модели CMT812x являются двухканальными, выпускаются в узком (SO-8 шириной 4,0 мм) и широком (SOW-8 и SOW-16 шириной 7, 5мм) корпусах. Конфигурации выводов приведены на рисунке 5.

Рис. 5. Расположение выводов микросхем серии CMT812x

Количество изолированных каналов в микросхемах CMT804x равно четырем. Они выпускаются в узком или широком 16-контактном корпусе (SO-16 или SOW-16, соответственно), конфигурации выводов представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Расположение выводов микросхем серии CMT804x

Максимальное количество изолированных каналов (шесть) имеют изоляторы CMT826x. Данные микросхемы выпускаются в узком или широком 16-контактном корпусе (SO-16 или SOW-16, соответственно). Конфигурации выводов приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Расположение выводов микросхем серии CMT826x

Кроме того, в семейство CMT826x входит микросхема CMT8266 – шестиканальный изолятор, имеющий встроенную функцию блокировки соседних каналов и разработанный специально для безопасного управления интеллектуальными силовыми модулями (IPM), построенными на базе транзисторов типа IGBT (рисунок 8).

Рис. 8. Расположение выводов микросхем CMT8266

Благодаря наличию дополнительных внутренних логических элементов данная микросхема имеет возможность предотвращать одновременное открытие верхнего и нижнего ключей в IPM, тем самым обеспечивая защиту силовых транзисторов от сквозного пробоя (рисунок 9).

Рис. 9. Предотвращение одновременного открытия верхнего и нижнего ключей в IPM

Логика работы изолятора при этом будет такова: если на обоих соседних входах микросхемы (IN_xH и IN_xL) присутствует логическая единица, то сигнал на соответствующих выходах (OUT_xH и OUT_xL) принудительно сбрасывается до тех пор, пока хотя бы на одном из входов не появится логический ноль. Данный алгоритм защиты транзисторов от сквозного тока хорошо иллюстрируют осциллограммы на рисунке 10.

Рис. 10. Алгоритм защиты транзисторов от сквозного тока

Основные электрические характеристики микросхем CMT812X, CMT804X и CMT826X приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры CMT812X, CMT804X и CMT826X производства компании HOPERF

¹ – типовое значение при напряжении питания +2,5…+5,0 В;
² – типовое значение по входу и выходу на каждый канал при скорости передачи данных 1 Мбит/с и емкости нагрузки 15 пФ;
³ – по UL1577 (1 минута при коэффициенте 1,0; 1 секунда при коэффициенте 1,2);
⁴ – для узких корпусов SO-8 и SO-16;
⁵ – для широких корпусов SOW-8 и SOW-16;
⁶ – индекс «N» в наименовании микросхемы указывает на узкий корпус шириной 4,0 мм, индекс W – на широкий – 7,5 мм.

Обратите внимание на то, что микросхемы в узких и широких корпусах имеют разное напряжение пробоя изоляции: 3,75 и 5 кВ_(RMS), соответственно. При этом все изоляторы семейств CMT812x, CMT804x и CMT826x соответствуют стандартам сертификации усиленной изоляции следующих организаций:

• Underwriters Laboratories (UL1577);
• VDE Association (DIN VDE V 0884-11:2017-01);
• Canadian Standards Association (CSA IEC 60950-1, IEC 62368-1, IEC 61010-1 и IEC 60601-1);
• China Quality Certification Centre (CQC GB4943.1-2022);
• Technischer Überwachungsverein (TUV EN 60950-1, EN 62368-1 и EN 61010-1).

Для улучшения помехоустойчивости на входе каждого канала рассматриваемых микросхем установлен триггер Шмитта. Кроме того, при обрыве входной цепи на выходе соответствующего канала будет установлен четко определенный логический уровень (ноль или единица, в зависимости от конкретной модели изолятора). Такая возможность позволяет избежать неопределенности при инициализации управляющего микроконтроллера или микропроцессора, что повышает надежность и предсказуемость систем, выполненных с применением интегральных схем CMT812x, CMT804x и CMT826x.

Рассматриваемые микросхемы являются универсальными изоляторами цифровых сигналов, поэтому сфера их применения достаточно широка: промышленная автоматизация, фотоэлектрические батареи (PV), электротранспортные средства нового поколения, многоканальная изоляция статических управляющих сигналов и другие устройства. В системах накопления, хранения и распределения энергии микросхемы семейств CMT812x, CMT804x и CMT826x чаще всего используются для реализации внешних или внутренних шин связи (RS-485, RS-422, CAN, SPI, I²C и других протоколов). Например, на базе изолятора CMT8041 можно создать четырехпроводной изолированный интерфейс, дающий возможность удаленно оцифровывать сигналы аналоговых датчиков посредством вынесенного АЦП (рисунок 11).

Рис. 11. Блок-схема четырехпроводного изолированного интерфейса на базе CMT8041

Такой подход часто используется в условиях сильных внешних помех и наводок, которые могут исказить даже усиленный сигнал с датчика. Он позволяет полностью изолировать аналоговый тракт от остальной части системы, что устраняет путь передачи в него кондуктивных ЭМП, формируемых элементами, работающими в импульсном режиме, повышая соотношение «сигнал/шум» и точность измерений. Кроме того, при использовании цифровых изоляторов гораздо проще организовать защиту аналоговых цепей от индуктивных помех, поскольку датчик, АЦП и все требуемые компоненты обычно размещаются в небольшом пространстве, экранировать которое при необходимости сравнительно несложно.

Интегральные схемы CMT8602x

Модели серии CMT8602x являются мощными изолированными двухканальными драйверами затвора и предназначены для управления полевыми транзисторами и ключами типа IGBT. Являясь функциональным аналогом традиционного затворного драйвера на оптронах, данные микросхемы намного превосходят его как по нагрузочной способности, так и по быстродействию. Пиковое значение вытекающего тока выхода CMT8602x может достигать 4 А, а втекающего – 6 А, чего вполне достаточно для быстрой перезарядки входной емкости даже в случае транзисторов, имеющих большой заряд затвора Q_g (рисунок 12).

Рис. 12. Осциллограмма работы драйвера затвора CMT8602x

Кроме того, интегральные драйверы затвора, выпускаемые компанией HOPERF, намного меньше подвержены воздействию синфазных помех (CMTI = ±150 кВ/мкс), имеют существенно меньшую задержку распространения сигнала, позволяют работать в более широком температурном диапазоне (-40…125°С) и гораздо долговечней, чем решения, выполненные на базе оптопар.

Еще одной особенностью микросхем CMT8602X является наличие множества дополнительных возможностей, таких как:

• программируемое значение мертвого времени;
• отключение формирования мертвого времени;
• наличие входа запрета работы;
• схема защиты от пониженного напряжения питания (UVLO) как по входу, так и по выходу;
• три возможных пороговых уровня у схемы UVLO на выходе:
  • +6 В (CMT8602A);
  • +9 В (CMT8602B);
  • +13 В (CMT8602C);
• схема игнорирования входных сигналов длительностью ниже 25 нс, служащая защитой от импульсных помех и переходных процессов;
• схема удержания выхода в низком состоянии при отсутствии сигнала на соответствующем входе.

Питание входной (цифровой) части микросхем CMT8602x рекомендуется держать в диапазоне +3,0…+5,5 В, выходной (силовой) – в пределах +9,0…+25,0 В. Гарантированная минимальная длительность входного импульса, которая не будет игнорироваться драйвером, составляет 50 нс (типовое значение – 30 нс). Это означает, что при минимальном коэффициенте заполнения управляющего сигнала 10% (DC_MIN = 10%) максимальная частота работы микросхемы будет равна примерно 2 МГц, а при DC_MIN = 25% – около 5 МГц. Однако если драйвер CMT8602x должен обеспечивать большу́ю скважность, его предельная рабочая частота окажется существенно ниже, например, при DC_MIN = 1% она даже в теории не сможет превысить 200 кГц. При этом рассматриваемые микросхемы обеспечивают достаточно малое рассогласование выходного сигнала, а также низкий уровень его искажения: на частоте 100 кГц межканальная задержка не превышает t_DM = 5 нс, а максимальное уменьшение или увеличение длительности управляющего импульса (t_PWDA, t_PWDB) составляет 9 нс.

Также следует отметить сравнительно небольшую задержку распространения сигнала в микросхемах CMT8602x: ее типовое значение для переднего и заднего фронтов (t_PDLHx и t_PDHLx) равно 35 и 40 нс, соответственно, а максимальное – 45 и 50 нс (рисунок 13).

Рис. 13. График задержки распространения сигнала в микросхемах CMT8602x

Типовая схема включения драйверов серии CMT8602x показана на рисунке 14

Рис. 14. Типовая схема включения микросхем CMT8602x

Как видно из этого рисунка, основное предназначение данной микросхемы – управление так называемой полумостовой конфигурацией ключей, которая может использоваться в таких распространенных топологиях силовых импульсных преобразователей, как синхронный понижающий/повышающий источник, изолированная полумостовая/полномостовая схема, а также драйвер трехфазного двигателя, например, BLDC. При этом наличие функции отключения формирования мертвого времени дает возможность одновременно удерживать оба канала во включенном состоянии, что позволяет использовать CMT8602x в качестве сдвоенного драйвера транзисторов только нижней или только верхней стороны.

Микросхемы серии CMT8602x доступны в узком (SO-16) и широком (SOW-14, SOW-16) корпусах. В первом случае напряжение пробоя изоляции между цифровой и силовой частями (область «Reinforced Isolation» на рисунке 14) составит 3,75 кВ_RMS, во втором – 5,75 кВ_RMS. Кроме того, следует иметь в виду, что все три корпуса обеспечивают достаточно хорошую межканальную развязку – постоянное напряжение между верхней и нижней сторонами (область «Functional Isolation») может достигать значения 1500 В.

Драйверы CMT8602X соответствуют стандартам сертификации таких организаций, как:

• Underwriters Laboratories (UL1577);
• VDE Association (DIN VDE V 0884-11:2017-01);
• Canadian Standards Association (CSA IEC 60950-1, IEC 62368-1, IEC 61010-1 и IEC 60601-1);
• China Quality Certification Centre (CQC GB4943.1-2022).

Модели семейств CMT8308x и CMT10xx

Выше уже отмечалось, что изолированные каналы связи могут быть реализованы при помощи цифровых изоляторов общего применения (CMT812x, CMT804x и CMT826x) совместно со специализированными микросхемами, формирующими физический уровень соответствующего интерфейса. Однако такой подход требует наличия двух микросхем – изолятора и преобразователя уровня сигналов – а также элементов обвеса для каждого из них (как минимум, блокировочных конденсаторов по питанию). Это увеличивает площадь, занимаемую на печатной плате схемой формирования канала связи, что не всегда является приемлемым, особенно когда речь идет о проектировании портативных устройств и систем. Поэтому для наиболее популярных промышленных интерфейсов (RS-485 и CAN) компания HOPERF выпустила линейки специализированных микросхем CMT8308x и CMT10xx, совмещающих в себе цифровой изолятор и преобразователь уровня сигналов. Использование данных интегральных схем позволяет сэкономить свободное место на печатной плате устройства, а также снизить стоимость монтажа элементов (рисунок 15).

Рис. 15. Место, занимаемое на печатной плате: а) изолятором и преобразователем уровня сигналов; б) микросхемой CMT8308x

Кроме того, модели семейств CMT8308x и CMT10xx поддерживают достаточно широкий диапазон напряжения питания со стороны управляющей логики: VDD1 = +2,7…+5,5 В. Это позволяет подключать их напрямую к микроконтроллерам, запитанным от шин как +3,3 В, так и +5,0 В, без использования каких-либо дополнительных схем согласования уровня сигнала. Также рассматриваемые микросхемы имеют достаточно высокое значение коэффициента CMTI (±150…±200 кВ/мкс), что обеспечивает корректную передачу данных даже при работе в условиях сильных электромагнитных и коммутационных помех.

Приемопередатчики CMT8308x

Модели CMT8308x представляют собой изолированные приемопередатчики, совместимые с промышленным стандартом RS-485 (EIA-485) и поддерживающие скорости передачи данных вплоть до 12 Мбит/с. При этом в семействе присутствуют варианты, имеющие возможность работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах. За счет применения новых технологий рассматриваемые микросхемы имеют не только хорошую помехоустойчивость, но и малое энергопотребление. Наличие встроенной схемы, ограничивающей скорость нарастания напряжения на интерфейсных линиях, уменьшает отражение сигнала и воздействие помех, излучаемых приемопередатчиком в случае его работы на рассогласованную шину. Также данный защитный узел дает высокий логический уровень на выходе приемника даже при обрыве его входных линий или их замыкании. Кроме того, все модели семейства CMT8308x имеют защиту от перегрева, переводящую выходы драйвера в высокоимпедансное состояние при нагреве кристалла до 165°С, а также возвращающую трансивер в нормальный режим работы при его остывании до 145°С.

Сопротивление приемопередатчика со стороны интерфейса составляет минимум 96 кОм (¹/₈ Unit Load), что позволяет подключать к шине RS-485 до 256 микросхем семейства CMT8308x. Напряжение пробоя изоляции микросхемы равно 5 кВ_(RMS), а его интерфейсные линии имеют защиту от электростатического разряда уровня ±12 кВ относительно общего провода изолированной стороны. Основные электрические параметры трансиверов приведены в таблице 2.

Все модели семейства CMT8308x соответствуют стандартам сертификации таких организаций, как:

• Underwriters Laboratories (UL1577);
• VDE Association (DIN VDE V 0884-11:2017-01);
• Canadian Standards Association (CSA Component Acceptance Notice 5A);
• China Quality Certification Centre (CQC GB4943.1-2022);
• IEC 61000-4-2 (±12kV ESD).

Таблица 2. Основные технические параметры микросхем CMT8308x

¹ – типовое значение для передатчика/приемника при напряжении питания VDD1 = VDD2 = +5,0 В, температуре окружающей среды 25°С и емкости нагрузки приемника 15 пФ;
² – типовое значение для управляющей/интерфейсной стороны (VDD1/VDD2) при напряжениях питания VDD1 = +3,3 В, VDD2 = +5,0 В и температуре окружающей среды 25°С;
³ – по UL1577 (1 минута при коэффициенте 1,0; 1 секунда при коэффициенте 1,2);
⁴ – типовое значение для управляющей/интерфейсной стороны (VDD1/VDD2) при напряжении питания VDD1 = VDD2 = +5,0 В и температуре окружающей среды 25°С.

Данные микросхемы доступны только в широком корпусе SOW-16. Назначение контактов у конкретных моделей, а также типовые схемы их включения показаны на рисунке 16 (номинал блокировочных конденсаторов по питанию VDD1 и VDD2 составляет 0,1 мкФ).

Рис. 16. Назначения выводов и блок-схемы CMT8308x

Микросхемы CMT10xx

Модели семейства CMT10xx – это изолированные приемопередатчики, полностью соответствующие международному стандарту ISO11898-2 и предназначенные для работы с шиной CAN (таблица 3). Данные трансиверы обеспечивают скорость передачи данных до 5 Мбит/с, а задержка распространения сигнала от входа их передатчика до выхода приемника (так называемая «задержка в петле») не превышает 220 нс. Благодаря применению передовых технологий рассматриваемые микросхемы имеют высокую помехоустойчивость, а также малое энергопотребление. Интерфейсные линии микросхем семейства CMT10xx имеют достаточно широкий диапазон рабочих напряжений, а встроенная схема ограничения тока защищает выходной каскад передатчика от повреждений, вызванных его коротким замыканием на положительную шину питания или на общий провод. Также данные трансиверы имеют защиту от перегрева, которая при превышении теплового порога отключает выходы драйвера от выводов микросхемы до тех пор, пока температура кристалла не нормализуется.

Приемопередатчики семейства CMT10xx специально спроектированы так, чтобы не нарушать работоспособность шины CAN даже в случае возникновения неисправностей. Например, все микросхемы этого семейства имеют защитную функцию TXD Dominant Timeout, позволяющую отключить их от шины при длительном удержании доминантного состояния (такая ситуация может появиться при возникновении программного или аппаратного сбоя).

Время нахождения трансивера в доминантном состоянии отсчитывается при помощи встроенного таймера, перезапускающегося от заднего фронта сигнала на линии TXD. В случае превышения таймером порогового значения выход микросхемы принудительно переводится в рецессивное состояние, независимо от уровня сигнала на входе передатчика (при этом таймер останавливается). Кроме того, при отсутствии питания все цифровые и интерфейсные выводы микросхем семейства CMT10xx переходят в высокоимпедансное состояние, что не позволяет им оказывать какое-либо влияние на шину.

Таблица 3. Основные электрические параметры трансиверов семейства CMT8308x

¹ – максимальное значение при напряжении питания VDD1 = +3,3 В, VDD2 = +5,0 В и температуре окружающей среды 25°C;
² – типовое значение для управляющей стороны (VDD1) при температуре окружающей среды 25°С (доминантное состояние);
³ – по UL1577 (1 минута при коэффициенте 1,0; 1 секунда при коэффициенте 1,2).

Данные изоляторы интерфейса соответствуют стандартам сертификации усиленной изоляции таких организаций, как:

• Underwriters Laboratories (UL1577);
• VDE Association (DIN VDE V 0884-11:2017-01);
• Canadian Standards Association (CSA Component Acceptance Notice 5A);
• China Quality Certification Centre (CQC GB4943.1-2022).

Приемопередатчики CMT8308x доступны в широких корпусах SOW-8 и SOW-16 (рисунок 17), а их типовая схема включения представлена на рисунке 18.

Рис. 17. Назначения выводов CMT8308x

Рис. 18. Типовая схема включения приемопередатчиков серии CMT10xx

Дополнительные материалы

1. Цифровые изоляторы CMT от HOPERF: драйверы затворов, RS-485 и CAN с усиленной защитой