Гальваническая развязка – новые рецепты от Texas Instruments

24 мая 2011

Бурно развивающаяся отрасль производства электронной аппаратуры диктует свои правила: уменьшение объемов изделия, увеличение интеграции, энергосбережение, обеспечение надежного уровня безопасности. Соответственно, растут требования и к компонентам разрабатываемых устройств. Texas Instruments (TI) предлагает практически всю номенклатуру производства электронной аппаратуры и в каждом сегменте является одним из лидеров.

Мы уже не раз писали в нашем журнале о микросхемах TI для гальванической развязки цифровых сигналов (изоляторы ISO). В этой статье мы обсудим новые продукты данной категории в свете постоянно меняющихся требований к электронным устройствам.

Микросхемы для гальванической
развязки цифровых сигналов (изоляторы)

TI предлагает широкую линейку микросхем, предназначенных для развязки цифровых сигналов различных скоростей (от постоянного сигнала до 150 Мбит/с), выпускаются одно- и двунаправленные модификации, содержащие от одного до четырех каналов (таб­лица 2). За счет повышения уровня интеграции многоканальные изоляторы позволяют сэкономить место на плате.

Микросхемы могут применяться в распространенных цифровых интерфейсах в различных промышленных приложениях. Все изоляторы имеют однополярное питание 3/5 В, логические КМОП-уровни переключения. Номинальное напряжение питания находится в диапазоне 3,3…5,0 В как для VCC1, так и для VCC2. Возможна различная их комбинация.

Все микросхемы с тремя цифрами в наименовании являются одноканальными (ISO721). В изоляторах с четырьмя цифрами две первые означают серию, предпоследняя говорит о количестве каналов, а последняя — о каналах с обратным направлением передачи данных. Например, ISO7241 часто применяется для гальванической развязки SPI-интерфейса и имеет четыре канала: передачи данных, приема, тактирования, и выбора устройства (рис. 1).

Рис. 1. Структура изолятора ISO7241

Для развязки цепей передачи данных в микросхемах TI используется емкостной барьер с изолятором из диоксида кремния (SiO₂). Технология характеризуется высокой степенью надежности, низкими задержками времени распространения сигнала (от 7 нс), малыми искажениями сигнала и задержками «канал-канал» (от 1 нс), высокой устойчивостью к электромагнитному полю, а также широким температурным диапазоном работы (-55…125°С).

Индекс EP (ISO721M-EP, ISO7241A-EP) указывает на расширенный температурный диапазон работы -55…125°С, большинство остальных микросхем имеют диапазон -40…125°С. В ближайшем будущем в продаже появятся ISO7221-HT; индекс HT означает высокотемпературное и высоконадежное применение в жестких температурных условиях, например, в нефтедобывающей отрасли. Эти изделия будут изготовлены из высокотемпературного пластика, способного выдерживать температуры -55…175°С.

Стоит обратить отдельное внимание на новое семейство двухканальных развязок для применений с малым энергопотреблением ISO7420/7421 — семейство развязок с потреблением тока порядка 1,5 мА на канал. В продаже появилась ISO7420FE, суффикс F означает, что в случае аварийного состояния входных линий, выход будет переведен в положение с низким уровнем, защищая, таким образом, выходные цепи.

Вслед за Европой в России в скором времени планируется ужесточение требований безопасности для ответственных применений. Например, в Европейских странах действует постановление о двукратном запасе по напряжению пробоя изоляции для медицинских применений; таким образом, устройство должно выдерживать пробой напряжением до 5000 В RMS в течении минуты. Texas Instruments выпустила двухканальные изоляторы ISO7520 и ISO7521 с напряжением пробоя 5000 В RMS, отличающихся друг от друга направлением передачи данных второго канала.

Изоляторы с интегрированными трансиверами

Следующий шаг в сторону повышения интеграции и, соответственно, уменьшения размеров конечных устройств компания сделала, выпустив широкую линейку изолированных трансиверов для передачи данных большинства промышленных стандартов с напряжением пробоя изоляции не менее 2500 В RMS (таблица 1). В этой линейке TI также представила микросхему с двойным изолирующим барьером с напряжением пробоя 5000 В RMS и интегрированным CAN-трансивером ISO1050DW.

Таблица 1. Линейка изолированных трансиверов промышленных стандартов 

Таблица 2. Линейка микросхем, предназначенных для развязки цифровых сигналов  

Особый интерес у разработчиков проявляется к новым сериям микросхем гальванической развязки со встроенными трансиверами RS-485/ProfiBus и драйверами для трансформатора — это микросхемы ISO1176T, ISO35T и готовящаяся к продаже в ближайшее время ISO3086T.

Устройства отличаются от описанных в НЭ №8/2010 индексом T, свидетельствующем о том, что микросхемы имеют выход драйвера преобразователя, состоящего из генератора и мультивибратора генерирующего комплементарную пару импульсов прямоугольной формы с 50% коэффициентом заполнения. Эти два сигнала управляют силовыми N-канальными транзисторами (рис. 2). Драйвер обеспечивает ток до 200 мА, чего более чем достаточно для питания линий передачи RS-485 и пары вспомогательных микросхем.

Рис. 2. Упрощенная схема трансформаторного драйвера

Для того чтобы понять преимущества новых микросхем, вернемся к классической схеме (рис. 3) реализации RS-485, рассмотренной в НЭ №8/2010.

Рис. 3. Классическая схема реализации RS-485

Питание в схеме организовано на базе высокоэффективного модуля DCH010505D компании Texas Instruments, имеющего гальваническую развязку 3 кВ в стандартном SIP-7 корпусе.

Для развязки линий передач использован цифровой изолятор ISO7231A, имеющий скорость передачи данных 1 Мбит, емкостную развязку 2,5 кВ RMS и наименьшие среди аналогов других производителей задержки. Трансивер RS-485 без развязки SN65HVD1781 от TI тоже выбран не случайно, он является одним из самых надежных в отрасли (см. НЭ №8/2010).

Теперь посмотрим, что получится, если решать такую задачу с помощью ISO35T (рис. 4).

Рис. 4. Дуплексный изолированный 1 Мбит RS-485

Такое решение позволяет сэкономить на дорогостоящих DC/DC-изолированных источниках питания, которые используются для подачи питания на сторону линий передачи данных трансивера (в нашем случае — DCH010505D), а также сократить занимаемую компонентами площадь на плате, что ведет к уменьшению объемов изделия и снижению стоимости производства самой печатной платы. Решение состоит из:

• Микросхемы ISO35T;
• Трансформатора SUMIDA серии CER95 (цена в КОМПЭЛе от 1,3$ при заказе от 1000 шт.);
• Двух выпрямительных диодов MBR0520LT3G (ON Semiconductor) или STPS0520Z от ST Microelectronics (цена в КОМПЭЛе от 0,05$ при заказе от 1000 шт.);
• Микросхемы TPS76333 (LDO 3,3В) или TPS76350 (LDO 5В) в корпусе SOT23 (цена в КОМПЭЛе от 0,35$ при заказе от 1000 шт.);
• Одного танаталового конденсатора, желательно с низким (ESR) 0,3…10Ом, например, Vishay (цена в КОМПЭЛе от 0,25$ при заказе от 1000 шт.);
• Четырех керамических конденсаторов.

Итоговая цена изолированного DC/DC-преобразователя в такой схеме вышла около 2$. Для сравнения цена на DCH010505D составляет порядка 5$.

Все изолированные трансиверы разработаны для возможности передачи данных на большие расстояния, так как контур «земляной петли», наводящей помехи, разорван, и становится возможным использование намного большего диапазона напряжений в схеме без опасения пробоя. Изоляторы в течение минуты проходят тестирование на обеспечение 2,5 кВ RMS между трансивером и входной логикой.

 ISO1176T — изолированный трансивер, полностью соответствующий стандартам ProfiBus, с напряжением изоляции 2500 В, скоростью передачи до 40 Мбит/с, с драйвером трансформатора DC/DC-преобразователя.

Для изделий ISO1176T, ISO35T и ISO3086T существует универсальный отладочный набор ISO1176T,35T,3086T EVM, подходящий для пробного использования любого из этих устройств, c установленным на плате трансформатором, диодами, линейным стабилизатором и разъемами для подключения.

Отдельно стоит отметить такое, казалось бы, простое устройство, использующееся в изоляторах TI, как супервизор питания. По сути это некоторый гистерезис по порогам питающего напряжения, который не позволяет передавать данные в момент подачи и снятия напряжения питания. Отсутствие такого модуля в бюджетных решениях конкурентов приводит к непредсказуемому дребезгу на выходе микросхемы изолятора, что в лучшем случае приведет к искажению пакета данных, а в худшем — к аварийной ситуации.

Заключение

Любые линии передачи могут быть подвержены воздействию помех, созданных переходными процессами от различных источников. Эти помехи при условии большой амплитуды и длительности могут повредить трансивер и ухудшить безопасность изделия. Развязка позволяет значительно увеличить защиту и уменьшить риск повреждения. А новые решения от Texas Instruments позволят удешевить и уменьшить изделие не только не в ущерб безопасности, но где-то даже и повышая ее.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: mcu.vesti@compel.ru