Умные изоляторы: компоненты Maxim для изоляции цифровых сигналов

21 декабря 2016

телекоммуникацииMaxim Integratedстатья

Напряжение изоляции до 5 кВ, скорость передачи данных до 150 Мбит/с, мониторинг внутреннего состояния, от двух до шести одно- и двунаправленных каналов, взаимодействие с разными типами микросхем за счет возможного смещения логических уровней – все это цифровые изоляторы производства Maxim Integrated.

Проблема изоляции является одной из основополагающих в электронике/ Особую роль изоляция выполняет в системах гальванической развязки между отдельными электрическими цепями с разными источниками питания. На смену традиционно используемым здесь оптронам и импульсным трансформаторам пришли комплексные интегральные решения с универсальными цифровыми интерфейсами по входу и выходу.

Подобные полупроводниковые компоненты, выпускаемые в стандартных корпусах, сегодня принято называть изоляторами или изолирующими микросхемами. Они обеспечивают высокую скорость передачи данных и при этом позволяют защищать отдельные цепи от импульсных выбросов напряжения высокого уровня, устраняют последствия возможных замыканий через цепь заземления для входных и выходных цепей, имеют ряд встроенных технологий для контроля уровня передаваемых сигналов и исключения ложных срабатываний. Изолирующие микросхемы находят широкое применение в промышленном и телекоммуникационном оборудовании, медицинской технике, системах контроля и управления.

Технологии цифровых изоляторов Maxim

В обширнейшем ассортименте полупроводниковых продуктов производства компании Maxim Integrated имеется большой выбор изоляторов цифровых цепей, которые способны выдерживать приложенное к изоляционному барьеру высокое напряжение (до 5 кВ) и поддерживают скорость передачи данных до 150 Мбит/c. Выполненные с использованием фирменной технологии в монолитных стандартных корпусах цифровые изоляторы Maxim обладают высокими изолирующими свойствами, при этом имеют пониженные требования по питанию и занимают на печатной плате небольшую площадь.

Оснащенные цифровыми интерфейсами изоляторы Maxim включают ряд конструктивных вариантов и канальных конфигураций, технологий мониторинга внутреннего состояния. Наряду с изолируемыми каналами одного направления, работающими на вход или выход, имеются микросхемы с двунаправленными каналами, по которым данные передаются в обе стороны, в зависимости от текущей ситуации.

Двунаправленные каналы изоляторов имеют выходы с открытым стоком и не требуют отдельного управления направлением передачи. Низкий логический уровень на одной стороне вызывает появление низкого уровня на соответствующем выводе с другой стороны. Выходы двунаправленных каналов выполнены по схеме с открытым стоком и должны быть подключены к источнику питания через внешние нагрузочные резисторы, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Пример использования МАХ 14937

Рис. 1. Пример использования МАХ 14937

В двунаправленных каналах порог входного низкого логического уровня (VIL) на I/OA1 и I/OA2 будет по крайней мере на 50 мВ ниже, чем выходное напряжение низкого логического уровня на тех же выводах I/OA1 и I/OA2. Это предотвращает передачу на сторону В низкого выходного уровня А в качестве транслируемого логического входного уровня, препятствуя тем самым ошибочному переключению уровня.

Предотвратить ложные логические сигналы на выходе изоляторов позволяет также специальная блокировка в процессе включения и выключения питания и при провалах питающего напряжения в процессе работы. В этом случае все выходы однонаправленных каналов переходят в состояние по умолчанию, а выходы двунаправленных каналов переводятся в высокоимпедансное состояние.

Некоторые изоляторы Maxim в исходном состоянии (по умолчанию) без входного сигнала могут иметь на выходе как низкий, так и высокий уровень. Необходимую модель нужно подбирать при заказе из каталога.

Цифровые изоляторы Maxim

В таблице 1 представлены основные характеристики цифровых изоляторов производства компании Maxim.

Таблица 1. Основные характеристики цифровых изоляторов Maxim

Наименование Однонаправленные каналы Двунаправленные каналы Напряжение питания, В Рабочая темпера-тура, °C Максимальное напряжение, (60 с, 60 Гц), В
Число каналов Сторона А Сторона В Скорость передачи данных до, Мбит/с Задерж-ка, нс Число кана-лов Скорость передачи данных, Мбит/с Задержка, нс
MAX12931 2 1 1 25 30 0 1,71…5,5 -40…125 5000
MAX14937 0 0 0 2 3,4 115 2,25…5,5 5000
MAX14933 0 0 0 2 3,4 115 2,25…5,5 2750
MAX14930 4 4 0 1/25/150 39 0 1,71…5,5 2750
MAX14931 4 3 1 1/25/150 39 0 1,71…5,5 2750
MAX14932 4 2 2 1/25/150 39 0 1,71…5,5 2750
MAX14934 4 4 0 1/25/150 22 0 1,71…5,5 5000
MAX14935 4 3 1 1/25/150 22 0 1,71…5,5 5000
MAX14936 4 2 2 1/25/150 22 0 1,71…5,5 5000
MAX14842 4 4 0 50 30 2 2 100 3…5,5 72 (DC)
MAX14850 4 2 2 50 30 2 2 100 3…5,5 600

Электрическая прочность изоляционного барьера в этих цифровых изоляторах подтверждена целой серией испытаний в соответствии со стандартом IEC 60747-5-5.

Изоляторы контролируются с использованием прикладываемого нормированного синусоидального напряжения 5000 В или 2750 В (60 Гц) в течение 10 секунд (Viso). Также в течение 1 секунды выдерживается повышенное на 120% напряжение (Viotm).

Несколько иную проверку проходят MAX14842 и MAX14850.

Изоляторы, выпускаемые компанией Maxim, подходят для использования со многими промышленными стандартами связи. При совместном использовании с преобразователем уровня входных сигналов и мультиплексором данные цифровые изоляторы обеспечивают комплексное решение, которое экономит пространство конструкции и повышает надежность при пониженном потреблении энергии.

К основным областям применения изоляторов Maxim относятся:

  • управление батареями электропитания;
  • коммуникационные шины промышленной автоматики;
  • гальваническая развязка в технике разного назначения;
  • гальваническая развязка линий в интерфейсах RS-232, RS-485/RS-422, CAN и других;
  • использование в медицинском оборудовании.

Все изоляторы Maxim работают в расширенном температурном диапазоне -40…125°С.

MAX12930 и MAX12931 – двухканальные цифровые изоляторы

Двухканальные изоляторы MAX12930/MAX12931 (рисунок 2) обеспечивают гальваническую развязку цифровых сигналов. Они производятся с использованием фирменного технологического процесса, обеспечивающего высокую прочность изоляции на уровне выше 3,75/5 кВ для Viso. MAX12930/MAX12931 передают цифровые сигналы между устройствами с разными источниками питания, потребляя лишь 0,65 мВт на канал при напряжении питания 1,8 В на скорости 1 Мбит/c.

Рис. 2. Блок-схема МАХ 12930, МАХ 12931

Рис. 2. Блок-схема МАХ 12930, МАХ 12931

Два канала MAX12931 передают данные в противоположных направлениях, что делает MAX12931 идеальным выбором для использования в качестве развязки каналов TX и RX в приемопередатчиках. У MAX12930 оба канала работают в одном направлении.

Оба типа микросхем обладают максимальными скоростями передачи данных до 25 Мбит/с (версии B/E) или 150 Мбит/с (версии C/F), с низким или высоким уровнем на выходе при отсутствии сигнала на входе или при разомкнутой входной цепи. Все это необходимо уточнять при заказе. Независимое питание в широких пределах с каждой стороны изоляторов (1,71…5,5 В) позволяет использовать их в качестве преобразователей уровня.

MAX12930/MAX12931 производятся в 8-выводном узком корпусе типа SOIC. Дополнительно доступен MAX12931 в 16-выводном широком корпусе SOIC. Высокие изоляционные свойства используемого для корпуса материала подтверждает максимальный индекс CTI (Comparative Tracking Index): он составляет более 600.

Основные характеристики MAX12930/MAX12931:

  • Надежная гальваническая развязка цифровых цепей:
    • выдерживает синусоидальное напряжение 5 кВ (rms) (Viso) в течение 60 с (широкий корпус);
    • выдерживает синусоидальное напряжение 3,75 кВ (rms) (Viso) в течение 60 с (узкий корпус);
    • выдерживает постоянное напряжение 848 В (rms) (Viowm) (широкий корпус);
    • выдерживает постоянное напряжение 445 В (rms) (Viowm) (узкий корпус);
    • выдерживает импульсное напряжение ±10 кВ между GNDA и GNDB для длительности импульса 1,2/50 мкс;
    • имеет высокую синфазную помехоустойчивость (Сommon-Мode Transient Immunity, CMTI) 50 кВ/мкс, тип.;
  • Варианты использования:
    • 2 максимальных скорости (25 и 150 Мбит/c);
    • 2 конфигурации каналов;
    • возможны два состояния выхода по умолчанию (высокий или низкий уровень);
  • Малое потребление энергии:
    • 1,3 мВ на канал, при VDD = 3,3 В, 1 Мбит/c;
    • 3,3 мВт на канал при VDD = 1,8 В, 100 Мбит/c.

MAX14937 – двунаправленный двухканальный цифровой изолятор

Двухканальный цифровой изолятор MAX14937 (рисунок 3) предназначен для передачи цифровых сигналов между двумя устройствами с отдельными источниками питания. Высокая прочность изоляции MAX14937 подтверждена испытательным напряжением в 5 кВ.

Рис. 3. Блок-схема МАХ 14937

Рис. 3. Блок-схема МАХ 14937

MAX14937 включает два двунаправленных канала с открытым стоком для применения в таких системах как I2C, которые требуют двунаправленной передачи данных по одной и той же линии. Каждая сторона изолятора использует независимое питание в диапазоне 2,25…5,5 В. MAX14937 поддерживает передачу данных с тактовой частотой до 1,7 МГц, замедляемой при необходимости.

Эти изоляторы выпускаются в 16-выводном широком корпусе SOIC 10,3×7,5 мм.

Основные характеристики МАХ14937:

  • Надежная гальваническая развязка цифровых цепей:
    • выдерживает синусоидальное напряжение 5 кВ (rms) (Viso) в течение 60 секунд;
    • выдерживает постоянное напряжение 848 В (rms) (Viowm);
    • выдерживает пиковое повторяющееся напряжение 1200 В;
    • выдерживает импульсное напряжение ±10 кВ (по IEC 61000-4-5).
  • Прямая совместимость с большинством типов микросхем и ПЛИС:
    • напряжение питания 2,5…5,5 В;
    • двунаправленная передача данных на частоте до 1,7 МГц.
  • Незначительное потребление энергии:
    • 5,3 мА на канал при частоте сигнала 1,7 МГц.

MAX14933 – двунаправленный двухканальный цифровой изолятор

MAX14933 – двухканальный изолятор (рисунок 4), выдерживающий испытательное напряжение до 2,75 кВ. MAX14933 позволяет передавать цифровые сигналы между двумя устройствами с разными источниками питания и включает два двунаправленных канала с открытым стоком на выходе. Эта микросхема предназначена для использования с сигналами I2C и в тех случаях, когда требуется передача данных по одной и той же линии в разных направлениях.

Рис. 4. Блок-схема МАХ 14933

Рис. 4. Блок-схема МАХ 14933

С каждой стороны изолятора используются отдельные источники питания с уровнем напряжения 2,25…5,5 В. Устройство пропускает цифровые сигналы с частотой 0…1,7 МГц и может быть использовано для изоляции шин I2C с понижаемой тактовой частотой.

MAX14933 выпускается в 16-выводном корпусе типа SOIC в двух исполнениях: широком, 10,3×7,5 мм, и узком, 9,9×3,9 мм.

Основные характеристики МАХ14933:

  • Надежная гальваническая развязка цифровых цепей:
    • выдерживает синусоидальное напряжение 2,75 кВ (rms) (Viso) в течение 60 секунд;
    • выдерживает постоянное напряжение 443 В (rms) (Viowm);
    • выдерживает пиковое повторяющееся напряжение 630 В;
    • выдерживает импульсное напряжение ±10 кВ (по IEC 61000-4-5).
    • Выпускается в двух типах корпусов (зазор и путь утечки между выводами по 4 или 8 мм).
  • Прямая совместимость с большинством типов микросхем и ПЛИС:
    • напряжение питания 2,5…5,5 В;
    • двунаправленная передача данных на частоте до 1,7 МГц.
  • Незначительное потребление энергии:
    • 5,3 мА на канал при частоте сигнала 1,7 МГц.

MAX14930/31/32 –четырехканальные изоляторы 2,75 кВ

MAX14930/31/32 (рисунок 5) составляют семейство четырехканальных изоляторов, выдерживающих испытательное напряжение 2,75 и 3,75 В. В качестве уменьшенной в размерах модификации в корпусах QSOP выпускаются также подобные четырехканальные изоляторы MAX14130 и MAX14131 на максимальное напряжение 1 кВ.

Рис. 5. Блок-схема MAX 14930, MAX 149331, MAX 14932

Рис. 5. Блок-схема MAX 14930, MAX 149331, MAX 14932

MAX14930/31/32 передают цифровые сигналы между двумя цепями с разными источниками питания. Имеются три возможные конфигурации однонаправленных каналов, что позволяет использовать эти изоляторы в разнообразных конструкциях, включая SPI, RS-232, RS-485 и цифровые каналы ввода/вывода.

Для MAX14930/31/32 имеются разные исполнения по максимальной скорости передаваемых данных: до 1 Мбит/c, 25 Мбит/c или 150 Мбит/c. Каждое устройство доступно с низким или высоким выходным логическим уровнем по умолчанию, когда на входной стороне отсутствует напряжение сигнала. Необходимо учитывать это при заказе компонентов.

Расширенный диапазон напряжений питания, составляющий 1,71…5,5 В на каждой стороне, позволяет также использовать эти микросхемы в качестве преобразователей уровня.

Данные изоляторы выпускаются в 16-выводных широких (10,3×7,5 мм) и узких (9,9×3,9 мм) корпусах SOIC. Они доступны и в 16-выводном корпусе QSOP 6×5 мм.

Основные характеристики MAX14930, MAX149331 и MAX14932:

  • Надежная гальваническая развязка цифровых цепей:
    • выдерживает синусоидальное напряжение 3,75 кВ (rms) (Viso) в течение 60 секунд;
    • выдерживает постоянное напряжение 443 В (rms) (Viowm);
    • выдерживает пиковое повторяющееся напряжение 630 В (Viorm);
    • выдерживает импульсное напряжение ±10 кВ (по IEC 61000-4-5).
  • Прямая совместимость с большинством типов микросхем и ПЛИС:
    • напряжение питания 1,7…5,5 В;
  • Варианты использования:
    • три модификации микросхем по максимальной скорости передачи данных: 1 Мбит/c, 25 Мбит/c, 150 Мбит/c;
    • три конфигурации каналов;
    • возможны два состояния выхода по умолчанию: высокий или низкий;
    • три типа корпуса. Путь утечки и зазор между выводами: 3,8 мм, 4 мм или 8 мм;
  • Малое энергопотребление при высокой скорости передаваемых данных:
    • при напряжении питания 1,8 В: 2,5 мА на канал при 1 Мбит/c и 5,25 мА на канал при 100 Мбит/c;
    • при напряжении питания 3,3 В: 2,6 мА на канал при 1 Мбит/c и 7,1 мА на канал при 100 Мбит/c.

MAX14934/35/36 – четырехканальные изоляторы 5 кВ

Семейство четырехканальных изоляторов MAX14934/35/36 (рисунок 6) предназначено для передачи цифровых сигналов между цепями с разными источниками питания. Высокая прочность изоляции между входом и выходом у MAX14934/35/36 подтверждена испытательным напряжением 5 кВ. Данное семейство обеспечивает три однонаправленных канальных конфигурации, которые подойдут для применения в интерфейсах SPI, RS-232, RS-485 и сопряжения входов и выходов в разных цифровых модулях.

Рис. 6. Блок-схема MAX 14934, MAX 14935, MAX 14936

Рис. 6. Блок-схема MAX 14934, MAX 14935, MAX 14936

Доступны модификации с максимальными скоростями передаваемых данных до 1, 25 и 150 Мбит/с. Когда вход обесточен, выход изоляторов находится в состоянии по умолчанию, которое возможно с высоким или низким уровнем. Необходимо учитывать это при заказе.

Независимый выбор напряжения питания для входа и выхода в диапазоне 1,71…5,5 В позволяет использовать эти изоляторы и качестве преобразователей уровня.

Данные изоляторы выпускаются в 16-выводном корпусе SOIC 10,3×7,5 мм.

Основные характеристики MAX14934/35/36:

  • Надежная гальваническая развязка цифровых цепей:
    • выдерживает синусоидальное напряжение 5 кВ (rms) (Viso) в течение 60 секунд;
    • выдерживает постоянное напряжение 848 В (rms) (Viowm);
    • выдерживает пиковое повторяющееся напряжение 1200 В (Viorm);
    • выдерживает импульсное напряжение ±10 кВ (по IEC 61000-4-5).
  • Прямая совместимость с большинством типов микросхем и ПЛИС:
    • напряжение питания 1,71…5,5 В.
  • Варианты использования:
    • три модификации микросхем по максимальной скорости передачи данных: 1, 25 и 150 Мбит/c;
    • три конфигурации каналов;
    • два состояния выхода по умолчанию: высокий или низкий уровень.
  • Малое энергопотребление при высокой скорости передаваемых данных:
    • при напряжении питания 1,8 В: 2,5 мА на канал при 1 Мбит/c и 5,25 мА на канал при 100 Мбит/c.
    • при напряжении питания 3,3 В: 2,6 мА на канал при 1 Мбит/c и 7,1 мА на канал при 100 Мбит/c.

MAX14850 – шестиканальный изолятор

Выполненная в монолитном, компактном корпусе микросхема MAX14850 (рисунок 7) является 6-канальным изолятором для цифровых сигналов, передаваемых между двумя устройствами с разными источниками питания. Фирменная технология компании Maxim Integrated обеспечивает незначительную потребляемую мощность в расширенном диапазоне температур.

Рис. 7. Блок-схема MAX 14850

Рис. 7. Блок-схема MAX 14850

Четыре однонаправленных канала, сгруппированных по два канала в каждую сторону, обеспечивают передачу данных со скоростью до 50 Мбит/с. Два двунаправленных канала имеют выходы с открытыми стоками и поддерживают скорость до 2 Мбит/с.

Независимое питание с напряжением 3,0…5,5 В для входной и выходной стороны изолятора позволяет использовать изолирующую микросхему также и как преобразователь уровня. MAX14850 может применяться для изоляции в шинах SPI, I2C, RS-232, RS-485/RS-422 и в прочих схемах. При использовании MAX14850 в качестве шинного изолятора остающиеся дополнительные каналы можно задействовать для мониторинга питания и передачи сигналов сброса (рисунок 8).

Рис. 8. Пример использования MAX 14850

Рис. 8. Пример использования MAX 14850

MAX14850 выпускается в узком шестивыводном корпусе SOIC 10×4 мм (имеется оценочный комплект) и в 16-выводном корпусе QSOP 3,9×4,94 мм.

Основные характеристики MAX14850:

  • Защита от повышенного напряжения:
    • защитная изоляция при напряжении 600 В (rms) в течение 60 секунд;
    • защита от короткого замыкания на однонаправленных выходах;
    • защитная изоляция в течение 50 лет при напряжении 200 В (rms).
  • Комплексное решение для изоляции цифровых цепей:
    • четыре однонаправленных канала: 2 на вход/2 на выход;
    • два двунаправленных канала с открытым стоком;
    • однонаправленная передача данных до 50 Мбит/с;
    • двунаправленная передача данных до 2 Мбит/с.
  • Совместимость с интерфейсами:
    • I2C;
    • SPI;
    • RS-232, RS-422/RS-485;
    • SMBus, PMBus.

MAX14842 – шестиканальный изолятор со смещением опорного уровня

Изолятор MAX14842 (рисунок 9) способен транслировать цифровые сигналы между двумя устройствами со смещением напряжения между их общими выводами (GND) до 72 В. Изолятор включает два двунаправленных и четыре однонаправленных канала, сгруппированных по два канала в каждом направлении. Два отдельных источника питания определяют независимые логические уровни с каждой стороны изолятора.

Рис. 9. Блок-схема MAX 1482

Рис. 9. Блок-схема MAX 1482

MAX14842 поддерживает скорость передачи данных до 30 Мбит/с на четырех однонаправленных каналах и до 2 Мбит/с на двунаправленных каналах. Выходы с открытым стоком на двунаправленных каналах позволяют использовать их с сигналами I2C, при этом поддерживается замедление тактовой частоты в процессе передачи.

Система блокировки пониженного напряжения гарантирует предопределенное состояние выходов при включении и выключении питания, а также при импульсных помехах по цепи питания. Для надежного функционирования необходимо следить за выполнением условия: 0 В ≤ (VGNDB – VGNDA) ≤ 72 В. Необходимо учесть, что GNDB должно быть больше или равно GNDA.

MAX14842 выпускаются в 16-выводном корпусе TQFN.

Основные характеристики MAX14842:

  • возможная разница между напряжениями на выводах GND не более +72 В (rms);
  • четыре двунаправленных канала: 2 на вход/2 на выход;
  • два двунаправленных канала;
  • совместимость с I2C;
  • поддержка I2C с замедлением тактовой частоты;
  • скорость передачи на однонаправленных каналах: до 30 Мбит/с;
  • скорость передачи на двунаправленных каналах: до 2 Мбит/с;
  • смещение уровня напряжения: от +3,3 В до +5 В;
  • защита от пониженного напряжения (Undervoltage Lockout);
  • 16-выводной корпус TQFN 4×4 мм;
  • расширенный температурный диапазон -40…125°C.

MAX14842 найдут применение в телекоммуникационных и медицинских системах, при передаче питания через Ethernet, мониторинге батарейного питания, в шинах I2C, SMBusK, SPI и MICROWIRE. Пример использования MAX14842 приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Типичная схема использования MAX 1482

Рис. 10. Типичная схема использования MAX 1482

Заключение

В условиях бурного развития телекоммуникационных технологий, сетей и систем связи появился такой тип микросхем как изоляторы цифровых цепей, призванные обеспечить развязку по питанию и защиту для оборудования, использующего современные высокоскоростные интерфейсы SPI, RS-485/422, RS-232, I2C и другие.

Гальваническая развязка c использованием изоляторов производства компании Maxim Integrated позволяет решать целый ряд задач, включая защиту чувствительных электрических цепей от повреждения импульсами повышенного напряжения, вплоть до пробоя и фатальных последствий. Изоляторы напрямую взаимодействуют с разными типами микросхем за счет возможного смещения логических уровней. Встроенные технологии внутреннего мониторинга позволяют автоматически контролировать выходной уровень при включении, выключении и провалах по уровню питающего напряжения.

Подбор оптимального варианта изолятора Maxim Integrated упрощает разнообразие имеющихся конфигураций каналов, а также поддерживаемых скоростей передачи данных при различных параметрах изоляционного барьера.

Литература

1. https://www.maximintegrated.com/en/products/interface/isolation.html.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее