«К барьеру!» – Новые цифровые изоляторы Maxim

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Цифровые изоляторы – незаменимые компоненты различных электронных устройств от источников питания до измерительных приборов. Сейчас на рынке присутствуют несколько крупных производителей цифровых изоляторов, и расстановка сил меняется после выпуска практически каждого нового семейства микросхем. Проведем краткий анализ существующих на рынке решений и рассмотрим новейшие цифровые изоляторы производства компании Maxim Integrated и отладочные наборы к ним.

Современные цифровые изоляторы представляют собой интегральные микросхемы, позволяющие выполнить гальваническую развязку цифровых сигналов (рисунок 1). Изоляция требуется в различных случаях, например, для развязки земли в устройствах с аналоговыми и цифровыми микросхемами, или для обеспечения защиты пользователя и электроники при работе с высоковольтными напряжениями.

Рис. 1. Принцип работы цифрового изолятора

Рис. 1. Принцип работы цифрового изолятора

Ранее для выполнения гальванической развязки использовались оптические изоляторы, однако у них были недостатки: в первую очередь – низкое быстродействие и высокое потребление. Современные изоляторы используют емкостную или индуктивную связь для передачи сигналов. К сожалению, и в том, и другом случае сигналы необходимо модулировать на стороне передатчика и демодулировать на стороне приемника. По этой причине на рынке присутствуют всего несколько производителей, которые смогли успешно решить все проблемы и наладить крупномасштабный серийный выпуск надежных микросхем. Вместе с тем существующие производители находятся в состоянии жесткой конкуренции друг с другом, в результате чего им приходится постоянно улучшать характеристики своей продукции.

Список параметров для описания цифровых изоляторов весьма внушителен. Но для качественной оценки можно обойтись несколькими ключевыми характеристиками, среди которых следует выделить: рейтинг напряжения изоляции, число каналов, скорость передачи данных, время задержки сигналов, наличие встроенного источника питания (ИП), диапазон напряжений питания, диапазон рабочих температур. В таблице 1 представлены характеристики цифровых изоляторов общего назначения от ведущих поставщиков: Maxim Integrated, Analog Devices, Texas Instruments, Silicon Labs.

Таблица 1. Характеристики цифровых изоляторов общего назначения

Компания Число каналов Рейтинг напряжения изоляции, VRMS Частота передачи данных, Мбит/с Задержка сигнала, макс., нс Встроен-
ный ИП
Uпит, В Траб, °C Корпус
Maxim Integrated До 6 До 5000 До 200 8 1,7…5,5 -40…125 QSOP, SOIC, TQFN
Analog Devices До 6 До 5000 До 150 13 + 1,7…5,5 -55…125 QSOP, SOIC, SSOP
Texas Instruments До 6 До 5700 До 150 10,7 + 2,25…5,5 -55…125 SOIC, SSOP
Silicon Labs До 8 До 5000 До 150 13 Только контроллер 2,5…5,5 -40…125 SOIC, QSOP

Как видно из таблицы 1, у каждого из производителей есть сильные и слабые стороны. Например, Texas Instruments предлагает семейство ISO78xx с рекордным рейтингом напряжения 5,7 кВ, а также ISO78Wxx со встроенным источником питания. Silicon Labs выпускает семейство Si838x, у которого есть 8 однонаправленных изолированных каналов с рейтингом напряжения 2,5 кВ. В линейке поставок компании Analog Devices присутствует множество моделей изоляторов с широким диапазоном рабочих напряжений 1,7…5,5 В и расширенным диапазоном температур -55…125°С.

За последний год компания Maxim Integrated также существенно продвинулась в области производства цифровых изоляторов. На настоящий момент изоляторы Maxim Integrated обеспечивают рекордную скорость обмена данными до 200 Мбит/с, минимальную задержку сигнала от 8 нс, широкий диапазон рабочих напряжений 1,7…5,5 В.

Цифровые изоляторы Maxim Integrated общего назначения

В таблице 2 представлены наиболее совершенные цифровые изоляторы общего назначения, производимые компанией Maxim Integrated.

Таблица 2. Характеристики цифровых изоляторов общего назначения от Maxim Integrated

Наименование Конфигурация каналов Двунаправленные каналы Скорость обмена, Мбит/с Рейтинг изоляции, VRMS Максимальная задержка сигнала, нс Uпит, В Траб, °C
MAX2244/5/6 4/0, 3/1, 2/2 200/25 5000 10 1,71…5,5 -40…125
MAX14430/1/2 4/0, 3/1, 2/2 200/25 3750 10/35 1,71…5,5 -40…125
MAX14483 2/4/2 200 3750 13 1,71…5,5 -40…125
MAX14851 2/2/2 2 50 600 13 3…5,5 -40…125
MAX12934/5 2/0, 1/1 200/25 5000 10 1,71…5,5 -40…125

MAX14432/31/30 – семейство четырехканальных цифровых изоляторов с рекордной для отрасли скоростью передачи данных до 200 Мбит/с. Все изоляторы MAX14432/31/30 имеют рейтинг напряжения изоляции 3,75 кВ и широкий диапазон рабочих напряжений 1,7…5,5 В. Между собой линейки отличаются конфигурацией каналов. У MAX14430 присутствуют четыре прямых канала (конфигурация 4/0), у MAX14431 – три прямых и один обратный канал (конфигурация 3/1), у MAX14432 – два прямых и один обратный (конфигурация 2/1).

Возможность работы с малыми значениями напряжений, начиная от 1,7 В, крайне важна для современных малопотребляющих устройств. С одной стороны это гарантирует малое потребление, а с другой – обеспечивает упрощение схемотехнической реализации, так как для питания изолятора может быть использовано то же напряжение, что и для управляющего процессора. Кроме изоляторов производства компании Maxim Integrated столь широким диапазоном напряжений питания обладают только изоляторы производства Analog Devices, например, из семейства ADUM25xx/26xx, но для них скорость передачи ограничена 150 Мбит/с.

Стоит отметить, что MAX14432/31/30 отличаются не только максимальной скоростью передачи данных, но и малым значением максимальной задержки распространения сигнала 10 нс. Семейство изоляторов ISO76xx производства Texas Instruments имеет типовую задержку сигнала 7 нс, но максимальное значение оказывается больше – 10,7 нс.

Таким образом, MAX14432/31/30 становятся идеальным выбором, если требуется цифровой изолятор с максимальным быстродействием.

Для оценки возможностей изоляторов MAX14432/31/30 предлагается использовать отладочные платы MAX14430FSEVKIT; MAX14431FSEVKIT и MAX14432FSEVKIT (рисунок 2). На этих платах, помимо изолятора, установлены высокочастотные SMA-разъемы.

Рис. 2. Внешний вид отладочных плат MAX14430FSEVKIT, MAX14431FSEVKIT и MAX14432FSEVKIT

Рис. 2. Внешний вид отладочных плат MAX14430FSEVKIT, MAX14431FSEVKIT и MAX14432FSEVKIT

MAX2244/5/6 – четырехканальные изоляторы с максимальной скоростью передачи до 200 Мбит/с. Данное семейство по большинству параметров аналогично рассмотренному выше семейству MAX14432/31/30, однако рейтинг напряжения для MAX22444/5/6 оказывается значительно выше и составляет 5 кВ.

Если сравнивать с конкурентами, то MAX22444/5/6 превосходят ISO76xx производства Texas Instruments и по скорости, и по рейтингу напряжения (4,2 кВ у ISO76xx). Рейтинг напряжения у ADUM25xx/26xx также составляет 5 кВ, но скорость передачи данных для них не превышает 150 МБит/с.

Таким образом, MAX22444/5/6 обеспечивают повышенный уровень безопасности без снижения скорости обмена данными.

Для оценки возможностей MAX22444/5/6 предлагается использовать отладочные платы MAX2244XWEVKIT и MAX22445FWEVKIT (рисунок 3). На плате MAX2244XWEVKIT отсутствует микросхема изолятора (распаивается пользователем самостоятельно). На плате MAX22445FWEVKIT распаян изолятор MAX22445FAWE+. Для подключения внешних устройств используются высокочастотные SMA-разъемы.

Рис. 3. Внешний вид отладочных плат MAX2244XWEVKIT и MAX22445FAWE+

Рис. 3. Внешний вид отладочных плат MAX2244XWEVKIT и MAX22445FAWE+

MAX12934/35 – семейство двухканальных цифровых изоляторов с рейтингом напряжения 5 кВ и скоростью обмена данными 25/200 Мбит/с. По своим характеристикам семейство соответствует MAX22444/5/6. Основным отличием становится число каналов. В MAX12934 присутствуют два прямых канала, а в MAX12935 – один прямой и один обратный. В остальном эти изоляторы также являются идеальным выбором для приложений, требующих одновременно и высокого быстродействия, и повышенной безопасности.

Для оценки характеристик MAX12934/35 предлагаются отладочные платы MAX12935BWEVKIT с традиционной конфигурацией (рисунок 4).

Рис. 4. Внешний вид отладочных плат MAX12935BWEVKIT

Рис. 4. Внешний вид отладочных плат MAX12935BWEVKIT

MAX14851 – шестиканальные цифровые изоляторы с рейтингом напряжения 600 В. В этих микросхемах присутствует не только два прямых и два обратных канала, но и два двунаправленных (рисунок 5).

Рис. 5. Конфигурация каналов MAX14851

Рис. 5. Конфигурация каналов MAX14851

Скорость обмена данными по однонаправленным каналам достигает 50 Мбит/с, в то время как для двунаправленных скорость ограничена 2 Мбит/с. Таким образом, MAX14851 может использоваться как для организации каналов связи типа «точка-точка» (SPI, UART и так далее), так и для развязки дуплексных шинных интерфейсов, например, I²C, RS-485.

Для оценки характеристик MAX14851 предлагается отладочная плата MAX14851EVKIT.

Специализированные цифровые изоляторы Maxim Integrated

Кроме цифровых изоляторов общего назначения Maxim Integrated предлагает широкий выбор различных специализированных цифровых изоляторов. Рассмотрим некоторые из них.

MAX14483 – шестиканальный цифровой изолятор с рекордной скоростью передачи данных до 200 Мбит/с, созданный специально для выполнения гальванической развязки SPI-интерфейса. Рассмотренный выше изолятор MAX14851 мог применяться для развязки SPI, но скорость обмена для него не превышала 50 Мбит/с. MAX14483 снимает это ограничение. Кроме того, рейтинг изоляции для MAX14483 составляет 3,75 кВ (до 60 с).

В MAX14483 присутствуют два прямых и четыре обратных канала. Кроме того, микросхема формирует два дополнительных развязанных сигнала для управления и индикации готовности изолятора к работе (выходы SAA и SBA).

Как уже отмечалось выше, изоляторы от конкурентов уступают Maxim по быстродействию. Например, специализированный изолятор ADUM4150 производства Analog device обеспечивает скорость обмена данными всего 40 Мбит/с.

Для оценки характеристик MAX14483 предлагается отладочная плата MAX14483EVKIT (рисунок 6).

Рис. 6. Внешний вид отладочных плат MAX14483EVKIT

Рис. 6. Внешний вид отладочных плат MAX14483EVKIT

MAXM22510/11 – специализированный цифровой изолятор с рейтингом 2,5 кВ для развязки полнодуплексных интерфейсов RS-485/RS-422. При сравнении изоляторов общего назначения мы отмечали, что Maxim не предлагает изоляторов со встроенными источниками питания, однако речь не идет о специализированных решениях. Так, например, в состав MAXM22510/11 входит изолированный DC/DC-преобразователь и LDO-стабилизатор (рисунок 7). Такая компоновка позволяет отказаться от дополнительного внешнего изолированного источника питания.

Рис. 7. Конфигурация MAX22511

Рис. 7. Конфигурация MAXM22511

MAXM22510 обеспечивает скорость обмена до 500 кбит/с, а MAXM22511 – до 25 Мбит/с.

Для оценки работы MAXM22510 предлагается отладочная плата MAXM22511EVKIT.

MAX22192 – специализированный восьмиканальный изолятор с функциями диагностики и микропроцессорным управлением. Данный изолятор является изолированным аналогом микросхем расширителей портов ввода-вывода. Как правило, расширители используются для увеличения числа управляющих входов/выходов, если у микроконтроллера не хватает собственных выводов. MAX22192 выполняет схожую функцию с той разницей, что коммуникационный SPI-интерфейс снабжен встроенной гальванической развязкой (рисунок 8). Неизолированным аналогом MAX22192 является микросхема MAX22190.

Рис. 8. Структура восьмиканального изолятора MAX22192

Рис. 8. Структура восьмиканального изолятора MAX22192

Расширители чаще всего используются в телекоммуникационном оборудовании и в промышленных установках. Например, их применяют для создания модулей электроавтоматики станков.

MAX22192 обеспечивает рейтинг изоляции 600 В и способен питаться напрямую от шины с напряжением 7…65 В. Дополнительным плюсом MAX22192 является наличие функций диагностики каналов и встроенного драйвера светодиодов, который также может применятся для визуального отображения информации.

Для ознакомления с возможностями MAX22192 предлагается отладочный набор MAX22192EVKIT (рисунок 9). В состав набора входят две платы: на одной из них размещен изолятор и разъемы для подключения внешних сигналов, а на второй реализован USB-адаптер для питания и подключения к ПК. Бесплатная утилита позволяет управлять работой MAX22192 с помощью ПК. Кроме MAX22192, на отладочной плате размещен неизолированный расширитель MAX22190, управление которым также возможно с помощью ПК.

Рис. 9. Подключение отладочных плат из набора MAX22192EVKIT

Рис. 9. Подключение отладочных плат из набора MAX22192EVKIT

MAX14001/2 – 10-битные АЦП с изолированным SPI-интерфейсом и рейтингом изоляции 3,75 кВ. Кроме АЦП, в состав MAX14001/2 входят: DC/DC-преобразователь, программируемый компаратор, программируемый источник тока для очистки контактов реле, программируемый источник тока смещения (рисунок 10). Благодаря встроенному DC/DC-преобразователю MAX14001/2 может обходиться без внешнего источника питания. MAX14001 и MAX14002 разрабатывались специально для создания интеллектуальных изолированных дискретных входов, релейных схем защиты и других аналогичных высоковольтных приложений.

Рис. 10. Блок-схема MAX14001/2

Рис. 10. Блок-схема MAX14001/2

Для ознакомления с возможностями MAX14001/2 предлагается отладочный набор MAX14001EVSYS (рисунок 11). Для управления работой MAX14001/2 используется USB-адаптер и специальная утилита для ПК.

Рис. 11. Подключение отладочных плат из набора MAX14001EVSYS

Рис. 11. Подключение отладочных плат из набора MAX14001EVSYS

Заключение

Конкуренция на рынке цифровых изоляторов довольно высока, что побуждает производителей постоянно совершенствовать характеристики своей продукции. В настоящий момент изоляторы производства компании Maxim Integrated отличаются рекордно высокой скоростью передачи данных до 200 Мбит/с и рекордно малым значением времени задержки – от 8 нс.

Кроме цифровых изоляторов общего назначения, Maxim Integrated предлагает различные специализированные решения, в том числе со встроенным источником питания. Таким образом, компания вносит свой вклад в создание безопасных изолированных систем. Учитывая, что разработчикам доступны образцы микросхем, отладочные наборы, подробная документация, а по отдельному запросу и файлы топологии плат, мы можем говорить о формировании целой экосистемы для разработчиков, призванной облегчить внедрение изолированных компонентов и проектирование безопасных изолированных продуктов.

Решения с использованием изоляторов Maxim

1. Платформа пико-ПЛК Go-IO

Платформа Go-IO представляет собой готовый референс-дизайн, модульную конструкцию, позволяющий оценить преимущества новой пико-платформы ПЛК от Maxim Integrated, поиграться с системной платой, датчиками и компонентами, снять характеристики. Референс-дизайн можно использовать как основу для создания собственного контроллера.

Дизайн позволяет подключать устройства с интерфейсами RS-485, IO-Link, SPI, имеет дискретные входы и выходы. Интерфейсы RS-485 и SPI изолированы, в случае с RS-485 используется интегрированное решение MAXM22511, а для SPI применяется специализированный изолятор MAX14483. Кроме того, для реализации дискретных входов используется специализированное решение, позволяющее дополнительно обеспечить их гальваническую развязку MAX22192.

В состав платформы Go-IO входят:

  • Модуль ввода/вывода MAXREFDES200#/201#
  • Несущая плата MAXREFDES215#
  • Вычислительный модуль MAXREFDES211#
  • Набор сменных датчиков и контроллер привода:
    • MAXREFDES27 – датчик влажности
    • MAXREFDES37 – драйвер серво-привода
  • Модуль ввода/вывода MAXREFDES200#/201#
  • Несущая плата MAXREFDES215#
  • Вычислительный модуль MAXREFDES211#
  • Набор сменных датчиков и контроллер привода:
    • MAXREFDES27 – датчик влажности
    • MAXREFDES37 – драйвер серво-привода

Для референс-дизайна платформы Go-IO MAXREFDES212# доступен полный комплект документации Скачать

2. Весоизмерительная система с изолированным сигнальным трактом MAXREFDES75#

Весоизмерительные системы играют важнейшую роль в большом количестве промышленных применений, от взвешивания точных доз реагентов на химическом производстве до определения веса транспортных контейнеров. Иными словами, использование такой системы позволяет получать значение веса, одного из ключевых параметров в общей массе данных, учитываемых в технологическом процессе любого типа.

Ключевой компонент измерительного канала современных электронных весов – это прецизионный АЦП.

В дизайне MAXREFDES75# используется прецизионный 24-битный дельта-сигма АЦП MAX11270 с низким значением ОСШ и лучшим в классе энергопотреблением, позволяющий измерять слабые сигналы амплитудой +/- 25мВ. В составе АЦП имеется аппаратный малошумящий программируемый усилитель, а также подключаемые по входу буферные усилители. Выходной каскад системы MAXREFDES75# реализован на 16-битном ЦАП MAX542 с последовательным входом и потенциальным выходом, позволяющий выдавать от 0 до 10 В пропорционально входному сигналу. Плата также позволяет генерировать напряжение питания для весового датчика. Сигнальные тракты гальванически изолированы от внутрисхемной части при помощи цифровых изоляторов MAX14850, что обеспечивает дополнительную защиту системы.

Для референс-дизайна MAXREFDES75# доступен полный комплект документации: Скачать

Дополнительные материалы:

•••

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

Товары
Наименование
MAX14431BASE+ (MAX)
MAX14432FASE+ (MAX)
MAX14483EVKIT# (MAX)
MAX14851AEE+ (MAX)
MAX12935BAWE (MAX)
MAX22192ARC+T (MAX)
MAX14001AAP+ (MAX)
MAX12930BASA+ (MAX)
MAX12931BAWE+T (MAX)
MAXM22511GLH+ (MAX)
MAX14432FSEVKIT# (MAX)
MAX12935BWEVKIT# (MAX)
MAX2244XWEVKIT# (MAX)
MAX22445FAWE+ (MAX)
MAX14851EVKIT# (MAX)
MAX22192EVKIT# (MAX)
MAX14001EVSYS# (MAX)
MAXM22510GLH+ (MAX)
MAXM22511GLH (MAX)