№1 / 2019 / статья 4

Новый уровень безопасности в промышленных применениях: обзор решений с гальванической изоляцией от MAXIM

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Гальваническая изоляция – один из наиболее эффективных методов обеспечения сохранности оборудования и увеличения качества передаваемых сигналов. Компания MAXIM Integrated активно использует эту технологию в своих решениях. Представляем новинки компании: цифровые изоляторы, драйверы RS-485 и трансиверы RS-232, АЦП, дискретные входы и многое другое.

Применение гальванической изоляции в схемотехнических решениях позволяет ограничить возможность возникновения высоких напряжений, которые могут оказать негативное воздействие на электронные компоненты, а также ограничить возникновение нежелательных контуров в системах передачи сигналов, что в свою очередь позволяет снизить уровень шумов, увеличить дальность передачи сигнала и обеспечить устройству лучшую электромагнитную совместимость.

Необходимость применения гальванической развязки в приложении определяется, в первую очередь, стандартами, действующими в данной конкретной отрасли: многие из действующих на данный момент стандартов безопасности медицинского, промышленного, телекоммуникационного и прочего оборудования, осуществляющего работу в жестких условиях, требуют обязательного наличия развязки в цепях питания, а также в цепях передачи сигналов.

Сама по себе гальваническая развязка цепей может быть организована на основе нескольких отличных друг от друга принципов построения:

  • электромагнитная – гальваническая изоляция на основе принципа взаимной индуктивности, например, трансформаторы;
  • оптическая – на основе оптронов или оптореле;
  • емкостная – на основе цифровых емкостных барьеров;
  • электромеханическая – на основе электромеханических реле.

Гальваническая развязка на основе оптронов является традиционным решением (рисунок 1). Скорость работы развязки данного типа достаточна для передачи цифровых сигналов, однако эта технология имеет ряд существенных недостатков:

Рис. 1. Согласование оптрона на основе фототранзистора с цифровыми цепями

Рис. 1. Согласование оптрона на основе фототранзистора с цифровыми цепями

  • Сложность схемотехнической реализации. Например, при организации цифровых выходов возникают сложности, связанные с управлением светодиодом: необходим дополнительный буфер, а также подтягивающий резистор, логический буфер на выходе и так далее, что в свою очередь усложняет схему и увеличивает габариты решения.
  • Относительно высокая потребляемая мощность. Для передачи сигнала логического нуля необходимо питать входной светодиод, кроме того, возникают потери мощности на выходе при протекании тока через открытый транзистор и подтягивающий резистор.
  • Малая рабочая частота. Выходной транзистор работает по схеме с оборванной базой, из-за чего увеличивается время переключения, а частота работы снижается. Для повышения величины рабочей частоты применяются модификации оптрона с дополнительным выводом базы (задавая дополнительное смещение базы, можно увеличить скорость переключения транзистора), однако такое решение приводит к увеличению потребляемой мощности и усложнению схемотехники. Стоит отметить, что сам по себе входной диод также является достаточно медлительным, если не используется дополнительное смещение.
  • Высокие значения задержек, связанные с инерционностью светодиода и фототранзистора.
  • Большие габариты, что связано с несовершенством технологий производства и необходимостью создания изоляции отдельных каналов. Так, например, в корпусе SOIC-8 помещается всего два оптрона.

С развитием полупроводниковой промышленности стали доступны микросхемы, позволяющие создать изоляционный барьер за счет других, более современных технологий, отличных от развязки на основе оптрона, снизив габариты и стоимость конечного решения, а также получив ряд других преимуществ. Такие микросхемы получили название цифровых изоляторов.

Вся аналоговая составляющая цифровых изоляторов интегрирована внутрь корпуса (рисунок 2): входной и выходной буферы, прямой и обратный преобразователи неэлектрических сигналов (служат, например, для преобразования тока светодиода в свет и наоборот – света в ток фототранзистора), цепи согласования и смещения, которые находятся внутри одного и того же устройства, а на выходе и входе присутствуют только цифровые сигналы.

Рис. 2. Функциональная схема цифрового изолятора

Рис. 2. Функциональная схема цифрового изолятора

На сегодняшний день существует несколько технологий построения изоляции, позволяющих осуществлять прямое и обратное преобразование сигналов и, соответственно, использовать их при реализации гальванической развязки. Наиболее распространенными среди них являются оптическая, индуктивная и емкостная (рисунки 3, 4 и 5).

Рис. 3. Оптический цифровой изолятор

Рис. 3. Оптический цифровой изолятор

Рис. 4. Изолятор с индуктивной связью

Рис. 4. Изолятор с индуктивной связью

Рис. 5. Изолятор с емкостной связью

Рис. 5. Изолятор с емкостной связью

Оптические цифровые изоляторы

Данный тип изоляторов появился первым и является прямым наследником оптронов. Принцип действия изоляторов основан на преобразовании электрического сигнала в свет через светодиод и на обратном преобразовании при помощи фотоэлемента. Схема устройства довольно проста и может передавать как постоянную, так и переменную составляющую сигналов.

По сравнению со стандартными оптронами такие изоляторы обладают повышенным быстродействием и относительно просты в использовании, но, как и оптроны, такие изоляторы имеют ряд недостатков, в частности – довольно большие габаритные размеры и высокое энергопотребление. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев входным элементом таких компонентов остается светодиод, из чего следует, что входной сигнал не является цифровым, хотя в ряде приложений этот аспект является скорее плюсом и применяется для преобразования двоичного аналогового сигнала в цифровой вид.

Индуктивные цифровые изоляторы

Действие изоляторов данного типа основано на электромагнитной индукции. Для преобразования электрических сигналов в электромагнитное поле в таких изоляторах применяются интегральные трансформаторы, которые могут быть реализованы, например, в виде плоских индуктивностей, располагающихся друг над другом и разделенных полиамидным изоляционным слоем.

Недостатком такой технологии является возможность передачи только переменной составляющей сигналов, из-за чего схемотехника решения требует включения на передающей стороне кодера, преобразующего цифровой сигнал в импульсную форму, а на принимающей – декодера, восстанавливающего сигнал. Кодирование сигнала, в свою очередь, может осуществляться несколькими способами:

  • счетными импульсами
    • два импульса – фронт сигнала;
    • один импульс – срез.
  • за счет частотной модуляции
    • импульсы есть – единица;
    • импульсы отсутствуют – ноль.

Еще одним недостатком является необходимость использования в качестве изолятора полиамидной пленки, из-за чего индуктивные изоляторы не могут быть произведены в рамках одного технологического цикла.

Емкостные цифровые изоляторы

Технология передачи данных в таком типе изоляторов основана на высокочастотной модуляции, а цепи приема и передачи сигналов изолятора разделены с помощью интегральных конденсаторов. Однако как и в индуктивных изоляторах, передача постоянной составляющей сигналов здесь невозможна, и, чтобы восстановить сигнал, требуется дополнительный демодулятор. Стоит также отметить, что в отличие от индуктивных изоляторов, емкостные не используют в своем составе полиамидные пленки и построены на базе стандартной интегральной технологии. Такие изоляторы могут быть произведены в рамках одного технологического цикла.

На сегодняшний день большинство компаний, производящих цифровые изоляторы, имеет собственные запатентованные технологии их производства, которые, однако, так или иначе основаны на приведенных выше принципах. Каждая их таких технологий имеет свои преимущества и недостатки, но выявить их можно, только рассмотрев конкретные изоляторы более подробно.

Цифровые изоляторы Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated входит в число ведущих мировых производителей на рынке интегральных схем. В состав выпускаемой продукции входят и цифровые изоляторы. Характерной их особенностью является способность работать с приложенным к изоляционному барьеру напряжением до 5 кВ и с сигналами, скорость передачи которых составляет до 200 Мбит/c. Изоляторы Maxim производятся по запатентованной технологии и имеют высокие изолирующие характеристики, при этом выдвигают невысокие требования по энергопотреблению и имеют сравнительно небольшие габаритные размеры.

Изоляторы Maxim включают в себя семейства с различной конфигурацией для выполнения тех или иных конкретных задач. В частности, помимо изоляторов с каналами, способными работать только в одном направлении (на вход или выход), клиентам компании доступны микросхемы с двунаправленными каналами, по которым сигналы способны передаваться в обе стороны.

Каналы изолятора, работающие в двух направлениях, имеют выходы с открытым стоком и не требуют специального управления направлением передачи. Малый уровень сигнала на одной стороне вызывает появление низкого логического уровня на соответствующем выходе с другой стороны, причем выходы двунаправленных каналов выполнены по схеме с открытым стоком, и их подключение к источнику должно происходить через внешние нагрузочные резисторы (рисунок 6).

Рис. 6. Пример подключения изолятора МАХ14937

Рис. 6. Пример подключения изолятора МАХ14937

Еще одной особенностью изоляторов Maxim является специально организованная блокировка, отсекающая на выходе ложные сигналы, возникающие при коммутации и провалах питающего напряжения в процессе работы: в случае возникновения ложного сигнала все выходы каналов, работающих в одном направлении, переводятся в состояние, прописанное по умолчанию, а выходы двунаправленных каналов переходят в высокоимпедансное состояние.

Ряд изоляторов Maxim без наличия сигнала на входе коммутирует на выходе сигнал, который может иметь как низкий, так и высокий уровень, на что стоит обращать внимание при подборе устройства.

Изоляторы соответствуют современным промышленным стандартам связи и находят применение во многих приложениях вместе с преобразователями уровня входных сигналов и мультиплексорами, реализуя тем самым комплексное решение, которое снижает потребление энергии конечного устройства, уменьшает его габариты, а также повышает надежность.

Изоляторы Maxim  могут быть использованы для решения целого ряда задач, среди которых:

  • управление источниками питания;
  • гальваническая развязка в специальном оборудовании, например, медицинском, для телекоммуникации и так далее;
  • решения промышленной автоматики;
  • гальваническая изоляция линий в решениях, работающих с интерфейсами SPI, RS-232, RS-485, CAN и прочими.

Также стоит отметить, что данные изоляторы способны работать в расширенном температурном диапазоне -40…125°С.

Новые линейки изоляторов MAXIM

Не так давно компания MAXIM Integrated представила новые цифровые изоляторы: MAX14432/31/30, MAX22445, MAX12934/35, MAX14851 и MAX14483.

MAX14432/31/30

Данные микросхемы представляют собой четырехканальные маломощностные цифровые изоляторы, способные выдерживать напряжение до 3,75 кВ (рисунок 7).

Рис. 7. Функциональные диаграммы цифровых изоляторов MAX14432/31/30

Рис. 7. Функциональные диаграммы цифровых изоляторов MAX14432/31/30

Изоляторы MAX14432/31/30 могут работать с сигналами, скорость передачи которых составляет до 200 Мбит/с, и способны выдерживать приложенное напряжение величиной в 3,75 кВ в течение 60 с. Они являются прекрасным решением для изоляции порта на общей шине SPI с CS, так как имеют, в отличие от изоляторов других семейств, активный низкий уровень сигнала. MAX14430…MAX14432 доступны в корпусе SOIC 16.

MAX22444/45/46

Данное семейство маломощных четырехканальных цифровых изоляторов создано для работы с напряжениями до 5 кВ (рисунок 8).

Рис. 8. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX22444…MAX22446

Рис. 8. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX22444…MAX22446

MAX22444/45/46 могут работать с сигналами скоростью до 200 Мбит/с. Двойные барьеры изоляции микросхем обеспечивают защиту от напряжений величиной до 5 кВ и импульсных выбросов до 10 кВ, гарантируя тем самым надежную работу в течение длительного периода службы. Семейство может быть использовано для передачи сигналов по SPI, RS-232 и RS-485. Данные изоляторы доступны в корпусе SOIC 16.

MAX12934/MAX12935

Внешний вид изоляторов MAX12934/MAX12935 представлен на рисунке 9. Это двухканальные цифровые изоляторы с высоким быстродействием. Каналы микросхемы MAX12935 могут осуществлять передачу сигналов в противоположных направлениях, что делает данный изолятор прекрасным выбором для создания решений изоляции линий Rx- и Tx-трансиверов, в то же время два канала MAX12934 передают данные только в одном направлении, что следует учитывать при выборе изолятора.

Рис. 9. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX12934/MAX12935

Рис. 9. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX12934/MAX12935

Оба изолятора способны выдерживать напряжение величиной до 5 кВ и передачу сигналов со скоростью до 200 Мбит/с. Они передают цифровые сигналы между цепями с различными доменами питания и потребляют всего 0,65 мВт мощности на канал при скорости передачи сигнала 1 Мбит/с и напряжении питания 1,8 В. Изоляторы способны работать в диапазоне напряжений питания 1,71…5,5 В, а сами микросхемы доступны в 16-выводном корпусе SOIC.

MAX14851

Шестиканальный цифровой изолятор MAX14851 (рисунок 10) имеет четыре однонаправленных канала: 2 In/2 Out, и два двунаправленных канала с открытым стоком. Независимые входы 3,0…5,5 В с каждой стороны также позволяют использовать данный изолятор в качестве преобразователя уровней напряжения.

Рис. 10. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX14851

Рис. 10. Функциональная схема цифровых изоляторов MAX14851

Микросхемы MAX14851 могут применяться в решениях, имеющих на борту интерфейсы CAN, I²C, RS-232 или RS-485/RS-422 и так далее. MAX14851 поставляются в 16-выводном корпусе QSOP.

MAX14483

Цифровой изолятор MAX14483 для высоконадежного SPI (рисунок 11) имеет на борту шесть каналов и способен работать с напряжениями величиной до 3,75 кВ. Данный цифровой изолятор предназначен в первую очередь для работы с SPI-интерфейсом. Каждый из шести сигнальных каналов (2 In/4 Out) оптимизирован для работы с SPI-интерфейсом и имеет малую задержку распространения сигнала (около 10 нс) по каналам SDI, SDO и SCLK. Управление каналом SDO производится через вход CS, а также через второй входной контакт (SDOEN), что позволяет одному изолятору работать сразу с несколькими SPI-устройствами. Выход FAULT изолятора может быть соединен с несколькими выходами других микросхем через дополнительный монтажный элемент «или». Также на изоляторе расположен вспомогательный канал (AUX), предназначенный для передачи сигналов синхронизации или управления от ведущей стороны к ведомой. Для мониторинга питания (SAA, SBA) доступны оба домена питания, что позволяет получать информацию о готовности противоположной стороны изолятора к работе. Независимые входы 1,71…5,5 В с каждой стороны также позволяют использовать данный изолятор в качестве преобразователя уровней напряжения. Изоляторы MAX14483 доступны в 20-выводном корпусе SSOP.

Рис. 11. Функциональная схема цифрового изолятора MAX14483

Рис. 11. Функциональная схема цифрового изолятора MAX14483

Более подробные характеристики приведенных цифровых изоляторов, а также других изоляторов Maxim Integrated, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики цифровых изоляторов Maxim

Наимено-
вание
Однонаправленные каналы Двунаправленные каналы Напряжение питания, В Рабочая температу-
ра, °C
Макс. напряжение, (60 с, 60 Гц), В
Кол-во кана-
лов
Пере-
дача
При-
ем
Скорость передачи данных, до Мбит/с За-
держ-
ка, нс
Кол-во кана-
лов
Скорость передачи данных, Мбит/с За-
держ-
ка, 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 0 3…5,5 72 (DC)
MAX14850 4 2 2 50 30 0 3…5,5 600
MAX14851 6 3 3 50 30 0 3…5,5 600
MAX14483 6 2 4 200 10 0 1,71…5,5 3750
MAX22444 4 4 0 200 12 0 1,71…5,5 5000
MAX22445 4 3 1 200 12 0 1,71…5,5 5000
MAX22446 4 2 2 200 12 0 1,71…5,5 5000
MAX12934 2 2 0 200 29 0 1,71…5,5 5000
MAX12935 2 1 1 200 29 0 1,71…5,5 -40…125 5000

MAXM22510/11 – новый драйвер RS-485 с питанием

Микросхемы MAXM22510 и MAXM22511 представляют собой изолированные (2,5 кВ) полнодуплексные драйверы RS-485 c интегрированным питанием (рисунок 12). Драйверы включают в себя один канал для приема и один – для передачи данных, а их схемотехническая реализация проста и не требует дополнительной внешней обвязки, в том числе конденсаторов в цепях питания. В то же время простое подключение к микроконтроллеру дает возможность быстро создать изолированный и компактный RS-485-интерфейс.

Рис. 12. Функциональная схема драйверов MAXM22510/11

Рис. 12. Функциональная схема драйверов MAXM22510/11

MAXM22510/11 имеют прекрасные показатели электромагнитной совместимости и значительно более высокий коэффициент полезного действия узла питания, чем решения других производителей. Микросхемы MAXM22510 и MAXM22511 – улучшенная альтернатива трансиверам от Analog Devices, в частности – ADM2582 и ADM2682 (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики MAX22510/11 и решений от Analog Devices

Характеристика MAX22510/11 ADM2582 ADM2682
EMI +
Барьер, кВ 2,5 2,5 5
КПД, % 60 30 30
Скорость передачи сигналов 500 кбит/с/25 Мбит/с 16 Mбит/с 16 Mбит/с
Защита от ESD, кВ ±35 ±15 ±15
Тип корпуса LGA
9,35х11,5 мм
SOIC-20
13х10,5 мм + дополнительная обвязка
SOIC-20
13х10,5 мм + дополнительная обвязка
Диапазон температур, °C -40…105 -40…85 -40…85

Драйверы работают от напряжения питания 3,3 В и выпускаются с двумя скоростями передачи сигналов: 500 кбит/с у микросхемы MAXM22510 и 25 Мбит/с у MAXM22511. Также обладают интегрированной защитой от электростатического разряда величиной до ±35 кВ (согласно модели человеческого тела). MAXM22510/MAXM22511 выпускаются в 44-выводном исполнении LGA 9,35×11,5 мм.

MAX3250 – трансивер RS-232 для функциональной изоляции

Компания Maxim Integrated создала микросхему MAX3250, которая по сути является коммуникационным интерфейсом с функцией высокоскоростной передачи данных. Этот интерфейс может работать с сигналами, разница потенциалов которых составляет до ±50 В (рисунок 13).

Рис. 13. Функциональная схема трансивера MAX3250

Рис. 13. Функциональная схема трансивера MAX3250

Микросхема MAX3250 произведена при помощи гибридной технологии, которая дает возможность работать с разностью потенциалов 50 В между стороной RS-232 и логической стороной (от ISOCOM до GND), что в свою очередь делает микросхему MAX3250 прекрасным решением для применения в условиях высокой шумовой загрязненности. Кроме того, такой подход построения дает возможность предотвращать повреждение микросхемы в случае замыкания линий RS-232 на шины питания 24 или 48 В.

MAX3250 работает от напряжений питания в диапазоне 3…5,5 В. Питание поступает на изолированную сторону от логической стороны при помощи внешних конденсаторов 100 В.

Изолятор MAX3250 имеет на борту два приемных (Rx) и два передающих (Tx) каскада, способных работать со скоростью передачи до 250 кбит/с, при наличии выходных уровней сигнала, соответствующих требованиям интерфейса RS-232. Трансиверы имеют оригинальные выходные передающие каскады с малым значением падения напряжения, обеспечивающими полную реализацию уровней RS-232.

MAX3250 также имеет выходной сигнал аварийного состояния с открытым стоком FAULT (активный – низкий), который служит, в том числе, для сигнализации о превышении максимально допустимого синфазного напряжения на любом из входов RS-232. Данный сигнал в свою очередь может управлять аварийным светодиодным индикатором или может отслеживаться центральным процессором для исключения возможности работы устройства в аварийном режиме. Выходы приемника микросхемы в режиме отключения принимают высокоимпедансное состояние, что дает возможность реализовать подключение нескольких интерфейсов (IrDA, RS-232, RS-485) к одному UART. Типичная схема включения MAX3250 приведена на рисунке 14.

Рис. 14. Типичная схема включения трансивера MAX3250

Рис. 14. Типичная схема включения трансивера MAX3250

Микросхема MAX3250 выпускается в 28-контактном корпусе SSOP и может быть использована в решениях промышленной автоматизации, ПЛК, телекоммуникационном оборудовании и так далее.

MAX22192 – дискретные входы с изоляцией

Еще одним решением от Maxim Integrated является микросхема MAX22192, представляющая собой набор дискретных входов, соответствующих стандарту IEC 61131-2, с изоляцией (рисунок 15).

Рис. 15. Функциональная схема трансивера MAX22192

Рис. 15. Функциональная схема трансивера MAX22192

MAX22192 позволяет создавать решения, в которых цифровой сигнал уровня 0…24 В передается на изолированный SPI-совместимый выход, который взаимодействует с напряжениями 1,71…5,5 В.

При помощи подстроечного резистора входам MAX22192 можно присваивать необходимый тип – 1, 2 или 3, согласно IEC 61131-2. Для постоянного напряжения питания 24 В вход типа 1 должен переходить в состояние «ВКЛ» при напряжениях 15…30 В и токе 2…15 мА. Для входа типа 2 напряжение включения составляет 11…30 В, ток – 6…30 мА. Для входа типа 3 диапазон напряжений включения составляет 11…30 В при токе 2…15 мА. Для переключения между типами используется подача низкого уровня сигнала (или, проще говоря, обрыв провода): когда обрыв провода включен и входной ток падает ниже порога обрыва провода на протяжении более 20 мс, уровень LFAULT записывается в регистре. Кроме того, отслеживание состояния сигнала на выходе LFAULT позволяет защитить устройство от перегрева, диагностировать низкий уровень напряжения сигнала или его отсутствие и так далее.

Для корректной работы в промышленных приложениях каждый вход оснащен программируемым глитч-фильтром. Задержка фильтра на канал может быть запрограммирована на одно из восьми значений в диапазоне 50 мкс…20 мс.

MAX22192 имеет на борту изолированный четырехконтактный интерфейс SPI и в дополнение использует активный низкий уровень входа LLATCH для синхронизации входных данных параллельно на нескольких устройствах, а также, о чем было упомянуто выше, активный низкий уровень выходного LFAULT для мгновенного оповещения о возникновении каких-либо диагностических проблем.

Напряжение изоляции MAX22192 на барьер составляет 600 В, а защита от ESD составляет до ±8 кВ, согласно модели человеческого тела. MAX22192 выпускается в 70-контактном корпусе GQFN.

MAX14001/2 – универсальный интеллектуальный изолированный дискретный вход

Микросхемы MAX14001 и MAX14002 представляют собой изолированные одноканальные АЦП, которые могут быть использованы при проектировании систем, имеющих в своем составе изолированные дискретные входы с широким диапазоном входных напряжений.

Благодаря встроенному в микросхему 10-битному АЦП появляется возможность расширить динамический диапазон напряжений на входе канала и тем самым взаимодействовать как с низковольтными дискретными сигналами (12 и 24 В), так и с высоковольтными (220 В). Еще одной ключевой особенностью микросхем является наличие программируемого компаратора, источника тока для очистки контактов реле и источника тока смещения. Встроенный компаратор дает возможность избежать постоянного считывания и обработки данных с АЦП путем задания порога срабатывания при помощи SPI-интерфейса и начинать обработку данных с аналого-цифрового преобразователя (если таковая требуется) только после срабатывания компаратора.

Помимо прочего, запитывание всех гальванически развязанных частей схемы происходит от встроенного изолированного преобразователя постоянного напряжения, благодаря которому отпадает необходимость использовать дополнительный внешний источник питания. Все это делает MAX14001 и MAX14002 прекрасным выбором при проектировании универсальных дискретных входов с индивидуальной изоляцией и широким диапазоном входных напряжений.

На рисунке 16 отображены основные функциональные блоки MAX14001/MAX14002, среди которых стоит отметить четыре наиболее значимых:

Рис. 16. Функциональная схема MAX14001/MAX14002

Рис. 16. Функциональная схема MAX14001/MAX14002

  • АЦП последовательного приближения с интегрированным источником опорного напряжения. Получаемые от АЦП данные могут быть считаны по SPI-интерфейсу или применяться для сообщения о превышении заданных уровней напряжения (в этом случае используется встроенный компаратор);
  • SPI-интерфейс, служащий для работы со всеми регистрами и аппаратными флагами COUT и FAULT;
  • μPower DC/DC, представляющий собой встроенный изолированный преобразователь постоянного напряжения, служащий для питания изолированных блоков MAX14001 и MAX14002. Выходное напряжение с DC/DC-преобразователя также поступает на вывод VDDF;
  • GATE, IFET, ISET – выводы, которые служат для управления внешним полевым транзистором и пусковым током.

В качестве примера реального применения MAX14001 и MAX14002 (помимо их включения в качестве обычных изолированных АЦП, как показано на рисунке 16) может послужить построение универсального программируемого дискретного входа с широким диапазоном входных напряжений: в данном случае встроенный функционал аналого-цифрового преобразователя дает возможность регулировать работу высоковольтного полевого транзистора, служащего для очистки релейных контактов за счет пропускания небольших постоянных или импульсных токов. Схема построения такого дискретного входа приведена на рисунке 17.

Рис. 17. Универсальный дискретный вход с широким диапазоном входных напряжений на базе MAX14001

Рис. 17. Универсальный дискретный вход с широким диапазоном входных напряжений на базе MAX14001

Средства отладки

Компания MAXIM Integrated предоставляет своим клиентам возможность ознакомления и создания прототипов на основе своих решений при помощи специально разработанных отладочных средств (рисунок 18). В частности, для микросхем, представленных в данной статье, существует перечень отладочных плат, краткие характеристики которых приведены в таблице 3.

Рис. 18. Внешний вид отладочных плат для цифровых изоляторов MAXIM Integrated: а) MAX14432FSEVKIT; б) MAX2244XWEVKIT; в) MAX12935BWEVKIT; г) MAX14483EVKIT; д) MAX22192EVKIT; е) MAX14001EVSYS

Рис. 18. Внешний вид отладочных плат для цифровых изоляторов MAXIM Integrated: а) MAX14432FSEVKIT; б) MAX2244XWEVKIT; в) MAX12935BWEVKIT; г) MAX14483EVKIT; д) MAX22192EVKIT; е) MAX14001EVSYS

Таблица 3. Отладочные платы Maxim Integrated

Наименование микросхемы Отладочные платы Особенности
MAX14432/31/30 MAX14430FSEVKIT; MAX14431FSEVKIT; MAX14432FSEVKIT Широкий диапазон скоростей передачи данных (до 200 Мбит/с); четыре однонаправленных канала с тремя различными конфигурациями;
SMA-разъемы для подключения к внешнему оборудованию; Широкий диапазон напряжений питания 1,71…5,5 В;
Гарантированная изоляция до 3,75 кВ
MAX22445 MAX2244XWEVKIT (изолятор не запаян на отладочную плату); MAX22445FWEVKIT (запаян изолятор MAX22445FAWE+) Широкий диапазон скоростей передачи данных (до 200 Мбит/с);
Четыре однонаправленных канала с тремя различными конфигурациями;
SMA-разъемы для подключения к внешнему оборудованию;
Широкий диапазон напряжений питания 1,71…5,5 В;
Гарантированная изоляция до 5 кВ
MAX12934/35 MAX12935BWEVKIT Скорость передачи данных до 25 Мбит/с (для некоторых микросхем – до 200 Мбит/с);
Два однонаправленных канала, работающих в противоположных направлениях (MAX12935) или в одном направлении (MAX12934);
SMA-разъемы для подключения к внешнему оборудованию; Широкий диапазон напряжений источников питания 1,71…5,5 В;
Гарантированная изоляция до 5 кВ в течение 60 секунд для микросхем в корпусе SOIC
MAX14851 MAX14851EVKIT Отладочная плата для оценки возможностей MAX14851;
Изолированное электропитание и возможность работы от одноканального источника;
Изоляция до 600 В в течение 60 секунд
MAX14483 MAX14483EVKIT Шесть однонаправленных каналов со скоростью передачи данных до 200 Мбит/с;
Встроенная светодиодная индикация;
SMA-разъемы для подключения внешнего оборудования; Широкий диапазон напряжений питания 1,71…5,5 В;
Гарантированная изоляция до 3,75 кВ в течение 60 секунд
MAX22510/11 MAXM22511EVKIT Отладочная плата для оценки возможностей драйвера MAX22511, работающая от одноканального источника питания с напряжением 3,3 В;
Наличие на борту разъемов для оценки работы с RS-485/RS-422;
Изоляция до 2500 В в течение 60 секунд
MAX22192 MAX22192EVKIT Возможность установки типа цифровых входов (согласно IEC 61131-2);
Питание от порта USB;
ПО совместимо с операционной системой Windows; Одновременный доступ и MAX22192, и MAX22190; разъем Pmod для работы с интерфейсом SPI;
Три режима работы:
• одноканальный: адаптер USB2PMB2 взаимодействует с MAX22192  или MAX22190;
• независимый: адаптер USB2PMB2 использует два сигнала выбора микросхемы (active-low CS1 и active-low CS2) для управления каждой микросхемой через один разъем/графический интерфейс;
• шлейфовое соединение: адаптер USB2PMB2 общается с MAX22192 и MAX22190 через SPI в шлейфовом режиме (OSDI MAX22192 подключается к SDI MAX22190 и SDO MAX22190 подключается к FSDI MAX22192). Обе микросхемы управляются от единственного интерфейса SPI.
MAX14001/2 MAX14001EVSYS Питание от порта USB; ПО совместимо с операционной системой Windows; одновременный доступ и MAX14001, и MAX14002;
Разъем Pmod для работы с интерфейсом SPI;
Три режима работы:
• одноканальный режим: адаптер USB2PMB2 подключается к разъему PMOD1 или PMOD2, в зависимости от того, какой канал является предпочтительным, что позволяет по-разному конфигурировать входы;
• режим последовательного подключения: адаптер USB2PMB2 подключается к разъему PMOD1, а DOUT от MAX14001 подключается к DIN MAX14002. Обе микросхемы управляются от одного интерфейса SPI;
• двухканальный режим: адаптер USB2PMB2 подключается к разъему PMOD1 и использует два сигнала chipselect (CS1 и CS2) для управления каждой микросхемой через один и тот же разъем/графический интерфейс.

Заключение

Предложенные в статье решения компании Maxim Integrated имеют высокие параметры надежности и совместимости, небольшие габаритные размеры и широкий диапазон рабочих температур, благодаря чему находят применение и могут быть использованы для решения самых разных типов задач, среди которых:

  • создание гальванической изоляции с величиной пробоя до 5 кВ (MAX22445);
  • создание высоконадежной изоляции для SPI (MAX14483);
  • создание изоляции для двух разных интерфейсов, например, SPI + I²C, (MAX14851);
  • создание систем на основе интерфейсов RS-485 (MAX22510/11) и RS-232 (MAX3250);
  • построение дискретных входов с уже встроенной развязкой (MAX22192);
  • создание решений с изолированным АЦП (MAX14001/2) и многое другое.

Гальваническая развязка микросхем позволяет организовать защиту чувствительных электрических цепей от повреждения импульсами повышенного напряжения, благодаря чему продукты, выпускаемые компанией Maxim, подходят для использования со многими промышленными стандартами и могут быть использованы в широком спектре приложений промышленной автоматизации, телекоммуникационного оборудования, медицинской техники, программируемых логических котроллеров и прочего.

Литература

  1. Using the MAX3250 ±50V-Isolated RS-232 Transceivers;
  2. Jim Harrison, DON’T WORRY – ISOLATE ALL THOSE DIGITAL SIGNALS;
  3. David Krakauer. Анатомия цифровых изоляторов;
  4. Maxim Wireless/RF Power Amplifier Selector Guide;
  5. Особенности программирования изолированных АЦП MAX14001-MAX14002.

Наши информационные каналы

Рубрики:

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