Гальваническая развязка необходима для многих устройств – обычно для защиты чувствительных цепей от внешних помех или для защиты от поражения электрическим током. Раньше основным способом обеспечения гальванической развязки были оптоизоляторы, но несколько лет назад появилась альтернатива в виде цифровых изоляторов. Они представляют собой привлекательное решение с точки зрения размера, энергопотребления и надежности.
На протяжении десятилетий доминирующим способом обеспечения гальванической развязки было использование оптоизоляторов. Появление на рынке цифровых изоляторов изменило эту ситуацию – они привлекательны своими размерами, низким потреблением электроэнергии и невысокой стоимостью.
Существует несколько основных причин использования гальванической развязки в цепи. Наиболее распространенными являются соображения безопасности (как безопасности пользователя, так и отдельных компонентов схемы) и снижение шума. Гальваническая развязка двух областей системы означает, что между ними нет протекания электрического тока, хотя передача энергии и информации все же возможна.
Системы, обеспечивающие гальваническую развязку (изоляторы), вносят определенные ограничения в работу системы – увеличивают потребление электроэнергии и задерживают передачу информации (сигнала).
Типичная оптопара способна передавать данные со скоростью не более 1 Мбит/с, потребляя при этом не менее 100 мВт. На рынке доступны модели с более высокими скоростями передачи и более энергоэффективными характеристиками, но они характеризуются существенно более высокой ценой.
Цифровые изоляторы были представлены на рынке несколько лет назад как привлекательная альтернатива оптическим системам. Чтобы понять рабочие параметры цифрового изолятора, необходимо ознакомиться с его устройством. Важнейшими элементами и аспектами, влияющими на работу изолятора, являются тип материала, из которого изготовлен изолирующий барьер, структура этого барьера и способ передачи данных.
Материал, из которого состоит изолирующий барьер, существенно влияет на изолирующие свойства элемента, например, на максимальное рабочее напряжение. Структура изолирующего барьера и способ передачи данных во многом определяют максимальную скорость передачи и потребление электроэнергии.
Тип изоляционного материала
Цифровые изоляторы изготавливаются с использованием КМОП-технологии. Поэтому их конструируют преимущественно из материалов, доступных для использования в основном процессе производства современной электроники. Возможно использование более экзотических веществ, не входящих в стандартный технологический процесс, но это значительно увеличивает стоимость, время и сложность производства.
Изоляторы, обычно используемые при производстве КМОП-систем, включают в себя в первую очередь полимеры: полиимиды (полиимид, PI) и оксид кремния (SiO 2 ). Эти материалы характеризуются очень хорошими изоляционными свойствами и уже давно присутствуют в полупроводниковой промышленности. Полимеры также часто использовались в оптронах, поэтому их характеристики хорошо известны и подробно проверены.
Стандарты безопасности обычно устанавливают минимальные требования к сопротивлению импульсному и номинальному напряжению. Выдерживать импульс напряжения означает, что система должна быть способна корректно работать при напряжении определенного уровня в течение определенного времени. Обычно это 2,5 кВ или 5 кВ действующего напряжения в течение не менее минуты. Иногда, если необходимы повышенные требования безопасности, также указывается устойчивость к гораздо более коротким импульсам, например пиковому напряжению 10 кВ в течение не менее 50 мкс.
Цифровые изоляторы на основе полиимидов существенно не отличаются по качеству изоляции от оптических систем и характеризуются повышенным сроком службы. Системы на основе оксида кремния имеют несколько худшие изоляционные свойства, что зачастую препятствует их использованию в медицинских системах и критической инфраструктуре.
В случае полиимидов также возможно сформировать изоляционный барьер большей толщины – обычно от 14 до 26 мкм. Для оксида кремния из-за определенных ограничений производственного процесса получить барьер толщиной более 15 мкм принципиально невозможно. Более толстые слои оксида кремния могут треснуть во время производства или расслаиваться во время использования.
Строение изоляционного барьера
В зависимости от способа передачи данных через изолирующий барьер различают два типа цифровых изоляторов – системы на основе трансформаторов или конденсаторов. Индуктивные изоляторы характеризуются очень хорошим значением CMTI (переходная устойчивость в обычном режиме), составляющим 100 кВ/мкс. Для сравнения, оптопары обычно достигают значений около 15 кВ/мкс. Этот коэффициент характеризует устойчивость системы к быстрым изменениям разности потенциалов между ее массами, что может вызвать ошибки передачи.
При этом магнитная связь меньше зависит от расстояния между двумя цепями, чем в случае емкостной связи. Это позволяет разместить в системе более широкий слой изолирующего барьера, улучшая изолирующие характеристики компонента.
Основным преимуществом емкостных изоляторов является возможность работы с сигналами более высокой частоты. Системы на основе конденсаторов характеризуются меньшим током, протекающим в цепи, что важно в случае передачи данных на скорости выше 25 Мбит/с.
Методы передачи данных
Оптопары используют импульсно-модулированный световой поток для передачи данных между двумя изолированными цепями. Обычно светодиод излучает свет для передачи информации о высоком состоянии и выключается при низком уровне. Это приводит к большому потреблению электроэнергии – светодиод излучает свет в течение всего времени действия высокого сигнала.
Большинство оптронов не имеют встроенных схем формирования сигнала на входе и выходе. Эту задачу обычно оставляют на усмотрение проектировщиков системы, что иногда может доставлять хлопоты.
Цифровые изоляторы обычно используют более совершенные методы кодирования и декодирования сигналов, которые позволяют передавать информацию на более высоких скоростях и поддерживают протоколы двунаправленной связи, такие как USB и I2C.
Один из основных методов кодирования заключается в маркировке нарастающего и спадающего фронтов определенным количеством импульсов. Обычно двумя импульсами для одного типа фронта и одним импульсом для другого типа. Такое решение позволяет снизить потребление электроэнергии до нескольких десятков раз по сравнению с передачей с помощью оптопар.
Иногда, особенно в случае индуктивных изоляторов, применяют дифференциальное кодирование, позволяющее эффективно подавить общую составляющую сигнала.
Читайте также: Цифровой шум: звуки коммуникатора нарушают нашу жизнь
