Гальванически развязанный: Развязка гальваническая — что это такое?

admin | 19.07.2020 | Популярное | Комментариев нет

Содержание

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр

Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.

Если последнее предложение вас взбудоражило..

Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.

Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.

Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.

Ещё больше картинок

Микросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером

Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.

Ещё больше картинок

Микросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

Гальваническая развязка питания и двусторонняя передача данных на одном компоненте в SMD-корпусе

Новое в области гальванических развязок

Когда речь идет о создании гальванически развязанного источника питания мощностью 10 или 100 Вт, становится ясно, что тут требуются специальные знания в узкой области, источник питания следует рассматривать как отдельную задачу, и ее решение нужно поручить сведущему в этой области специалисту. Если же требуется гальванически развязать 1 Вт электрической мощности или создать гальваническую развязку одной линии данных, то такую задачу хочется решить сходу, потратив минимум рабочего времени и заняв компонентами малую площадь печатной платы. На самом же деле уменьшение мощности ничуть не сокращает сложность гальванической развязки. Гальваническая развязка мощностью 1 Вт легко может стать головной болью для разработчика, который раньше никогда не решал такие задачи. Компания Linear Technology предлагает разработчикам первое в своем роде готовое решение гальванической развязки для передачи питания и данных на одной микросхеме без внешних элементов, в корпусе для поверхностного монтажа.

Микросборки LTM288х — это семейство гальванически развязанных источников питания мощностью до 1 Вт, со встроенным гальванически развязанным каналом передачи данных. Микросборки имеют корпус для поверхностного монтажа размером 15×11,25×2,8 мм. Диапазон напряжений питания — 3,3–5 В, выходное напряжение — 5 В при токе до 200 мА. В микросборке LTM2881 реализован полнофункциональный интерфейс RS-485/RS-422, а в LTM2882 — сдвоенный интерфейс RS-232. Скорость передачи — до 20 Мбайт/с. В качестве изолирующего элемента используется трансформатор. Микросборки LTM2881 и LTM2882 доступны в корпусах LGA либо BGA и имеют модификации с диапазонами рабочих температур 0…+70, –40…+85 и –55…+105 °C.

Передача данных

Внешне микросборки LTM288x выглядят как обычные цифровые оптопары с интегрированным внутрь корпуса гальванически развязанным DC/DC-преобразователем. На самом же деле их устройство и принцип работы намного сложнее. Для передачи данных используются трансформаторы без сердечников, выполненные прямо на полупроводниковом кристалле. Физическая топология их обмоток и электрическая схема включения показаны на рис. 1.

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема

Приемники-усилители, снимающие сигнал со вторичных обмоток, имеют дифференциальные входы, что делает их нечувствительными к синфазным помехам, которые могут возникать из-за паразитической емкости между обмотками. Поскольку данные передаются через два трансформатора в противоположных направлениях, передача в одну сторону происходит независимо от передачи в другую. Но физически канал для передачи в одну сторону только один, а микросборки имеют большее количество сигналов, передаваемых через гальванический барьер. В микросборке LTM2881 помимо сигналов DI (вход передатчика) и RO (выход приемника) на изолированную сторону передаются DE (разрешение передачи) и TE (включение терминального резистора). В микросборке LTM2882 реализован сдвоенный интерфейс RS-232, то есть по два канала в каждую сторону.

Уровни напряжения на всех входах обрабатывает внутренняя логика микросборки. При изменении уровня информация об этом событии кодируется, передается через гальванический барьер, декодируется на другой стороне микросборки, проверяется на наличие ошибок, и, если ошибок нет, уровень напряжения на соответствующем выходе изменяется. В каждый момент времени в одну сторону может передаваться информация лишь об одном изменении уровня на одном входе, поэтому все входы поделены на низко- и высокоприоритетные. Если изменение уровня входного сигнала происходит одновременно на двух входах с одной стороны микросборки, то с другой стороны уровень сначала изменяется на высокоприоритетном выходе и лишь после этого на низкоприоритетном. Если уровень сигнала на высокоприоритетном входе изменяется раньше, чем закончилась обработка изменения уровня на низкоприоритетном входе, кодирование и передача по низкоприоритетному каналу приостанавливается.

Таким образом, передача сигналов по высокоприоритетному каналу происходит без задержки. Задержка передачи по низкоприоритетному каналу может достигать 40 нс. В микросборке LTM2882 высокоприоритетными являются входы T1IN и R1IN, в микросборке LTM2881 — входы AB и YZ.

Передача питания

В отличие от передачи данных, передача питания в микросборках LTM288х происходит традиционным образом. Принципиальная схема изолированного DC/DC-преобразователя показана на рис. 2. H-образный мост генерирует прямоугольные импульсы, которые через развязывающий защитный конденсатор поступают на первичную обмотку. Выпрямитель на вторичной обмотке выполнен из двух диодов и двух конденсаторов. Такая схема выпрямителя, по сравнению с более привычной схемой на четырех диодах, позволяет вдвое сократить потери, связанные с прямым падением напряжения на диодах. Ток выпрямителя заряжает сглаживающий конденсатор, от которого питается линейный стабилизатор с низким прямым падением. На выходе стабилизатора стоит еще один конденсатор.

Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема изолированного DC/DC-преобразователя

Микросборки LTM288х выпускаются в двух версиях для двух диапазонов питающих напряжений: 3–3,6 и 4,5–5,5 В. Ограничение по напряжению питания связано со встроенным DC/DC-преобразователем. Поскольку выходное напряжение у обеих версий одинаковое и равно 5 В, для работы при разных входных напряжениях требуются разные коэффициенты трансформации.

Первичная обмотка трансформатора имеет защиту от перегрузки по току, при штатной работе преобразователя эта защита не активна. Порог срабатывания защиты — 550 мА для 3-В версии и 400 мА для 5-В версии микросборки.

Трансформатор выполнен на ферритовом тороидальном сердечнике. Обмотки покрыты тефлоновой изоляцией толщиной 76 мкм. Для придания конструкции механической прочности трансформатор залит жестким диэлектриком. Преобразователь имеет КПД 65%. А зависимость выходной мощности от напряжения питания показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость выходной мощности от напряжения питания

Параметры гальванического барьера

Важнейший параметр гальванической развязки — это паразитическая емкость между изолированными сторонами. От величины этой емкости зависит, насколько хорошо гальваническая развязка препятствует прохождению синфазных помех. Когда напряжение между изолированными сторонами гальванической развязки меняется, ток заряда паразитической емкости протекает по электрическим цепям с обеих сторон гальванической развязки, вызывая падение напряжения на резисторах, которое и является помехой. Чем больше паразитическая емкость и скорость изменения напряжения, тем больше ток и напряжение помехи.

Для любой электрической схемы с гальванической развязкой можно определить максимально допустимую скорость изменения напряжения между изолированными частями, при которой уровень синфазной помехи не будет превышать допустимые пределы. Поскольку микросборки LTM288x содержат интегрированные схемы усиления и обработки прошедшего через гальванический барьер сигнала и представляют собой функционально законченные устройства, максимально допустимая скорость изменения напряжения является для них неизменным параметром и составляет 50 кВ/мкс.

Паразитическая емкость между гальванически развязанными сторонами микросборок LTM288x составляет 6 пФ. Из них 1,2 пФ приходятся на каждую из катушек передачи данных, а 3,6 пФ — на трансформатор DC/DC-преобразователя. Это очень хороший показатель для гальванической развязки: у обычных оптопар паразитическая емкость, как правило, составляет десятки пикофарад на один канал. Емкость порядка единиц пикофарад всегда существует между двумя параллельными дорожками на печатной плате, близко проложенными кабелями, проводниками внутри электронного устройства и его корпусом. Для большинства применений паразитическая емкость микросборок LTM288x пренебрежимо мала по сравнению с распределенными емкостями всех остальных частей электронного устройства.

Гальванический барьер микросборок LTM288x состоит из двух сигнальных трансформаторов, выполненных на полупроводниковом кристалле, и силового трансформатора, намотанного на ферритовое кольцо. Максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к гальваническому барьеру продолжительное время, — 400 В, для времени не более 10 с допускается напряжение до 4000 В.

Основные параметры гальванического барьера, в цифрах и единицах, приведенных к наиболее распространенным стандартам, указаны в таблице 1. Список стандартов, с которыми можно без труда сопоставить указанные значения, находится в таблице 2. Общие представления о том, как именно происходят испытания и стандартизация гальванических развязок, можно получить на примере стандартов UL1577 и IEC60747-5-2.

Таблица 1. Параметрическая таблица гальванического барьера для LTM2881 и LTM2882

Параметр	Условия	min	Тип.	max
Номинальное напряжение диэлектрической изоляции, В_RMS	1 мин.	2500
Максимальное рабочее номинальное напряжение	Продолжительное	400 В_RMS 560 В_пик.
Частичный разряд, пКл	V_pr = 1050 В_пик.			5
Устойчивость к синфазным перепадам напряжения, кВ/мкс		30
Сопротивление изоляции от входа к выходу, Ом	V_IO = 500 В	10⁹	10¹¹
Барьерная емкость от входа к выходу, пФ	f = 1 МГц		6
Длина пути утечки по корпусу, мм	L/BGA		9,53
Внешнее воздушное расстояние, мм	BGA		9,38
Сравнительный показатель пробоя, В		175
Максимально допустимое перенапряжение, В_п-п	t = 10 с			4000
Минимальное расстояние через изолятор, мм		0,06
Изолирующий барьер ESD, HBM, кВ	(Vcc2, GND2) к GND		±10
Изолирующий барьер ESD, HBM, кВ	Изолирующий I/O к GND		±8

Таблица 2. Перечень стандартов по изоляции

Стандарт	Описание
UL1577	Тестирование изоляции по стандарту безопасности
IEC 60747-5-2 (VDE-0884-10)	Оптоэлектронные приборы. Предельные значения и основные характеристики
IEC 60664-1	Координация изоляции для оборудования низковольтных систем. Принципы, требования и испытания
IEC 60950-1	Оборудование информационных технологий. Требования безопасности
IEC 61010-1	Безопасность электрических контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования
IEC 60601-1	Требования безопасности к медицинским электрическим системам
IEC 61000-4-2	Устойчивость к электростатическим разрядам
IEC 61000-4-3	Испытания на устойчивость к излученному радиочастотному электромагнитному полю
IEC 61000-4-4	Испытания на устойчивость к электрическим быстрым переходным процессам/пачкам
IEC 61000-4-5	Испытание на невосприимчивость к выбросу напряжения
IEC 61000-4-8	Испытания на устойчивость к магнитному полю промышленной частоты
IEC 61000-4-9	Испытание на помехоустойчивость к импульсному магнитному полю
CISPR 22	Оборудование информационных технологий. Характеристики радиопомех
IEC 60079-11	Взрывоопасные среды. Искробезопасная электрическая цепь «I»

Стандарт UL1577 регламентирует электрическую прочность электронного компонента для напряжений свыше 2500 В при различных внешних условиях. В соответствии с критериями этого стандарта микросборки LTM288x выдерживают постоянное напряжение 2500 В при температуре окружающей среды +100 °C. Для того чтобы производитель мог гарантировать отсутствие отказов в таких условиях работы, каждая микросборка проходит испытание при напряжении 4400 В обеих полярностей продолжительностью 1 с.

Похожий по методике тестирования, принятый в Европе стандарт IEC60747-5-2 предписывает измерять заряд микропробоев, происходящих в гальваническом барьере, когда к нему приложено постоянное напряжение, соизмеримое по величине с максимальным рабочим напряжением. Явление микропробоев связано с неоднородностями в веществе диэлектрика. Если представить слой диэлектрика в виде цепочки последовательно соединенных конденсаторов и множества таких цепочек, соединенных параллельно, то микропробоем будет называться пробой одного из таких микроконденсаторов. Микропробой не вызывает нарушения электрической целостности слоя диэлектрика. Периодически происходящие микропробои внешне выглядят как шум, появляющийся, когда к гальваническому барьеру приложено высокое напряжение. Характерный заряд микропробоев в гальванических развязках LTM288x — 5 пКл при напряжении 1050 В.

С точки зрения практического применения основное условие, от которого зависит максимально допустимое рабочее напряжение, это время наработки на отказ. Поскольку при не самых тяжелых условиях эксплуатации время наработки на отказ оказывается очень велико, оно не поддается прямому измерению. Время наработки на отказ измеряют в предельно допустимых режимах работы, затем полученные данные экстраполируют на штатные режимы работы. При этом используются различные математические инструменты, например распределение Вейбулла. Зависимость времени жизни микросборок LTM288х от постоянного рабочего напряжения показана на рис. 4. При напряжении 500 В время жизни микросборок LTM2881 и LTM2882 — более 100 лет.

Рис. 4. Зависимость времени жизни микросборок LTM288х от постоянного рабочего напряжения

Излучение электромагнитных помех

Электронные устройства, в составе которых есть гальваническая развязка, выглядят с точки зрения их электромагнитного взаимодействия с окружающим миром весьма интересно. Наличие гальванической развязки в устройстве, как правило, означает наличие двух разделенных цепей «земли» и расположение всех проводников таким образом, что гальванически не связанные части устройства оказываются максимально удалены друг от друга. Такое устройство можно рассматривать как дипольную антенну. Внешние электромагнитные излучения приводят к появлению на гальванической развязке, соединяющей две части такой «антенны», синфазного быстро меняющегося напряжения. Микросборки LTM288х сами по себе не создают синфазного напряжения между гальванически развязанными сторонами, но если в электронном устройстве это напряжение появляется из-за каких-то других паразитических емкостей, «антенна» будет излучать электромагнитные помехи.

Эту проблему можно рассмотреть с другой точки зрения. Если через паразитическую емкость гальванической развязки протекает ток, то еще один ток, равный по величине, должен протекать в противоположном направлении. Очевидно, что возвратный ток протекает через другие паразитические емкости, образующиеся между двумя гальванически разделенными шинами «земли», между проводами и проводниками на печатной плате, между печатной платой и корпусом устройства. Самый простой способ сделать ситуацию с протекающими через паразитические емкости токами предсказуемой и избавиться от этих токов в тех местах схемы, где они мешают ее работе, это поставить между гальванически развязанными «землями» устройства конденсатор с емкостью, намного превышающей сумму всех паразитических емкостей. Такой конденсатор, если его емкость и место расположения выбраны верно, сокращает напряжение, приложенное к гальваническим развязкам на сигнальных линиях, на несколько порядков.

Электромагнитные катушки, которые используются в микросборках LTM288х для передачи данных, излучают электромагнитные помехи. Линейные размеры катушек и токи в них малы, и мощность излучения не превышает максимально допустимую согласно стандарту CISPR 22 (аналог — ГОСТ Р 51318.22-99 «Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий»). Излучаемую микросборками LTM288х мощность можно вычислить, исходя из того, что катушки для передачи данных являются петлевыми антеннами, и для них справедлива формула:

где I_f — ток в катушке; r_n — радиус одного витка; N — количество витков, λ — длина волны. Насколько хорошо теоретическая зависимость излучаемой мощности от частоты совпадает с экспериментальной, измеренной на демонстрационной плате LTM288х, показано на рис. 5. Там же отмечены максимально допустимые уровни излучения согласно стандарту CISPR 22.

Рис. 5. Графики экспериментальной и теоретической зависимости излучаемой мощности от частоты для LTM288х

Для сокращения уровня электромагнитных помех, излучаемых электронным устройством, в составе которого есть гальваническая развязка, есть ряд стандартных решений. Самое действенное из них — добавить в печатную плату слой сплошной металлизации, так чтобы он покрывал всю площадь платы, образуя емкости между всеми гальванически развязанными частями. В дополнение к этому можно установить керамические конденсаторы между гальванически не связанными «землями», учитывая при этом, что конденсаторы будут эффективны на частоте ниже 300 МГц, а на более высокой частоте станет слишком существенна их паразитическая индуктивность. Подойдут конденсаторы с диэлектриком Y2, например Murata серии GF, для соответствия стандартам безопасности включенные последовательно по две штуки.

Помимо этого, рекомендуется:

Сократить физические размеры гальванически развязанных частей.
Убедиться в том, что все возвратные токи и токи помех образуют петли как можно меньшего размера. При разводке печатной платы следует избегать протекания одного возвратного тока между двумя слоями: такой путь будет иметь повышенную индуктивность и сопротивление.
Поставить как можно больше сглаживающих конденсаторов на все линии питания. Все скачки напряжения и тока на силовых линиях внутри устройства вызывают электромагнитное излучение.
Поставить фильтры синфазных помех на все подсоединенные к плате провода и кабели: синфазные трансформаторы либо ферритовые колечки для линий питания, ферритовые колечки для линий данных. Ферритовые колечки существуют как в виде специальных бандажей, надеваемых на кабель, так и в виде элементов для монтажа на плату.
Сократить напряжение питания. Чем меньше напряжение сигналов в цифровых линиях, тем меньше излучаемая ими помеха. Напряжение 3,3 В предпочтительнее, чем 5 В.

Чувствительность к электромагнитным помехам

Все электромагнитные антенны обратимы: если антенна плохо излучает, то она одновременно плохо принимает сигнал, и наоборот. Поскольку интегрированные в микросборки LTM288х катушки излучают помехи с очень небольшой мощностью, они должны быть и малочувствительны к внешним помехам. Обе микросборки LTM2881 и LTM2882 независимо друг от друга прошли сертификацию и соответствуют стандартам электромагнитной совместимости, перечисленным в таблице 3.

Таблица 3. Стандарты электромагнитной совместимости

Тест	Частота	Интенсивность поля
IEC 61000-4-3, приложение D	От 80 МГц до1 ГГц	10 В/м
	От 1,4 МГц до 2 ГГц	3 В/м
	2–2,4 ГГц	1 В/м
IEC 61000-4-8, уровень 4	50–60 Гц	30 А/м
IEC 61000-4-8, уровень 5	60 Гц	100 А/м
IEC 61000-4-9, уровень 5	Импульс	1000 А/м

Напряжение, возникающее в электромагнитной катушке при воздействии внешнего магнитного поля, определяется соотношением:

где β — индукция магнитного поля, Гс; N — количество витков катушки; r_n — радиус n-ого витка. Эта формула справедлива и для катушек, интегрированных в микросборки LTM288х.

Если напряжение, вызванное внешней помехой, оказывается соизмеримо с напряжением полезного сигнала в катушке, передача данных происходит с ошибками. На рис. 6 показана зависимость максимально допустимой индукции магнитного поля от частоты для микросборок LTM288х. В области ниже красной линии внешнее магнитное поле не будет мешать работе LTM288х. Там же, для примера, синими линиями показана индукция магнитного поля прямого провода с током на различных расстояниях. Магнитное поле провода с синусоидальным током 1000 А при частоте 1 МГц, находящегося на расстоянии 100 мм, не окажет влияния на работу микросборок LTM288х.

Рис. 6. Зависимость максимально допустимой индукции магнитного поля от частоты для микросборок LTM288х

Устойчивость к электростатическим разрядам

В системе стандартов IEC отдельно рассматривается несколько физических явлений и связанных с ними всплесков напряжения на электронном компоненте. Помимо электростатического разряда (Electro Static Discharge, ESD) электронные компоненты могут подвергаться скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током. Это явление носит название «быстрый переходный процесс» (Electrical Fast Transient, EFT), типичный пример условий его возникновения — разъединение электрического разъема.

Также в стандартах рассматривается воздействие на электронный компонент одиночной полуволны синусоидального напряжения. Последнее удобнее всего для использования в стандартах, так как условия проведения таких испытаний лучше всего поддаются описанию и воспроизводимы наиболее однозначно. Однако воздействие на электронный компонент синусоидальной полуволны не совсем соответствует тому, что происходит при его эксплуатации.

Принципиальная схема для испытаний микросборки LTM2881 на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током, показана на рис. 7. Контакты LTM2881 подключены к жилам экранированного кабеля длиной 0,5 м, а экран кабеля соединен с генератором одиночных высоковольтных импульсов через конденсатор емкостью 100–1000 пФ. Экран кабеля через катушку индуктивности, моделирующую паразитическую индуктивность длинной линии, соединен с «землей» LTM2881 с той же стороны, что и жилы кабеля. «Земля» генератора соединена с «землей» LTM2881 с противоположной стороны. В этой схеме высокое напряжение прикладывается к гальваническому барьеру LTM2881, выводы LTM2881 с одной стороны барьера оказываются при одинаковом напряжении. В этом испытании LTM2881 выдерживает кратковременные скачки напряжения до 4 кВ.

Рис. 7. Принципиальная схема для испытаний микросборки LTM2881 на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током

Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам проводятся схожим образом: импульсы напряжения прикладываются между гальванически изолированными сторонами LTM2881. Импульсы имеют меньшую длительность, чем в испытаниях на устойчивость к скачкам напряжения, происходящим при разрыве проводника с током, и большую амплитуду. Микросборки LTM288х выдерживают электростатический разряд напряжением до 8 кВ.

Заключение

Гальванические развязки LTM288х — это первые приборы, сочетающие в себе высокие электрические параметры, надежность и простоту использования. Насколько просто сделать на микросборке LTM2881 гальванически развязанный приемопередатчик RS-485, показано на рис. 8. Помимо самой микросборки LTM2881, в схеме нет никаких дополнительных элементов. Аналогично микросборка LTM2882 (рис. 9) представляет собой функционально законченный двух-канальный приемопередатчик RS-232.

Рис. 8. LTM2881 гальванически развязанный приемопередатчик RS-485

Рис. 9. LTM2882 сдвоенный гальванически развязанный приемопередатчик RS-232

Микросборки LTM288х имеют хорошую помехозащищенность, не требуют дополнительных внешних диодов для защиты от электростатических разрядов, вызванных зарядом, скопившимся на теле человека. Паразитическая емкость 6 пФ при четырех каналах передачи данных и канале питания делает микросборки LTM288х приборами, не имеющими аналогов.

Микросборки LTM288х прошли сертификацию по основным международным стандартам и готовы к использованию в новых и перспективных разработках.

Следует отметить, что микросхемы семейства LTM288x снижают общую стоимость решения, оставаясь при этом недосягаемыми для конкурентов по совокупности характеристик и преимуществ.

Простая гальваническая развязка | Аналоговые устройства

по
Фредерик Досталь

Многие электронные схемы требуют гальванической развязки. Трансформаторы обычно используются для обеспечения этого электрического разделения. Многочисленные различные топологии используются для передачи электроэнергии через трансформатор. Одним из широко используемых типов схем, особенно для малой мощности примерно 50 Вт или менее, является обратноходовой преобразователь.

На рис. 1 показана схема простого обратноходового преобразователя. Пока переключатель S1 включен, обратноходовой преобразователь накапливает энергию в сердечнике трансформатора T1. Когда S1 выключен, энергия, запасенная в сердечнике, высвобождается на выходе через вторичную обмотку T1 через безынерционный диод D1.

На рис. 1 видно, что помимо силового тракта требуется канал обратной связи, показанный зеленым цветом. Он используется для точной регулировки выходного напряжения. К сожалению, этот путь обратной связи довольно сложен, поскольку и здесь сигнал обратной связи должен передаваться через гальваническую развязку. Для этого используются оптопары или модули цифровой развязки типа ADuM319.0 используются. Сигнал обратной связи также может восприниматься на первичной стороне, и в этом случае гальваническая развязка пути обратной связи не требуется.

Гальванически развязанная обратноходовая цепь с небольшими размерами может быть легко построена с использованием преобразователя на безоптической платформе продуктов, предлагаемой Analog Devices. На рисунке 2 показан LT8301 с входным напряжением до 42 В и максимальным током переключения 1,2 А. В схеме, показанной на рисунке 2, не видно пути обратной связи от выходного напряжения обратно к импульсному стабилизатору на первичной стороне. Однако существует скрытый внутренний путь обратной связи через трансформатор. Во время выключения ключа первичной стороны измеряется напряжение, которое отражается обратно через первичную обмотку трансформатора. Это позволяет получить точную информацию о состоянии выходного напряжения на первичной стороне.

Основное различие между обычным обратноходовым преобразователем и изо-понижающим преобразователем заключается в конденсаторе C _BUCK , между первичной обмоткой трансформатора и землей. В MAX17681 первичная обмотка трансформатора управляется полумостом. Это означает, что MAX17681 имеет переключатель верхнего и нижнего плеча. В безоптическом обратноходовом преобразователе (рис. 2) есть только один переключатель, который находится между первичной обмоткой трансформатора и землей.

Изо-понижающий преобразователь можно рассматривать как простой понижающий преобразователь со связанным индуктором и, таким образом, генерируемым изолированным напряжением. Синяя линия на рис. 3 обозначает понижающий преобразователь. Напряжение на С _BUCK соответствует регулируемому напряжению этого встроенного понижающего преобразователя.

Безоптический преобразователь (рис. 2) не требует большого шунтирующего конденсатора на первичной стороне (C _BUCK) и управляется одним переключателем. Изо-понижающий преобразователь имеет то преимущество, что дополнительно имеет точно регулируемое напряжение на первичной стороне. Это также может быть использовано в системе, например, для питания электроники устройств первичной цепи. Оно должно быть установлено таким образом, чтобы при использовании имеющегося трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации желаемое гальванически развязанное напряжение В _{Генерируется OUT2}.

Фредерик Досталь — эксперт по управлению питанием с более чем 20-летним опытом работы в этой отрасли. После изучения микроэлектроники в Эрлангенском университете, Германия, он присоединился к National Semiconductor в 2001 году, где работал инженером по полевым приложениям, приобретая большой опыт внедрения решений по управлению питанием в проекты клиентов. Во время работы в National он также провел четыре года в Фениксе, штат Аризона (США), работая над импульсными источниками питания в качестве инженера по приложениям. В 2009, он присоединился к Analog Devices, где с тех пор занимал различные должности, работая над линейкой продуктов и европейской технической поддержкой, и в настоящее время привносит свои обширные знания в области проектирования и приложений в качестве эксперта по управлению питанием. Фредерик работает в офисе ADI в Мюнхене, Германия.

[ИГРАЕТ МУЗЫКА] Здравствуйте и добро пожаловать в TI Precision Labs. Видеопрограмма TI Precision Labs — это всеобъемлющая онлайн-программа для инженеров. В этом видео рассматриваются основные вопросы, которые могут возникнуть у вас по поводу гальванической развязки. Другие видео и темы можно найти на странице ti.com/precisionlabs. Эта тема Precision Lab ответит на следующие вопросы: что такое гальваническая развязка? Когда нужна гальваническая развязка? Какие существуют методы изоляции? Что такое технологии изоляции? И как узнать, нуждается ли моя система в изоляции?
Что такое гальваническая развязка? Когда два устройства или цепи обмениваются данными, сигналы постоянного и переменного тока обычно протекают свободно. В системах низкого напряжения это безопасный способ работы двух частей системы. Но когда высокое напряжение входит в одну или несколько частей системы, свободно протекающий постоянный ток и некоторые сигналы переменного тока могут быть опасны.
Присутствие высокого напряжения может привести к значительной разности потенциалов, что может привести к протеканию вредных постоянных или нежелательных переменных токов к другим частям системы. Это может привести к ошибкам или создать опасные условия работы. В этих условиях необходима гальваническая развязка.
Гальваническая развязка — это средство предотвращения постоянного и нежелательного переменного тока между двумя частями системы, при этом обеспечивая передачу сигналов и мощности между этими двумя частями. Изоляторы — это электронные устройства и полупроводниковые ИС, которые используются для изоляции. Когда необходима изоляция? Изоляция требуется в современных электрических системах по целому ряду причин. Некоторые примеры включают предотвращение поражения человека электрическим током, защиту дорогих процессоров, переменного тока или ПЛИС от риска повреждения в системе высокого напряжения, а также разрыв контура заземления и сетей связи, таких как приводы двигателей или системы преобразователей мощности.
Давайте рассмотрим три основные причины, по которым между цепями используется гальваническая развязка. Во-первых, для безопасности используется гальваническая развязка. Изоляция предотвращает протекание тока от элементов с высоким потенциалом напряжения к земле через тело человека. Среды, в которых присутствуют люди-операторы, а оборудование работает под высоким напряжением или подвергается воздействию высокого напряжения, включая риск потенциального удара молнии, требуют гальванической защиты.
С помощью гальванически развязанных цепей операторы и другие схемы защищены от потенциально смертельного или повреждающего тока. Вторая причина, по которой используется гальваническая развязка, заключается в устранении разностей потенциалов земли, также называемых контурами заземления, которые могут вызывать неточности или сбои между взаимодействующими подсистемами.
Контуры заземления возникают, когда возникает непреднамеренное физическое соединение в схеме заземления системы. Это формирует несколько путей заземления между цепями. В этом примере интерфейс RS485 используется для связи с микропроцессором или MCU. Хотя интерфейс RS485 предназначен для обработки определенного диапазона отрицательных напряжений от 7 до 12 вольт относительно известного заземления, реальность такова, что потенциалы заземления между двумя цепями могут различаться.
Это изменение потенциала земли от одной цепи к другой создает разность напряжений, которая на большой длине кабеля может вызвать протекание тока. Когда ток протекает через контур заземления, могут возникать значительные перепады напряжения, вызывающие ошибку передачи данных. Наземные линии также могут обеспечивать пути, которые могут действовать как антенны, вызывая помехи из-за окружающего шума.
Наиболее распространенным примером шума окружающей среды является шум 50/60 Гц, который может улавливать и индуцировать нежелательные токи в заземлении системы. Цифровые изоляторы используются для разрыва контура заземления, тем самым предотвращая появление шума и поддерживая целостность связи. Третья причина, по которой наиболее часто используется гальваническая развязка, заключается в повышении помехозащищенности схемы.
Хотя во многих случаях влияние контуров заземления можно отнести к категории источников шума, основным источником шумовых помех являются переходные процессы в системе. Например, когда возникают переходные процессы при переключении управления двигателем, на пути прохождения сигнала может возникнуть переходное напряжение с высокой скоростью нарастания. Это часто создает переходные процессы синфазного напряжения, для которых требуется изолятор с высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам или CMTI.
Эта помехоустойчивость используется для поддержания целостности сигнала. CMTI указывается в техпаспорте производителя, и чем выше спецификация CMTI, тем выше помехозащищенность устройства. Для изоляции цепей существует два метода изоляции: аналоговый или цифровой. Существует несколько вариантов топологии для изоляции аналогового или цифрового входа. И выбор правильного решения определяется приоритетами проектирования системы.
Аналоговая изоляция изолирует аналоговый сигнал перед аналого-цифровым преобразователем или входом АЦП, который затем оцифровывает сигнал. Изолированные усилители или изолированные АЦП чаще всего используются для изоляции аналоговых сигналов, как правило, от запирающего резистора или входа датчика. Поскольку изолирующий барьер находится перед АЦП, важно отметить, что любая ошибка во входном сигнале, возникающая из-за усилителей входного усиления, также будет оцифрована АЦП.
Это необходимо учитывать при определении точности, необходимой для достижения целевого проектного разрешения. Погрешности усиления усилителя можно избежать с помощью аналоговой изоляции, выбрав изолированный преобразователь данных, такой как изолированный дельта-сигма модулятор, который напрямую дискретизирует аналоговые входные сигналы. Эти решения обеспечивают изолированные входы с высоким разрешением за счет оптимизации для прямого подключения к шунтирующим резисторам или другим источникам сигналов с низким уровнем напряжения.
Вы можете узнать больше об изолированных усилителях и преобразователях данных в разделе «Изолированные усилители и модуляторы» серии прецизионных лабораторий. Цифровая изоляция — это метод изоляции цифровых входных сигналов. Изолятор передает цифровую связь через изолирующий барьер вслед за АЦП между микропроцессорами и ПЛИС, а затем на полевые транзисторы и драйверы затворов.
В настоящее время для аналоговой и цифровой изоляции сигналов используются три основные технологии: оптическая, индуктивная и емкостная. В каждой технологии используется разный изоляционный материал с разной диэлектрической прочностью. Диэлектрическая прочность — это измерение, используемое для описания максимального приложенного электрического поля, которое материал может выдержать, не подвергаясь электрическому пробою и не становясь электропроводным.
Измеряется в среднеквадратичных вольтах на микрометр. Чем выше значение диэлектрической прочности, тем надежнее изолятор. Здесь показан оптический изолятор или оптопара, который состоит из входного светодиода, приемного фотодетектора и выходного драйвера. Схема драйвера и схемы светодиодов обычно строятся с использованием технологии Complementary Metal Oxide Semiconductor или технологии CMOS.
Изолирующий барьер оптопары обычно изготавливается с использованием воздуха, эпоксидной смолы или компаунда. Как для входа, так и для выхода оптопары требуется отдельный источник напряжения, подключенный через выводы анода и коллектора, а также отдельные заземления, обычно подключаемые через вывод катода или эмиттера, чтобы обеспечить изоляцию сигнала между входом и выходом.
Связь внутри оптопары происходит, когда она применяет логику CMOS и генерирует входной ток, который затем создает пропорциональный выход светодиода для передачи через барьер формовочного компаунда, а затем на приемный фотодетектор и выход. Поскольку оптическая изоляция зависит от передачи света, скорость передачи данных оптопары обычно менее эффективна, чем у ее емкостных или индуктивных аналогов.
В первую очередь это связано с тем, что скорость передачи ограничена скоростью переключения светодиодов. Как и в случае со всеми светодиодами, использование светодиодов со временем способствует ослаблению сигнала, что ограничивает долгосрочную функциональность связи. Коэффициент передачи тока, или параметр CTR, описывает поведение выходного тока по отношению к входному току во времени.
Для систем, требующих длительного срока службы, необходимо либо откалибровать систему с учетом CTR, либо перепроектировать систему, чтобы обеспечить достаточную интенсивность света для требуемого срока службы. Индуктивные изоляторы основаны на трансформаторной технологии с использованием изоляционного материала, называемого полиимидом. Логические входы используются для создания электромагнитного поля и передачи пропорциональных сигналов энергии через барьер с индуктивным трансформатором.
Емкостная изоляция основана на передаче энергии через диоксид кремния или КМОП-барьер через высокочастотный носитель. Цифровой входной сигнал подается и модулируется, а затем передается через изолирующий барьер. Затем производится пропорциональный выходной сигнал уровню измеренного сигнала на входе.
Поскольку емкостные изоляторы разработаны с использованием материала с самой высокой диэлектрической прочностью для изоляции, они обеспечивают высокую скорость передачи данных, низкие тепловые профили и длительный срок службы. Чтобы узнать больше о технологиях и архитектурах цифровой изоляции, посмотрите видеоролик «Что такое цифровой изолятор?»
Требования к изоляции на уровне компонентов чаще всего определяются номинальным высоким напряжением самой системы, и важно отметить, что хотя стандарты изоляции компонентов и стандарты на уровне системы дополняют друг друга, они не совпадают. Стандарты на уровне компонентов относятся к устройству и его уровню сертификации изоляции, в то время как стандарты на уровне системы определяются отраслевыми органами по стандартизации с руководящими принципами, которые включают экологические, региональные и международные нормы, а также конкретные требования к конечному оборудованию.
Чтобы определить, какой уровень изоляции компонентов требуется для вашей системы, начните с требований сертификации на уровне системы, которые определяют необходимые рейтинги на уровне компонентов. Сертификаты и рейтинги на уровне компонентов доступны на веб-сайтах поставщиков. На этом мы завершаем знакомство прецизионной лаборатории с гальванической развязкой. Мы обсудили определение гальванической развязки, когда необходима гальваническая развязка, методы и виды гальванической развязки, а также краткое введение в стандарты и уровни сертификации для гальванической развязки.
Спасибо за ваше время. Вы можете просмотреть эту и другие темы по изоляции на сайте www.ti.com/isolation. Пожалуйста, продолжайте смотреть, чтобы пройти викторину по гальванической развязке.
Вопрос номер 1. Верно или неверно. Гальваническая развязка предотвращает передачу сигналов между двумя цепями. ЛОЖЬ. Гальваническая развязка используется для обеспечения прохождения сигналов, но для предотвращения появления постоянных токов и нежелательных паразитных токов переменного тока.