Цифровой изолятор это: Микросхемы цифровых изоляторов

Микросхемы цифровых изоляторов

1. Главная
2. Продукция
3. Интегральные микросхемы
4. Микросхемы для гальванической развязки
5. Цифровые изоляторы

Микросхемы цифровых изоляторов предназначены для реализации гальванически разделенных каналов передачи цифровых сигналов, согласования уровней логических сигналов или исключения паразитных контуров с замыканием через землю.

► другие Микросхемы для гальванической развязки

Каждый канал изоляторов производства Silicon Labs работает аналогично оптрону, но вместо модулированного светового потока передается модулированный радиосигнал. Цифровые изоляторы реализованы по КМОП-технологии и обеспечивают устойчивый изолированный канал передачи данных без необходимости инициализации радиочастотной части и подключения внешних элементов.

Основные особенности:

• малое энергопотребление;
• устойчивость работы в условиях мощных электромагнитных помех;
• малое энергопотребление.

Номенклатура цифровых изоляторов Silicon Labs включает несколько десятков микросхем, различающихся по количеству прямых и обратных каналов передачи данных, по скорости обмена данными, напряжению изоляции и другим характеристикам. 

Технические характеристики и особенности работы

Вход цифрового изолятора модулирует входной сигнал несущей частотой радиочастотного генератора, используя метод амплитудной манипуляции (ООК, on/off-key), где сигнал «лог. 1» определяется наличием радиосигнала, а сигнал «лог. 0» — его отсутствием. В качестве изоляционного материала используется диоксид кремния, обеспечивающий изоляцию в 500 В действующего значения переменного напряжения на каждый микрон. В цифровых изоляторах Si80xx, Si84xx и Si86xx барьера настолько мала, что для передачи данных достаточно микромощного сигнала, который исключает взаимное влияние каналов между собой. По этой же причине использование цифровых изоляторов фирмы Silicon Labs не создается помех во внешний эфир, а влияние электромагнитных помех и синфазного шума не искажает передаваемый сигнал благодаря дифференциальной передаче радиосигнала. Схема включения цифрового изолятора включает в себя два источника питания, один из которых находится на стороне передатчика, а другой на стороне приемника. На рисунке представлена временная диаграмма состояний линий питания и выходного сигнала.

Ассортимент микросхем

В описанной линейке цифровых изоляторов отдельно выделяются серии Si840x и Si860x – изоляторы с двунаправленными каналами, совместимые с интерфейсами I2C, SMBus и PMBus. Подробнее…

Сравнение с аналогичными решениями

Цифровые изоляторы – одно из приоритетных направлений развития компании Silicon Labs, микросхемы Si86xx и Si84xx завоевали большую популярность на российском рынке, часто их используют в качестве замены аналогичным микросхемам Analog Devices и оптронам. По сравнению с оптронной развязкой цифровые изоляторы в несколько раз компактнее, меньше зависят от температуры окружающей среды и питающих напряжений. С переходом на микросхемы цифровых изоляторов исчезает необходимость учитывать деградацию светопропускающего слоя оптрона, увеличивается устойчивость к синфазным помехам.

Наиболее распространенный аналог цифровых изоляторов Si84xx и Si86xx — изоляторы ADUMxxx от Analog Devices. Архитектура изоляторов Silicon Labs проще и вместе с тем более надежна, на рынке изоляторы Silicon Labs предлагаются в среднем на 20% дешевле. Таблицу замен изоляторов ADUM на изоляторы фирмы Silicon Labs можно скачать отдельным документом в формате PDF.

• другие Микросхемы для гальванической развязки

Статьи

Март 2016

Решения для гальванической развязки компании Silicon Labs. Специализированные микросхемы

   1,5 MB

Октябрь 2015

Цифровые изоляторы Silicon Labs

   929,38 KB

Апрель 2012

Применение цифровых изоляторов Si84xx фирмы Silicon Labs

   255,23 KB

Май 2011

Цифровые изоляторы Si84xx фирмы Silicon Labs

   1,81 MB

Каталоги, брошюры, CD-диски

Контакты

«К барьеру!» – Новые цифровые изоляторы Maxim

18 января 2019

телекоммуникациисистемы безопасностимедицинаавтоматизацияответственные применениялабораторные приборыMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

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

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

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

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

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+

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

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

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

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 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

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

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

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

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

3. Изолированный 8-канальный дискретный вход размером с кредитку

Малые размеры и энергопотребление, высочайшая надежность, простота настройки и гибкость применения – вот основные требования, предъявляемые к современным системам управления техпроцессами. Эпоха громоздких централизованных модульных ПЛК подходит к концу, уступая место компактным распределенным системам. Одним из ключевых элементов такой системы может быть модуль MAXREFDES64#, представляющий собой 8-канальный изолированный дискретный вход. Устройство можно использовать как образец при проектировании собственных решений ПЛК, применять как самостоятельное изделие, подключив к ПК через USB, либо в составе модульного микро-ПЛК.

В составе модуля имеется микросхема дискретного входа с сериализатором MAX31913, данные с которой передаются через изолятор MAX14850 на микроконтроллер STM32F1. Контроллер используется для преобразования данных и передачи значений дискретных входов в ПК через конвертер UART в USB. Питание +24В подается на плату от внешнего ИП, при этом для создания изолированных шин питания +24В и +5В используется преобразователь MAX17498C. А для питания интерфейса UART/USB и микроконтроллера задействован понижающий конвертер MAX17515.
Для референс-дизайна MAXREFDES64#  доступен полный комплект документации. Скачать.

4. Изолированная измерительная система для систем сбора и анализа данных

Одним из важнейших элементов современной распределенной системы управления техпроцессом является модуль аналогового ввода. Он может представлять собой целую систему, включающую в себя АЦП, входы для датчиков, изоляторы для защиты интерфейсов, интегрированную схему коммутации аналоговых сигналов, изолированную систему питания. Такая измерительная система позволяет получать полный набор данных, необходимых для управления процессами умного предприятия. Компания Maxim Integrated имеет в портфолио полный набор компонентов для реализации измерительного тракта, а качестве образца для проектирования можно использовать модуль MAXREFDES67#, который имеет в составе 24-бит 6-канальный АЦП MAX11254, прецизионный ИОН MAX6126, цифровые изоляторы интерфейса АЦП MAX14930 и MAX14932, контроллер STM32F4, интерфейс UART/USB. Входной тракт реализован на базе коммутаторов MAX14763, буфера MAX44267, низкошумящего ОУ MAX44245. Кроме того, в составе модуля есть термометр MAX31723 и входы для термопар и терморезистора.

Для референс-дизайна MAXREFDES67# доступен полный комплект документации: Скачать.

Дополнительные материалы:

• Новый уровень безопасности в промышленных применениях: обзор решений с гальванической изоляцией от MAXIM
• Умные изоляторы: компоненты Maxim для изоляции цифровых сигналов
• Высокий рейтинг: новый 600В изолятор RS-232(MAX33250E) от Maxim Integrated
• MAX14430 – новые быстрые малопотребляющие цифровые 3,75kV изоляторы
• MAX14483 – новый 6-канальный изолятор для высоконадежного SPI
• MAX14851 – новый, 600В, 6 –канальный изолятор с двунаправленными каналами
• MAX22192 – 8-канальный драйвер дискретных входов с гальванической изоляцией
• MAXM22510 — изолированный RS-485 со встроенным питанием
• MAX33250E/51E — новый драйвер RS-232 с гальванической изоляцией

•••

Что такое цифровой изолятор?

1. Тренировочный дом TI
2. Введение в изоляцию
3. Что такое цифровой изолятор?

Введение в изоляцию

Электронная почта

[ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ МУЗЫКИ] Здравствуйте и добро пожаловать в TI Precision Labs. Видеопрограмма Precision Lab компании TI представляет собой всеобъемлющий онлайн-учебный план для инженеров. В этом видео рассматриваются основные вопросы, которые могут у вас возникнуть о цифровых изоляторах. Другие видео и темы можно найти на странице ti.com/precisionlabs.
Что такое цифровой изолятор? Гальваническая развязка является необходимой формой защиты всей электроники, взаимодействующей с людьми или другими цепями, при наличии возможных событий высокого напряжения. В случае безопасности человека или даже электронной защиты высоковольтное событие может варьироваться от десятков вольт до киловольт.
За последние несколько десятилетий технология, используемая для изоляции цепей, перешла от оптических оптронов к кремниевым, при этом цифровые изоляторы стали предпочтительным выбором для все большего числа разработчиков. В этом видео основное внимание будет уделено цифровым изоляторам на емкостной основе. Общее введение в технологии изоляции можно найти в прецизионной лаборатории под названием «Что такое гальваническая изоляция?»
Эта прецизионная лаборатория ответит на следующие вопросы. Что такое цифровой изолятор? Как строятся емкостные цифровые изоляторы? Как работает периферийный цифровой изолятор? Как работают On-Off Keying или цифровые изоляторы OOK? Какая архитектура цифрового изолятора лучше всего подходит для моего проекта? Давайте начнем. Что такое цифровой изолятор? Цифровые изоляторы — это интегрированные устройства, используемые для изоляции цифровых сигналов и передачи цифровой связи через изолирующий барьер.
Поскольку цифровые изоляторы работают с предварительно оцифрованным потоком данных, они обычно следуют за АЦП в системе, расположенной между микропроцессором и FPGA, которые находятся на разных уровнях питания, или между интерфейсными коммуникационными платами с общими задними панелями. В этом примере цифровой изолятор защищает линию данных MCU от выходного цифро-аналогового преобразователя в контуре от 4 до 20 мА.
При рассмотрении варианта использования, подобного показанному здесь, становится ясно, что при использовании цифрового изолятора также необходим изолированный источник питания. Более подробную информацию о конструкции источников питания для изоляторов можно найти в видеоролике Precision Lab под названием «Как спроектировать изолированное питание для цифровых изоляторов». Давайте теперь подробнее рассмотрим сам цифровой изолятор.
Как работает цифровой изолятор? Здесь показана схема контактов типичного цифрового изолятора. Он состоит из двух изолированных источников питания — VCC1 и VCC2 — двух заземлений — GND1 и GND2 — и входных и выходных контактов с обеих сторон, относящихся к соответствующим заземлениям. Входной сигнал модулируется через передающую ИС, а затем проходит через высоковольтный емкостной барьер и по соединительному проводу на приемную ИС.
В идеальном случае цифровые входы и выходы идентичны при подаче входного сигнала. Как упоминалось ранее, цифровые изоляторы чаще всего используются с изолированными источниками питания на отдельных площадках, что также полезно для предотвращения помех от земли и шумовых токов от источников питания. Цифровые изоляторы используют технологию логического переключения CMOS или TTL и имеют заданные по умолчанию состояния выходов высокого или низкого уровня, которые можно найти в разделе функционального режима устройства в техническом описании, подобно показанному здесь.
Как видно из таблицы, если входы отключены или BCC1 отключен, выход перейдет в высокое логическое состояние. Такое поведение называется отказоустойчивым высоким уровнем. В качестве альтернативы, некоторые устройства перейдут в отключенное состояние, что называется отказоустойчивым низким уровнем. Это поведение определено, чтобы помочь предотвратить появление кодов ошибок в случае перебоя в подаче питания или пониженного напряжения.
Логические уровни для цифровых изоляторов могут находиться в диапазоне от 1,8 до 5,5 В для обоих источников питания, VCC1 и VCC2, хотя некоторые устройства могут поддерживать больший диапазон питания. Поскольку изолятор основан на двух отдельных внутренних ИС, для каждой стороны цифрового изолятора можно использовать два разных напряжения питания. Теперь, когда у нас есть общее представление о том, как цифровой изолятор работает на функциональном уровне, мы обсудим внутреннюю структуру и архитектуру цифровых изоляторов.
Как строятся емкостные цифровые изоляторы? В емкостных цифровых изоляторах используются диэлектрики на основе кремния, созданные по технологии CMOS, и они состоят из двух отдельных интегральных схем или интегральных схем — входной цепи и выходной цепи, соединенных соединительными проводами и высококачественным, устойчивым к высоким напряжениям компаундом. Показаны поперечное сечение и рентгеновский снимок цифрового изолятора.
Изолятор цепи цифрового изолятора может быть одинарным или двойным емкостным барьером из диоксида кремния, который по своей конструкции может выдерживать чрезвычайно высокие напряжения. Лед на емкостной основе позже изготавливается из материала с самой высокой диалектической прочностью в полупроводниковой промышленности и производится в строго контролируемой чистой комнате на производстве пластин, что делает вариации между частями минимальными.
Из-за строго контролируемой производственной среды и качества диэлектрика из диоксида кремния ключевыми факторами, влияющими на характеристики изоляции, являются сама технология и архитектура конструкции. В емкостных изоляторах обычно используются две основные архитектуры модуляции — манипуляция включением-выключением, или OOK, или пограничная. Оба имени описывают временные схемы, используемые для запуска изменения выхода.
Как работает граничный изолятор? С цифровым изолятором на основе фронта, подобным показанному здесь, передача данных инициируется входным импульсом заданной длительности. Канал ввода-вывода состоит из двух внутренних каналов данных, высокочастотного канала с пропускной способностью от 100 кбит/с до 25 мегабит в секунду и низкочастотного канала, охватывающего диапазон от 100 кбит/с до постоянного тока.
Несимметричный входной сигнал, поступающий в высокочастотный канал, разделяется на дифференциальный сигнал через вентиль инвертора на входе. Сети емкостных резисторов затем дифференцируют сигнал на импульсы переходных процессов, а логика принятия решения на выходе компаратора высокочастотного канала измеряет длительность между переходными процессами сигнала. Если продолжительность между двумя последовательными переходными процессами превышает определенный предел времени, как в случае низкочастотного сигнала, логика принятия решения заставляет выходной мультиплексор переключаться с высокочастотного на низкочастотный канал.
Низкочастотные сигналы модулируются по ширине импульса несущей частотой внутреннего генератора, создавая высокочастотные сигналы, способные преодолевать емкостной барьер. Генератор используется для установки временной шкалы канала ШИМ постоянного тока с временной базой, обычно исчисляемой десятками наносекунд. Затем связь ШИМ пакетируется, причем наименьшие возможные пакеты находятся выше частоты генератора.
Изолятор на основе фронта разработан таким образом, что эта частота генератора не будет отражаться в выходном спектре. Поскольку вход модулируется, фильтр нижних частот необходим для удаления высокочастотной несущей из фактических данных перед их передачей на выходной мультиплексор и на выходные контакты, тем самым воссоздавая электрически изолированную версию цифрового входного сигнала.
Как работают оцифровывающие изоляторы с двухпозиционной манипуляцией? В архитектуре on-off keying или OOK входящий цифровой битовый поток модулируется внутренним тактовым генератором расширенного спектра с частотой, которая работает за пределами используемой скорости передачи данных устройства. Эта тактовая частота используется для генерации сигнализации OOK, так что одно из входных состояний представлено передачей несущей частоты, а другое состояние — отсутствием передачи.
Этот модулированный сигнал подается на изолирующий барьер и появляется в ослабленной форме на приемной стороне, состоящей из предусилителя для усиления входящего сигнала, за которым следует детектор огибающей. Он служит демодулятором для восстановления исходного цифрового шаблона. Схемы формирования сигнала передачи и приема используются для улучшения подавления синфазного сигнала канала, что приводит к повышению устойчивости к переходным процессам в синфазном режиме или CMTI.
Какая архитектура лучше всего подходит для моего проекта? Одним из основных преимуществ схемы модуляции на основе краев является более низкий профиль мощности по сравнению с архитектурой OOK. Это связано с тем, что изолятор модуляции на основе фронта пропускает сигнал через изолирующий барьер только во время передачи данных или фронтов. Это приводит к значительно более низкому энергопотреблению по сравнению с архитектурой OOK, которая находится в непрерывном состоянии выборки и передачи модулированного входного сигнала через барьер.
Из-за этой непрерывной передачи архитектура OOK требует значительно большей мощности, чем архитектура на основе ШИМ. Существуют ли конкретные проблемы и преимущества для этих архитектур? Ну, есть компромиссы. Для пограничной архитектуры после инициации сигнала данных дальнейшая выборка входных и выходных состояний не производится.
Это действительно создает риск ошибки в случае пропадания напряжения или сбоя сигнала данных, и поэтому требуется встроенная схема обновления для снижения риска ошибок в этих условиях, чтобы усилить состояние входа на выходе. В случае схемы ООК непрерывная выборка входа в случае непреднамеренного питания или изменения входного сигнала не покажет ошибок на выходе.
В то время как периферийная архитектура имеет определенные преимущества в энергопотреблении благодаря своей схеме дискретизации, ранее вы упомянули, что схемы формирования сигнала и схема модуляции с двухпозиционной манипуляцией обеспечивают преимущества собственного шума и переходной характеристики с гораздо более высоким CMTI и дополнительным преимуществом более высоких данных. тарифы. Итак, какая топология емкостного цифрового изолятора действительно лучше всего подходит для вашего проекта?
В дополнение к критическим характеристикам изоляции при рассмотрении каждой архитектуры просто не забудьте учитывать дополнительные приоритеты проектирования, такие как мощность и скорость передачи данных, максимально возможная устойчивость к синфазным помехам и управление условиями ошибок, чтобы помочь определить наилучший вариант для вас.
На этом мы завершаем знакомство с цифровыми изоляторами. Мы обсудили, что цифровые ледовые лидеры используются для передачи цифровых сигналов через изолирующий барьер и требуют изолированного питания и заземления. Емкостная изоляция достигается с помощью кремниевого диэлектрика, самого высокого диэлектрического изоляционного материала в отрасли. Что существуют две основные архитектуры, используемые для емкостных цифровых изоляторов — граничные или OOK.
Ключевыми различиями между конструкциями емкостных цифровых изоляторов на основе граничных устройств и емкостных цифровых изоляторов на основе OOK является состояние вывода, при котором как решения цифровой изоляции на основе краев, так и решения на основе OOK имеют предопределенные выходные состояния высокого и низкого уровня по умолчанию, указанные в техническом описании устройства. Передача данных, при которой граничные решения передают поток данных через изолирующий барьер вслед за входным импульсом заданной длины с использованием краев входного потока для построения выходного потока.
И решения на основе OOK, или On-Off Keying, которые передают поток данных через барьер через высокочастотную несущую, обеспечивая улучшенные характеристики шума и CMTI. И, наконец, энергопотребление. Пограничные архитектуры предлагают более низкое энергопотребление и более низкую скорость передачи данных, в то время как OOK предлагает более высокую мощность при более высокой скорости передачи данных.
На этом доклад Precision Labs завершается, «Что такое цифровые изоляторы?» Спасибо за просмотр. Пожалуйста, попробуйте онлайн-викторину, чтобы проверить, что вы узнали.
Вопрос 1. Какой изоляционный материал обеспечивает наибольшую диэлектрическую прочность? Формовочная смесь, полиимид, воздух или диоксид кремния? Диоксид кремния обеспечивает самую высокую диэлектрическую прочность около 500 вольт на микрометр.
Наиболее часто используемые технологии цифровых изоляторов являются оптическими и индуктивными, емкостными и оптическими или емкостными и индуктивными. Емкостная и индуктивная типологии наиболее часто используются для цифровой изоляции.
Верно или неверно. Цифровые изоляторы могут работать с двумя разными напряжениями питания для VCC1 и VCC2. Истинный. VCC1 и VCC2 могут работать при разных значениях и при этом сохранять рабочие характеристики.
Каковы три ключевых компромисса между цифровой архитектурой на основе граничных устройств и цифровой архитектурой On-Off Keying? Скорость передачи данных, энергопотребление и шумоподавление являются наиболее распространенными компромиссами между граничными и емкостными архитектурами.
На этом заканчивается доклад TI Precision Lab «Что такое цифровой изолятор?» Спасибо за просмотр. Пожалуйста, просмотрите другие темы на www.ti.com/precisionlabs.

Предыдущий
Далее

Описание

1 мая 2018 г.

В этом разделе серии TI Precision Labs — Isolation представлен взгляд изнутри на современные цифровые изоляторы. В этом видео будут рассмотрены следующие вопросы:

• Что такое цифровой изолятор?
• Как работают емкостные цифровые изоляторы?
• Как работает изоляция на основе краев?
• Как работает изоляция On Off Keying (OOK)?
• Что нужно знать при использовании цифрового изолятора?

Дополнительная информация

Скайворкс | Изоляция — цифровые изоляторы

• Дом
• Продукты
• Изоляция — цифровые изоляторы

Наши цифровые изоляторы CMOS позволяют создавать более дешевые, меньшие размеры, более высокие характеристики, меньшее энергопотребление и более надежные изолированные схемы, чем конкурирующие решения на основе оптронов.