Устройство емкостного изолятора-барьера Возможные области применения цифровых изоляторов - схемы, работающие в непосредственной близости от мощных двигателей или других источников сильного электромагнитного излучения. В такой среде очень велика вероятность потерь данных или возникновения ошибок при передаче информации. Учитывая этот очень важный факт, компания Texas Instruments применила в своих изоляторах новый принцип гальванической развязки - сдвоенный емкостной барьер.

В изоляторах серии ISO72x сигнал дифференцированно пересекает изоляционный барьер через два конденсатора состоящих из металлической пластины и проводящей кремниевой подложки, расположенных по двум сторонам диэлектрика - оксида кремния SiO2 (рис. 1).

На рис. 2 можно видеть соединения внутри ИС ISO721 между двумя гальванически изолированными подложками, на одной из которых расположены емкостные барьеры.

Рис. 2. Внешний вид внутренних соединений между двумя подложками ИС ISO721

Для передачи постоянной составляющей сигнала, ISO72x использует два канала, как показано на рис. 3.

Первый, высокоскоростной канал (нижний по схеме) передает фронты (переходы) сигнала. Второй, низкочастотный (верхний по схеме) канал при помощи ШИМ-модуляции передает дифференциальный сигнал, скважность которого прямо пропорциональна уровню постоянной составляющей входного сигнала.

Переходные процессы при быстро нарастающем (высокочастотном) сигнале могут нарушить передачу данных через изоляционный барьер. К примеру, паразитная емкость изоляционного барьера в оптоизоляторе, как показано на рис. 4, обеспечивает путь для прохождения быстронарастающего сигнала, в результате чего происходит искажения принимаемых данных в выходных цепях.

Сетка Фарадея может отвести часть этого смещенного потока от важных выходных цепей оптических и индуктивных изоляторов.

В емкостных изоляторах сетка Фарадея - не подходящее решение проблемы, так как вместе с блокировкой быстрых переходных процессов происходила бы блокировка электрической области, используемой для передачи данных. Чтобы обеспечить устойчивость к переходным процессам при быстронарастающем сигнале, семейство цифровых емкостных изоляторов ISO72x передает во вторичный приемный канал только переходы сигнала данных. В таблице 1 указаны допустимые скорости нарастания входного сигнала для разных типов изоляторов.

Как видно из таблицы, ISO721 имеет наилучшее значение параметра устойчивости к быстрым переходным процессам, что позволяет ему надежно передавать данные со скоростью до 150 Mbps.

Важно отметить, что кроме всего прочего, цифровые изоляторы серии ISO722х имеют наименьший дрейф (джиттер - jitter) задержки передачи сигнала. Зависимость максимального смещения задержки от скорости передачи данных при различных напряжениях питания отображена на рис. 5.

При скорости передачи данных 100 Mbps, уровень джиттера менее 0,6 нс!

В таблице 2 указаны параметры потребляемой мощности различных типов цифровых изоляторов производства Texas Instruments (TI), Analog Devices (AD) и Avago Technologies.

Как видно из таблицы, представленные оптические изоляторы потребляют больше энергии, чем индуктивные и емкостные изоляторы.

На рис. 6 представлен сравнительный график зависимости потребляемого тока одним изоляционным каналом от скорости передачи сигнала для различных цифровых изоляторов.

Рис. 6. Сравнительные зависимости потребляемого тока

Среднее время до отказа (MTTF - Mean Time To Failure) - стандартный параметр надежности электронных приборов.

Таблица 3 отображает параметр MTTF для оптического, индуктивного и емкостного цифровых изоляторов.

Из таблицы видно, что ISO721 значительно превосходит по надежности представленные индуктивные и оптические решения. К сожалению, в технических описаниях на ADuM1100 параметр надежности MTTF не представлен.

Диэлектрики имеют свойство изоляции в соответствии с их физическим и химическим составом, который содержит различные примеси и неоднородности.

Понятно, что в течение времени эти примеси приводят к изменению изоляционных свойств материала и в конечном итоге могут вызвать выход из строя (пробой) диэлектрика. Эти изменения могут ускориться в среде сильного электромагнитного излучения, высокой температуры и под воздействием электрического поля, создаваемым высоким напряжением, приложенным к изолятору.

У большинства цифровых изоляторов в техническом описании указаны только главные параметры. Большинство общедоступных изоляторов (включая семейство ISO72x) нормированы на 4 кВ значение пикового напряжения между входом и выходом (VIOTM). Но, важно понимать, что эта оценка не предусматривает, что изолятор будет противостоять этому высокому напряжению в течение неограниченного времени и, тем более, при произвольно высокой температуре окружающей среды. Соответственно, учитывая только этот параметр, невозможно предсказать реальное поведение изолятора в течение длительного времени.

Другая характеристика изоляции, представляющая интерес, - это рабочее напряжение (VIORM) или непрерывно действующее напряжение. Этот параметр подразумевает, что при данном напряжении между входом и выходом изолятор сохраняет свои свойства изоляции в течение всей жизни. Обычно, для полупроводниковых приборов в качестве минимального срока службы принимается цифра 10 лет. В таблице 4 отображены допустимые напряжения изоляции для разных типов изоляторов в соответствии со стандартами UL 1577 и IEC 60747-5-2.

Еще один параметр, описывающий надежность изоляции - TDDB (Time-Depended Dielectric Breakdown) определяет время до пробоя диэлектрического материала, такого как оксид кремния (SiO2), под воздействием высокого напряжения. Один из методов прогнозирования этого параметра - расчет при помощи физико-математической, так называемой, E-модели (E-Model), основанной на физической деградации диэлектрика. Не останавливаясь на описании этого метода, который достаточно подробно описан в различных источниках сети интернет, приводим таблицу с результатами расчета параметра TDDP для емкостных изоляторов серии ISO72x для различных значений напряжений между входом и выходом (табл. 5).

Не желая использовать E-модель расчета параметра TDDB, различные производители применяют любые удобные для них данные и методы, не базирующиеся на физической деградации диэлектрика. Для примера, на рис. 7 отображен график с зависимостью параметра TDDB для ISO721 c данными, полученными при помощи упрощенного общепринятого метода расчета.

Как можно видеть, таким способом были полученные более значительные сроки службы изолятора. Опубликованные данные другого производителя для индуктивного изолятора также включены в график для сравнения (конкурент А).

Семейство изоляторов ISO72x может благополучно работать в течение более чем 25 лет при рабочем напряжении вход-выход 560 вольт. Результаты также показывают, что такой изоляционный барьер является очень «крепким» и способен противостоять многократным всплескам высокого напряжения до 4000 вольт пикового или 2828 вольт среднеквадратичного (RMS) значения.

Устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей

Незащищенный никакими внешними средствами, изолятор ISO721 успешно прошел испытания по устойчивости к внешним электромагнитным полям в соответствии с 5-м классом*  (* Стандарт, определяющий 5-й класс, относится к серьезным индустриальным средам, для которых характерны проводники, шины проводников, линии среднего напряжения или высоковольтные линии по которым передаются десятки килоампер; линии грозозащит высотных сооружений, переносящих ток молнии) требований предъявляемых стандартом IEC6100-4-8 (электромагнитные поля промышленных частот) и стандартом IEC61000-4-9 (импульсные электромагнитные поля).

На рис. 8 представлен график со сравнительным анализом устойчивости изоляторов к электромагнитным полям на примере емкостного (ISO721, производства Texas Instruments) и индуктивного (ADuM1100, производства Analog Devices) принципа действия и их соответствие 5 классу (наивысшему) стандартов IEC6100-4-8 и IEC61000-4-9.

Данные для ADuM1100 получены из его технического описания версии «E» (рис. 8), взятого с официального сайта производителя (с конвертацией в удобные для сравнения единицы измерения).

Согласно расчетам, емкостная пара в дифференциальной цепи ISO72x с медленным сигналом и двукратном запасе по шуму требует плотности внешнего электромагнитного поля более чем 12,3 Вб/м² на частоте 1 МГц. К примеру, это поле сгенерированное более чем 10 миллионами ампер, проходящими через 10-см проводник, на расстоянии 10 см от прибора. Маловероятно, что подобное вообще когда-либо может произойти в природе или любом изготовленном оборудовании. Даже если это произойдет, то более вероятно, что компоненты, окружающие ISO72x первыми выйдут из строя.

Для практического ознакомления с цифровыми емкостными изоляторами, компания Texas Instruments выпускает демонстрационную плату ISO721EVM, внешний вид которой можно видеть на рис. 9.

Рис. 9. Демонстрационная плата ISO721EVM

Цифровые изоляторы со сдвоенным емкостным барьером выводят отрасль на самые высокие скорости передачи данных в сочетании с высокой надежностью передачи, обеспечивают на шесть порядков более высокую устойчивость к воздействию магнитных полей, чем существующие индуктивные изоляторы и потребляют на 60% меньше мощности, чем быстродействующие оптроны.

Таблица 6. Семейство цифровых емкостных изоляторов производства Texas Instruments (по состоянию на октябрь 2007 года)

Новые изоляторы повышают быстродействие системы и снижают стоимость в применениях с высокими напряжениями и высоким уровнем шумов, таких как автоматизация производства, управление технологических процессов и системах сбора данных.

Литература

1. Технические описания (datasheets) рассматриваемых приборов с интернет-сайтов производителей: http://www.avagotech.com/ , http://www.analog.com/ , http://www.ti.com/  

2. Application Reports с интер­нет-сайта http://www.ti.com/ : slla181, slla197, slla198.

Ответственный за направление в КОМПЭЛе - Мария Рудяк