Цифровой изолятор что это

10

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон?

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.

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.

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

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

Анатомия цифровых изоляторов

В течение многих лет разработчики промышленных, медицинских и других изолированных систем имели ограниченные возможности для реализации безопасному изолированию: единственным разумным выбором была оптопара. Сегодня цифровые изоляторы предлагают преимущества в производительности, размере, стоимости, энергоэффективности и интеграции. При выборе правильного цифрового изолятора важно понимание природы и взаимозависимости трех ключевых элементов цифрового изолятора. Этими элементами являются изолирующий материал, структура изолятора и способ передачи данных.

Разработчики применяют развязку из-за правил техники безопасности или для уменьшения шума от контуров земли и т. д. Гальваническая развязка обеспечивает передачу данных без электрического соединения или пути утечки, которые могут создавать угрозу безопасности. Тем не менее, развязка накладывает ограничения, такие как задержки, энергопотребление, стоимость и размер. Целью цифрового изолятора является соблюдение требований безопасности при минимизации этих проблем.

Оптопары, традиционный изолятор, несут наибольшие потери, потребляя высокий уровень мощности и ограничивая скорость передачи данных до 1 Мбит/с. Доступны и более энергоэффективные и высокоскоростные оптопары, но здесь уже появляется проблема с более высокой ценой.

Цифровые изоляторы стали использоваться более 10 лет назад для уменьшения проблем, связанных с оптопарами. Они используют схемы на основе CMOS логики и предлагают значительную экономию в деньгах и энергии при значительном улучшении скорости передачи данных. Характеристики цифровых изоляторов определяются элементами, указанными выше. Изоляционный материал определяет внутреннюю изоляционную способность и выбирается, исходя из обеспечения соответствия стандартам безопасности. Структура изолятора и метод передачи данных выбираются, исходя из необходимости преодоления указанных проблем. Все три элемента должны работать вместе, чтобы сбалансировать проектные цели, но единственная цель, которая не может быть скомпрометирована и «сбалансирована» – это способность соответствовать правилам безопасности.

Изоляционный материал

Цифровые изоляторы используют плавильные CMOS процессы и ограничиваются материалами, обычно используемыми в плавлении. Нестандартные материалы усложняют производство, что приводит к плохой технологичности и удорожанию. Типовые изолирующие материалы включают в себя полимеры, такие как полиимид (PI), который может быть выполнен в виде тонкой пленки, и диоксид кремния (SiO₂). Оба имеют хорошо известные изолирующие свойства и годами используются в производстве стандартных полупроводниковых приборов. Полимеры стали основой для многих оптопар, дав им признание в качестве высоковольтного изолятора.

Стандарты безопасности обычно определяют выдерживаемое напряжение в течение 1 минуты (обычно от 2,5 до 5 кВ, среднеквадратичное значение) и рабочее напряжение (обычно от 125 до 400 В, среднеквадратичное значение). В некоторых стандартах также указывается более короткая длительность и более высокое напряжение (например, пиковое напряжение 10 кВ в течение 50 мкс) как часть сертификации для усиленной изоляции. Как показано в таблице 1, изоляторы на основе полимеров/полиимидов дают лучшие изоляционные свойства.

Цифровые изоляторы на основе полиимидов аналогичны оптопарам и имеют увеличенный срок службы при стандартных рабочих напряжениях. Изоляторы на основе SiO₂ обеспечивают более слабую защиту от скачков напряжения, что исключает их использование в медицинских и других применениях.

Внутреннее напряжение у полимеров также различно. Полиимид имеет более низкое напряжение, чем SiO₂, что позволяет, при необходимости увеличивать толщину слоя. Толщина SiO₂ и, следовательно, изоляционная способность ограничены; напряжение при толщине более 15 мкм может привести к появлению трещин во время обработки или расслоению в течение срока службы изолятора. В цифровых изоляторах на основе полиимида используются слои изоляции толщиной до 26 мкм.

Структура изолятора

Для магнитной или емкостной связи данных через изолирующий барьер цифровые изоляторы используют трансформаторы или конденсаторы; по сравнению с оптопарами, которые используют свет от светодиодов.

Через обмотку трансформатора пропускается импульс тока (как показано на рисунке 1), что создает небольшое локализованное магнитное поле, которое индуцирует ток во второй обмотке. Длительность импульсов тока мала, 1 нс, поэтому среднее значение тока также мало.

Рисунок 1 – Трансформатор с толстой полиимидной изоляцией, в котором импульсы тока создают магнитные поля для индукции тока во вторичной катушке (слева). Конденсатор с тонкой изоляцией SiO2, использующий слабые электрические поля для связи через изолирующий барьер (справа).

Трансформаторы также являются дифференциальными устройствами и обеспечивают превосходную устойчивость к синфазным помехам со скоростью нарастания до 100 кВ/мкс (у оптопар этот параметр обычно составляют около 15 кВ/мкс). Магнитная связь также имеет более слабую зависимость от расстояния между обмотками трансформатора, по сравнению с зависимостью емкостной связи от расстояния между пластинами. Это обеспечивает более толстую изоляцию между обмотками трансформатора, что приводит к более высокой изолирующей способности. Сочетание низкого внутреннего напряжения и высоких изоляционных характеристик полиимидных пленок ставит использующие их трансформаторы в более выигрышное положение, по сравнению с конденсаторами, использующими SiO2.

Конденсаторы, так как являются не симметричными устройствами, имеют более высокую чувствительность к синфазным переходным процессам. Дифференциальные пары конденсаторов могут компенсировать этот недостаток, но это уже увеличивает размер и стоимость.

Одним из преимуществ конденсаторов является то, что для создания электрического поля связи они используют малые токи. Это становится заметно при высоких скоростях передачи данных, выше 25 Мбит/с.

Методы передачи данных

Для передачи данных через изолирующий барьер оптопары используют свет от светодиодов: светодиод включается, когда идет высокий логический уровень, и выключается, когда идет низкий логический уровень. Когда светодиод включен, оптопара потребляет электроэнергию, что делает оптопару плохим выбором там, где энергопотребление имеет значение. Большинство оптопар оставляют преобразование сигнала на входе и/или выходе на откуп разработчику, что не всегда легко реализовать.

Цифровые изоляторы используют более продвинутые схемы для кодирования и декодирования данных, что обеспечивает более быструю передачу данных и возможность обработки сложных двунаправленных интерфейсов, таких как USB и I 2 C.

Один из методов заключается в кодировании нарастающих и падающих фронтов в виде двойных или одиночных импульсов, которые приводят в действие трансформатор (рисунок 2). На стороне вторичной обмотки эти импульсы декодируются обратно в нарастающие/падающие фронты. Это снижает энергопотребление по сравнению с оптопарами в 10–100 раз, поскольку питание не подается непрерывно, как в оптопарах. Для регулярного восстановления уровня постоянной составляющей могут использоваться дополнительные схемы регенерации.

Рисунок 2 – Один из способов передачи данных кодирует фронты сигнала в одиночные или двойные импульсы.

Другой метод использует модулированные РЧ сигналы почти так же, как оптопары используют свет; высокий логический уровень сигнала приводит к непрерывной передаче радиочастотного сигнала. Это потребляет больше энергии, чем импульсный метод, поскольку высокие логические уровни сигнала вызывают непрерывное потребление электроэнергии.

Для уменьшения влияния синфазных помех могут использоваться дифференциальные методы передачи; однако их лучше всего использовать с дифференциальными элементами, такими как трансформаторы.

Выбор правильной комбинации

Цифровые изоляторы имеют значительные преимущества перед оптопарами по размеру, скорости, энергопотреблению, простоте использования и надежности. В пределах класса цифровых изоляторов различные комбинации изоляционного материала, структуры изолятора и метода передачи данных создают различные варианты устройств, делая некоторые из них более или менее подходящими для конкретных применений. Как отмечалось выше, материалы на основе полимеров обеспечивают наиболее надежную изоляцию; этот материал можно использовать практически во всех областях, но наиболее строгие, такие как медицинское оборудование и тяжелое промышленное оборудование, получат от него наибольшее преимущество. Для достижения максимально надежной изоляции толщина полиимида может быть увеличена сверх допустимой для конденсаторов; следовательно, развязка на основе конденсаторов может лучше всего подходить для рабочей изоляции, где от изоляции не требуется обеспечение безопасности. В тех случаях, где есть требования к безопасности, изоляция на основе трансформаторов может быть более предпочтительна, особенно в сочетании с методом дифференциальной передачи данных, который в полной мере использует дифференциальную природу трансформаторов.

Зачем нужна цифровая изоляция

Совершенствование микроэлектронных элементов и повышение их электрической прочности до десятков киловольт позволило создать устройства для управления силовыми электрическими цепями на базе полупроводников. Они получили название «цифровые изоляторы» или «изоляторы интерфейса».

Принцип работы цифрового изолятора

Цифровым изолятором называют полупроводниковый прибор, который играет роль гальванической развязки. Он исключает прямую передачу электрического тока по проводнику и делает это с помощью посредника. Что обеспечивает безопасность функционирования силовых электрических цепей – как для человека, ими управляющего, так и для приборов, которые в них включены.

Принципиально он не отличается от приборов, которые исполняли роль гальванической развязки ранее. Разница между ними только в исполнении. Они состоят из трех основных элементов:

1. Источника электромагнитной энергии (на входе).
2. Приемника, воспринимающего возмущение ЭДС (на выходе).
3. Диэлектрика, разрывающего цепь.

Наиболее простым видом гальванической развязки является индуктивный элемент – трансформатор. При подаче напряжения на вход его первичной обмотки возникает магнитное поле, которое возбуждает ЭДС на вторичной обмотке. При этом потери в передаче энергии минимальные – КПД трансформатора 99,5%. Диэлектриком между входом и выходом служит слой лака и бумаги между обмотками.

Несколько иначе действует емкостный элемент – конденсатор. Он является полным изолятором для переменного тока и проводником для постоянного. Что также позволяет использовать его в качестве гальванической развязки. Например, при питании микрофона через кабель, по которому передаются колебания звуковой частоты. Диэлектриком в этом элементе является бумага, разделяющая обкладки.

Следующим видом элемента, обеспечивающим передачу энергии через диэлектрический разрыв, является оптрон. В нем электромагнитная энергия преобразуется в световую. Луч, излучаемый светодиодом, попадает на чувствительный элемент – фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности потока фотонов. Диэлектриком в нем работает воздух. Такие приборы заменили конденсаторы и трансформаторы, выигрывая у них в габаритах. Но они уступают им в КПД. Преобразование электричества в свет и обратно снижает его до 60% и существенно повышает уровень энергопотребления.

Цифровой изолятор – гальваническая развязка в инновационном исполнении

Неустранимость недостатков оптрона привела к необходимости создания нового вида гальванической развязки, в которой роль диэлектрика играет полупроводник – оксид кремния SiO2 или полиимидная пленка.

На сегодняшний день есть три типа полупроводниковых гальванических развязок – цифровых изоляторов:

1. Трансформаторы и конденсаторы, созданные по планарной (пленочной) технологии, широко применяемой при производстве микросхем.
2. Радиочастотные устройства, заменившие оптроны. В них вместо светодиода работает излучатель и приемник радиоволн (стандартный диапазон 350 и 700 МГц).
3. Спиновые вентили. Они изменяют свое внутреннее сопротивление под воздействием магнитного поля.

Цифровым это устройство называют по той причине, что оно способно передавать последовательность импульсов, закодированную методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это позволяет использовать его не только в силовых электрических цепях, но и в локальных вычислительных сетях для связи компьютеров и обмена информации.

Где применяются цифровые изоляторы

Цифровые изоляторы – это устройства, защищающие человека или приборы от прямого воздействия электрического тока. Вот три основных области, в которых они используются:

1. Силовые цепи.
2. Выравнивание потенциалов.
3. Снижение внутренних шумов сигнальных кабелей.

К силовым электрическим сетям относятся токопроводящие линии, напряжение в которых превышает 110 вольт переменного или 400 вольт постоянного тока. Они применяются для питания электрических приводов (электромоторы), а также устройств для передачи или коммутации энергии (силовые подстанции, высоковольтные переключатели). Кроме того, токи большой силы и высокое напряжение используется в ряде медицинских приборов – рентгеновские аппараты, томографы. Цифровые изоляторы позволяют включать и переключать эти приборы так, что обслуживающий персонал и пациенты не находятся под прямым действием высокого напряжения.

Если части электроустановки подключены к разным контурам заземления, то они могут иметь разные потенциалы и между ними потечет электрический ток. Этот эффект носит название «петля заземления», он может быть опасен не только для человека, но и для низковольтных элементов цепи. Включение гальванической развязки в заземлители, а также разрыв с их помощью сигнальных кабелей, объединяющих блоки в единую систему, позволяет избежать такого хода событий.

В локальных вычислительных сетях каждое устройство имеет свой блок питания. Поэтому в сигнальных кабелях наводится паразитное электромагнитное поле и возникают внутренние шумы, препятствующие передаче информации или вносящие в нее искажения. Наряду со случаями, описанными в предыдущем абзаце, это негативно влияет на работу всех устройств – помехи могут передаваться даже на другие объекты, если между ними есть связь. Поэтому вместе с коммутаторами, роутерами и другими передающими устройствами обязательно включаются цифровые изоляторы.

Изоляторы 2 pai Semiconductor

Одним из производителей цифровых изоляторов является компания 2Pai Semiconductor (Shanghai) Co. Ltd (Китай). Она правообладатель собственной технологии Divider, отличающейся от той, что используют, например, Silicon Labs или Analog Devices. Изоляторы производят на нескольких крупнейших фабриках: TSMC VIS FAB1, Key Foundry, China Huahong, что гарантирует надежность и короткий цикл производства изоляторов.

Цифровые изоляторы этого бренда являются конденсаторными элементами на полупроводниках SiO2 и способны выдержать напряжение пробоя до 5 кВ. Информация между обкладками передается с использованием метода ШИМ. На входе она модулируется, на выходе расшифровывается. Эти устройства обладают высокой помехоустойчивостью и низким энергопотреблением.

Они обладают высокой скоростью передачи данных до 200 Мбит/секунду. Широкий диапазон обусловлен разным количеством пар входа и выхода. Их может быть от одной до шести. Компания предлагает широкий модельный ряд (более сотни) устройств. Что позволяет использовать их в самых разнообразных схемах.

Устройства выполнены в форм-факторе pin-to-pin, что существенно облегчает процесс замены ими аналогичных приборов от компаний Silicon Labs, Analog Devices, Texas Instruments. Компания 2Pai Semiconductor обладает пятью производственными площадками, это гарантирует их бесперебойную поставку потребителям в любом количестве.

Наша компания «ОЭС Спецпоставка» является официальным дилером бренда 2Pai Semiconductor, мы располагаем полным ассортиментом цифровых изоляторов и способны удовлетворить любой спрос. Доставка в регионы осуществляется транспортными компаниями по их тарифам.

Зачем нужна цифровая изоляция

Совершенствование микроэлектронных элементов и повышение их электрической прочности до десятков киловольт позволило создать устройства для управления силовыми электрическими цепями на базе полупроводников. Они получили название «цифровые изоляторы» или «изоляторы интерфейса».

Принцип работы цифрового изолятора

Цифровым изолятором называют полупроводниковый прибор, который играет роль гальванической развязки. Он исключает прямую передачу электрического тока по проводнику и делает это с помощью посредника. Что обеспечивает безопасность функционирования силовых электрических цепей – как для человека, ими управляющего, так и для приборов, которые в них включены.

Принципиально он не отличается от приборов, которые исполняли роль гальванической развязки ранее. Разница между ними только в исполнении. Они состоят из трех основных элементов:

1. Источника электромагнитной энергии (на входе).
2. Приемника, воспринимающего возмущение ЭДС (на выходе).
3. Диэлектрика, разрывающего цепь.

Наиболее простым видом гальванической развязки является индуктивный элемент – трансформатор. При подаче напряжения на вход его первичной обмотки возникает магнитное поле, которое возбуждает ЭДС на вторичной обмотке. При этом потери в передаче энергии минимальные – КПД трансформатора 99,5%. Диэлектриком между входом и выходом служит слой лака и бумаги между обмотками.

Несколько иначе действует емкостный элемент – конденсатор. Он является полным изолятором для переменного тока и проводником для постоянного. Что также позволяет использовать его в качестве гальванической развязки. Например, при питании микрофона через кабель, по которому передаются колебания звуковой частоты. Диэлектриком в этом элементе является бумага, разделяющая обкладки.

Следующим видом элемента, обеспечивающим передачу энергии через диэлектрический разрыв, является оптрон. В нем электромагнитная энергия преобразуется в световую. Луч, излучаемый светодиодом, попадает на чувствительный элемент – фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности потока фотонов. Диэлектриком в нем работает воздух. Такие приборы заменили конденсаторы и трансформаторы, выигрывая у них в габаритах. Но они уступают им в КПД. Преобразование электричества в свет и обратно снижает его до 60% и существенно повышает уровень энергопотребления.

Цифровой изолятор – гальваническая развязка в инновационном исполнении

Неустранимость недостатков оптрона привела к необходимости создания нового вида гальванической развязки, в которой роль диэлектрика играет полупроводник – оксид кремния SiO2 или полиимидная пленка.

На сегодняшний день есть три типа полупроводниковых гальванических развязок – цифровых изоляторов:

1. Трансформаторы и конденсаторы, созданные по планарной (пленочной) технологии, широко применяемой при производстве микросхем.
2. Радиочастотные устройства, заменившие оптроны. В них вместо светодиода работает излучатель и приемник радиоволн (стандартный диапазон 350 и 700 МГц).
3. Спиновые вентили. Они изменяют свое внутреннее сопротивление под воздействием магнитного поля.

Цифровым это устройство называют по той причине, что оно способно передавать последовательность импульсов, закодированную методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это позволяет использовать его не только в силовых электрических цепях, но и в локальных вычислительных сетях для связи компьютеров и обмена информации.

Где применяются цифровые изоляторы

Цифровые изоляторы – это устройства, защищающие человека или приборы от прямого воздействия электрического тока. Вот три основных области, в которых они используются:

1. Силовые цепи.
2. Выравнивание потенциалов.
3. Снижение внутренних шумов сигнальных кабелей.

К силовым электрическим сетям относятся токопроводящие линии, напряжение в которых превышает 110 вольт переменного или 400 вольт постоянного тока. Они применяются для питания электрических приводов (электромоторы), а также устройств для передачи или коммутации энергии (силовые подстанции, высоковольтные переключатели). Кроме того, токи большой силы и высокое напряжение используется в ряде медицинских приборов – рентгеновские аппараты, томографы. Цифровые изоляторы позволяют включать и переключать эти приборы так, что обслуживающий персонал и пациенты не находятся под прямым действием высокого напряжения.

Если части электроустановки подключены к разным контурам заземления, то они могут иметь разные потенциалы и между ними потечет электрический ток. Этот эффект носит название «петля заземления», он может быть опасен не только для человека, но и для низковольтных элементов цепи. Включение гальванической развязки в заземлители, а также разрыв с их помощью сигнальных кабелей, объединяющих блоки в единую систему, позволяет избежать такого хода событий.

В локальных вычислительных сетях каждое устройство имеет свой блок питания. Поэтому в сигнальных кабелях наводится паразитное электромагнитное поле и возникают внутренние шумы, препятствующие передаче информации или вносящие в нее искажения. Наряду со случаями, описанными в предыдущем абзаце, это негативно влияет на работу всех устройств – помехи могут передаваться даже на другие объекты, если между ними есть связь. Поэтому вместе с коммутаторами, роутерами и другими передающими устройствами обязательно включаются цифровые изоляторы.

Изоляторы 2 pai Semiconductor

Одним из производителей цифровых изоляторов является компания 2Pai Semiconductor (Shanghai) Co. Ltd (Китай). Она правообладатель собственной технологии Divider, отличающейся от той, что используют, например, Silicon Labs или Analog Devices. Изоляторы производят на нескольких крупнейших фабриках: TSMC VIS FAB1, Key Foundry, China Huahong, что гарантирует надежность и короткий цикл производства изоляторов.

Цифровые изоляторы этого бренда являются конденсаторными элементами на полупроводниках SiO2 и способны выдержать напряжение пробоя до 5 кВ. Информация между обкладками передается с использованием метода ШИМ. На входе она модулируется, на выходе расшифровывается. Эти устройства обладают высокой помехоустойчивостью и низким энергопотреблением.

Они обладают высокой скоростью передачи данных до 200 Мбит/секунду. Широкий диапазон обусловлен разным количеством пар входа и выхода. Их может быть от одной до шести. Компания предлагает широкий модельный ряд (более сотни) устройств. Что позволяет использовать их в самых разнообразных схемах.

Устройства выполнены в форм-факторе pin-to-pin, что существенно облегчает процесс замены ими аналогичных приборов от компаний Silicon Labs, Analog Devices, Texas Instruments. Компания 2Pai Semiconductor обладает пятью производственными площадками, это гарантирует их бесперебойную поставку потребителям в любом количестве.

Наша компания «ОЭС Спецпоставка» является официальным дилером бренда 2Pai Semiconductor, мы располагаем полным ассортиментом цифровых изоляторов и способны удовлетворить любой спрос. Доставка в регионы осуществляется транспортными компаниями по их тарифам.

Статьи

На сегодняшний день оптопары являются наиболее распространенным элементом гальванической развязки в аппаратуре. Передача электрических сигналов посредством преобразования в электрически нейтральный свет и обратно в электрический сигнал является очевидным и понятным способом обеспечения гальванической развязки.

Отметим, что технические характеристики отечественных оптопар сегодня застыли на месте и перестали учитывать требования современной аппаратуры. Огромный ток управления светодиодом 10 мА требует от разработчика обеспечивать оптопару отдельным драйвером. С системами с напряжением питания 3.3 В отечественные оптопары не совместимы. Также для нормальной работы оптопары нужен солидный «обвес» из токогасящих и нагрузочных резисторов и блокировочных конденсаторов. А такие проблемы оптопар как деградация излучательной способности светодиодов и поляризация компаундов, приводящая к утечкам фотоприемника до сих пор не решены.

За рубежом многие изготовители полупроводников в последнее время разработали и начали серийно выпускать микросхемы гальванической изоляции, основанные на принципах индуктивной (Analog Devices), емкостной (Silicon Labs), магнитной (Broadcom) связи, что позволило резко увеличить скорость передачи данных, снизить потребление от источника питания, повысить устойчивость к синфазным помехам, исключить необходимость согласования по входным цепям, упростить и удешевить процесс изготовления изоляторов за счет исключения светодиода из конструкции.

Сегодня на АО БЗПП разработана серия образцов цифровых изоляторов на основе высоковольтных конденсаторов с использованием системы импульсно-частотного кодирования логических уровней. Цифровые изоляторы полностью выполнены по радиационно-стойкой КМОП-технологии. На рис. 1 показана блок-схема одного канала такого цифрового изолятора.

Схема передатчика имеет 2 канала, один для передачи логического «0», другой – для передачи логической «1».

Декодер приемника восстанавливает логические уровни и через выходной драйвер передает восстановленный сигнал в выходные цепи. Данная структура цифровых изоляторов обеспечивает передачу как постоянных уровней логических сигналов, так и импульсных логических сигналов.

Изоляционный барьер выполнен на основе высоковольтных конденсаторов с многослойным изолятором на основе двуокиси кремния.

Дифференциальная структура передатчика и приемника способствует обеспечению высокого уровня устойчивости цифровых изоляторов к синфазным быстро изменяющимся помехам по цепям изоляции. Расчетная скорость изменения напряжения изоляции – не менее 20 кВ/мкс.

Диаграмма внутренних сигналов иллюстрируется рис. 2. Частотное заполнение необходимо для распознавания постоянных и медленно изменяющихся логических уровней и для обеспечения устойчивости работы при сбоях по питанию и при воздействии внешних импульсных помех.

Внутренняя конструкция двухканального цифрового изолятора показана на рис.3.

Все кристаллы выполнены по единой технологии поэтому сборка цифровых изоляторов легко поддается автоматизации в отличии от оптопар, которые собираются исключительно вручную из-за особенностей технологии монтажа кристалла светодиода.

Для исключения электрического пробоя по внутренним элементам конструкции полость корпуса заполнена кремнийорганическим изоляционным компаундом.

На рис. 4 приведена типовая схема включения цифрового изолятора в аппаратуре.

Экспериментальные образцы цифровых изоляторов имеют следующие типовые параметры (на 1 канал):

1.5 мА в состоянии покоя при Епит 5.0 В

3.5 мА на частоте 3 МГц

200 нс при Епит 5.0 В при Сн=30 пФ

400 нс при Епит 3.3 В при Сн=30 пФ

Получено предварительное обозначение одноканальных и двухканальных цифровых изоляторов для серийного производства. Обозначения приведены в табл. 2