Optimaliseren van isolatie en prestaties met behulp van geavanceerde digitale isolators

Ontwerpers van elektronische systemen moeten stroom- en signaalisolatie inbouwen om te voldoen aan de prestatie-eisen en tegelijkertijd te voldoen aan de wettelijke voorschriften voor de veiligheid van gebruikers en apparaten. De isolatie van een wisselstroompad kan eenvoudig worden bereikt met een transformator. De isolatie van een DC-voedingsrail berust uiteindelijk ook op een transformator, maar vereist meer schakelingen. Isolatie voor analoge signalen die gedigitaliseerd zijn en voor digitale seriële datastromen brengt echter verschillende uitdagingen en complicaties met zich mee.

In dit geval moet de voor isolatie gebruikte energieoverdrachtstechniek de signaalintegriteit over de isolatiebarrière behouden om de systeemprestaties te handhaven. Hoewel er veel manieren zijn om isolatie te implementeren, moeten ontwerpers signaalintegriteit garanderen bij hogere gegevenssnelheden en in meer uitdagende omgevingen. Daarom kiezen ze steeds vaker voor digitale isolators die gegevens kunnen overdragen met 150 megabits per seconde (Mbps).

In dit artikel wordt kort onderzocht waarom isolatie nodig is, waarbij de nadruk ligt op de noodzaak in sensorgebaseerde schakelingen. Vervolgens wordt ingegaan op verschillende aspecten van isolatie met behulp van geavanceerde digitale isolators van Analog Devices en wordt getoond hoe deze kunnen worden toegepast.

Isolatie: waarom en waar

Er zijn meerdere redenen waarom isolatie nodig is in sensorgebaseerde schakelingen:

1. Isolatie kan spanningsvariaties in de common mode elimineren en bepaalde soorten elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseren. Het zorgt voor schonere en nauwkeurigere metingen door te voorkomen dat externe ruisbronnen het verkregen signaal verstoren. Het maakt ook metingen mogelijk van kleine signalen met hoge common-mode spanningen.
2. Door verschillen in potentiaal tussen circuitaardingen kunnen aardlussen spanningsverschillen introduceren die het gemeten signaal vervormen. Isolatie verbreekt de aardlus.
3. Isolatie voorkomt dat gevaarlijke spanningspieken, transiënten of pieken gevoelige meetcomponenten bereiken. Dit beschermt het meetcircuit, alle aangesloten apparaten en de gebruiker.
4. Isolatie ondersteunt een veilige niveauvertaling tussen verschillende circuitfuncties. Schakelingen aan de ene kant van de isolatiebarrière kunnen op de transducerspanning staan, terwijl schakelingen aan de andere kant op 3,3 of 5 volt kunnen staan voor signalen op logisch niveau.

In een batterijstapel met een hoog voltage is het bijvoorbeeld vaak nodig om de individuele celspanningen te kennen om ervoor te zorgen dat het systeem veilig werkt en de langst mogelijke levensduur van de batterij bereikt. De spanning over een enkele cel moet worden gemeten ondanks de aanwezigheid van enkele honderden volts common-mode spanning langs de in serie geschakelde batterijstapel.

Hoewel het mogelijk is om analoge schakelingen en isolatieversterkers te gebruiken om dit probleem op te lossen, voldoen dergelijke benaderingen niet aan de behoefte aan metingen met een hogere bandbreedte en resolutie met behoud van de nauwkeurigheid, lineariteit en consistentie van het systeem.

In plaats daarvan is de nauwkeurigste, zuinigste en efficiëntste techniek om deze metingen uit te voeren om het hele meetfront-end te isoleren, inclusief de analoog-digitaalomzetter (ADC), en dan een geïsoleerde seriële verbinding te gebruiken voor de gedigitaliseerde gegevens naar de rest van het systeem (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Door een geïsoleerd front-end te gebruiken bij het meten van de spanning van een enkele cel in een hoogspanningsstapel wordt de uitdaging van common-mode spanningen overwonnen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze aanpak isoleert de common-mode spanning van de batterijstack en voorkomt dat gevaarlijke hoge spanningen migreren naar de datalinkkant of de gebruiker in geval van een fout.

Merk op dat wanneer signaalisolatie nodig is, er ook een vereiste is om geïsoleerde voeding te leveren, aangezien niet-geïsoleerde voedingsrails de signaalisolatie zouden tegenspreken en tenietdoen. De benodigde stroomisolatie kan worden geïmplementeerd via een apart stroomisolatiecircuit of door een batterij te gebruiken als onafhankelijke en geïsoleerde stroombron.

Hoe voor isolatie zorgen

Veel parameters bepalen de isolatieprestaties. Een daarvan is de maximale spanning die de isolatiebarrière kan weerstaan voordat deze het begeeft. De voorschriften bepalen het vereiste maximum, meestal enkele duizenden volt, afhankelijk van de toepassing.

Er kunnen verschillende technologieën gebruikt worden om digitale signalen te isoleren. Deze omvatten capacitieve koppeling, optische koppeling (LED en fototransistor), RF-transmissie op "microschaal" en magnetische koppeling.

Dit laatste is een betrouwbare techniek met veel positieve eigenschappen, maar vereist van oudsher een relatief grote en dure signaaltransformator. Die situatie veranderde met de introductie van de iCoupler-technologie van Analog Devices. Deze benadering maakt gebruik van primaire en secundaire transformatorspoelen op chipschaal, gescheiden door een isolatiebarrière gecreëerd door lagen polyimide-isolatie (Afbeelding 2). Een hoogfrequente draaggolf stuurt gegevens over de isolatiebarrière naar de secundaire spoel.

Afbeelding 2: iCoupler-technologie maakt gebruik van een hoogfrequente draaggolf om gegevens van de primaire spoel naar de secundaire spoel te verzenden via dikke polyimide-isolatie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In bedrijf wordt de primaire transformator aangedreven door een gepulseerde stroom door zijn primaire spoel om een klein, gelokaliseerd magnetisch veld te creëren dat stroom induceert in de secundaire spoel. De stroompulsen zijn kort, ongeveer 1 nanoseconde (1 ns), zodat de gemiddelde stroom laag is voor een laag stroomverbruik. De OOK-techniek (on/off keying) die gebruikt wordt voor het pulsen en de differentiële architectuur zorgen voor een zeer lage voortplantingsvertraging en hoge snelheid.

De polymeermaterialen die in de iCoupler worden gebruikt, bieden robuuste isolatie, omdat het materiaal gekwalificeerd is voor bijna alle toepassingen. De meest uitdagende toepassingen, zoals medische apparatuur en zware industriële apparatuur, profiteren het meest van deze prestatiemogelijkheden.

Polyimide heeft ook een lagere spanning dan siliciumdioxide (SiO₂), een alternatief barrièremateriaal, en kan naar behoefte dikker worden gemaakt. Daarentegen is de dikte van SiO₂, en dus het isolatievermogen, beperkt; stress op diktes van meer dan 15 micrometer (μm) kan leiden tot gebarsten wafers tijdens de verwerking, of delaminatie gedurende de levensduur van de isolator. Digitale isolatoren van polyimide gebruiken isolatielagen van wel 26 μm dik.

Analog Devices biedt een verscheidenheid aan op transformator gebaseerde iCoupler digitale isolators. Hiertoe behoren de ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL en ADUM342E1WBRWZ 3000 volt rms, 150 Mbps isolators voor CAN-, RS-485- en SPI-interfaces.

Deze drie digitale isolators worden samen de ADuM34xE apparaten genoemd en verschillen voornamelijk in hun kanaalrichting. De ADuM340E heeft vier voorwaartse kanalen, de ADuM341E heeft drie voorwaartse en één achterwaarts kanaal, en de ADuM3421 heeft twee voorwaartse en twee achterwaartse kanalen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De drie vierkanaals digitale isolators in de ADuM34xE-serie hebben vergelijkbare specificaties maar verschillen in kanaalrichting. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De drie isolators worden elk aangeboden met een keuze tussen twee fail-safe modes (Afbeelding 4): de uitgangstoestand wordt op laag gezet als de ingangszijde uit is of niet werkt (lage fail-safe), of de uitgangstoestand wordt op hoog gezet als de ingangszijde uit is of niet werkt (hoge fail-safe). Hierdoor kunnen de isolators terugkeren naar een bekende toestand wanneer ze worden gebruikt in kritieke toepassingen.

Afbeelding 4: De afgebeelde operationele blokdiagrammen van een enkel kanaal van een ADuM34xE-apparaat illustreren de lage fail-safe (boven) en hoge fail-safe (onder) opties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Merk op dat er geen verband is tussen de voedingen aan de ingangszijde (V_DD1-pin in Afbeelding 3) en de uitgangszijde (V_DD2). Ze kunnen gelijktijdig werken op elke spanning binnen hun gespecificeerde werkingsbereiken en in elke volgorde. Hierdoor kan de isolator onder andere spanningsvertalingen uitvoeren van 2,5 V, 3,3 V en 5 V logica.

Nuances van ADuM34xE-prestatiekenmerken

De hoge isolatiespanning, hoge snelheid, laag vermogen en lage propagatievertraging van de ADuM34xE isolatoren zijn direct toepasbaar, maar hun architectuur heeft meer genuanceerde voordelen die ontwerpers kunnen gebruiken. Het totale stroomverbruik schaalt bijvoorbeeld met de werkingsfrequentie en de stroomvereisten zijn ruwweg evenredig met de snelheid waarmee de apparaten werken. Daarom verbruiken kanalen die inactief zijn of op zeer lage snelheden schakelen zeer weinig stroom. Het resultaat is een relatieve vermindering in stroomverbruik van één tot twee orden van grootte vergeleken met alternatieve isolatietechnieken.

Zodra de ontwerper de maximale seriële kloksnelheid voor de toepassing heeft bepaald, kan de bijbehorende geïsoleerde voeding worden geselecteerd om voldoende stroom te leveren om alleen deze snelheid te ondersteunen, waardoor het niet meer nodig is om meer dan de maximumwaarde van de isolator te specificeren.

Gezien het belang van timing en voortplantingsvertraging in seriële verbindingen met hoge snelheid, is het belangrijk op te merken dat de prestaties van digitale isolatoren niet verslechteren of verschuiven in de loop van de tijd en de temperatuur. Terwijl jitter minder een probleem is bij lage signaalsnelheden waar de fout klein is vergeleken met de golfvormperiode, wordt timingjitter bij hogere datasnelheden een significant percentage van het signaalinterval. Het kiezen van een isolator met de laagste jitter kan de signaal-ruisverhouding (SNR) en efficiëntie van het geïsoleerde circuit verbeteren.

Vanwege deze kenmerken van de iCoupler-architectuur definiëren de datasheets van het apparaat gegarandeerde minimum- en maximumwaarden voor stroomverbruik, voortplantingsvertraging en pulsvervorming over het gehele bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot 125 °C. Voor ontwerpers vereenvoudigen deze volledige specificaties berekeningen met betrekking tot de slechtst denkbare systeemprestaties.

Met de gegarandeerde nummers van de digitale isolators met betrekking tot propagatievertraging (maximaal 10 ns) (Afbeelding 5), skew en kanaal-op-kanaal matching kunnen de top-level systeemtimingspecificaties gemodelleerd en geëvalueerd worden zoals bij andere digitale IC's.

Afbeelding 5: iCoupler-technologie resulteert in een zeer lage en volledig gekarakteriseerde propagatievertraging van minder dan 10 ns over het volledige bedrijfstemperatuurbereik. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Common-mode transient immunity (CMTI) is een minder bekende en gemakkelijk over het hoofd te zien specificatie. Het constante schakelen in hoogspanningstoepassingen zoals oplaadcircuits voor elektrische voertuigen (EV) en hybride EV (HEV), zonne-energiesystemen en motoraandrijvingen introduceert transiënten van de common mode zoals ringing en ruis. De isolatietechnologie in de ADuM34xE apparaten maakt gebruik van een back-to-back center-tapped transformatorarchitectuur die een pad met lage impedantie naar massa biedt voor ruis aan elke kant van de isolatiebarrière. Hierdoor kunnen ze een CMTI-waarde bereiken van minimaal 100 kilovolt per microseconde (kV/µs), wat de integriteit van het geïsoleerde signaal aanzienlijk verbetert.

Ontwerpers die bekend zijn met magnetica kunnen zich zorgen maken dat deze isolators beïnvloed kunnen worden door magnetische interferentie die de zendpulsen over de isolatiebarrière kan verstoren, wat fouten kan veroorzaken. Deze bezorgdheid is misplaatst, aangezien de kleine straal en de luchtkern van de transformatoren betekenen dat er een extreem groot magnetisch veld of een zeer hoge frequentie nodig is om een storing te induceren. Digitale isolators worden niet beïnvloed door 500 ampère (A) bij 1 megahertz (MHz) in een draad op slechts 5 millimeter (mm) van het apparaat.

Digitale isolators evalueren

Hoewel de functionaliteit van deze isolatoren rechttoe rechtaan is, vereist de toepassing ervan aandacht voor details, zoals de layout van de printplaat, om ervoor te zorgen dat hun hoogspanningsisolatie en werking met hoge snelheid niet in het gedrang komen.

Om ontwerpers te helpen bij het gebruiken en evalueren van de apparaten, biedt Analog Devices het EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler-evaluatiebord voor digitale isolatorinterface (Afbeelding 6). Dit bord heeft locaties en lay-outs voor een van elk van de isolators, plus een vierde niet-gecommitteerde locatie. Het bord heeft v-vormige groeven tussen elke component (U1 tot U4) zodat gebruikers het bord in secties kunnen verdelen en een specifiek apparaat kunnen onderzoeken op een breadboard of een vergelijkbare testopstelling.

Afbeelding 6: Het EVAL-ADuM34XEEBZ-evaluatiebord ondersteunt alle drie ADuM34xE apparaten en heeft een open plaats voor een pinout-compatibele apparaatkeuze van de gebruiker. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het EVAL-ADuM34XEEBZ-bord volgt de juiste ontwerppraktijken voor printplaten, inclusief een massaplaat aan elke kant van de isolatiebarrière. Voor het evalueren van iCouplers met dit bord zijn alleen een oscilloscoop, een signaalgenerator en een voeding van 2,25 V tot 5,5 V nodig.

Conclusie

Isolatie is in veel ontwerpen nodig om de signaalintegriteit te behouden, de veiligheid van de gebruiker en het apparaat te garanderen en te voldoen aan de regelgeving. Digitale isolatieapparaten op basis van de iCoupler-technologie voor magnetische koppeling van Analog Devices bieden een gebruiksvriendelijke en betrouwbare hogesnelheidsoplossing. Hun kernspecificaties, waaronder minimale degradatie na verloop van tijd en temperatuur, garanderen superieure prestaties op de lange termijn.