Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 24 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Физический интерфейс передачи данных FC-PI-5

В статье дано краткое описание нового стандарта Fiber Channel для физического уровня последовательной передачи данных по оптоволоконному кабелю со скоростью до 1600 Мбит/с на расстояния до 50 км.

Стандартизация светодиодов и твердотельных систем освещения

Энергоэффективность, длительный срок службы и экологическая безопасность обеспечили светодиодным системам освещения блестящие перспективы на рынке. Статья посвящена проблемам разработки и внедрения стандартов на светодиодные системы освещения. В статье обсуждаются назначение и виды стандартов для светодиодных систем. Представлены организации, занимающиеся разработкой стандартов, перечислены ключевые действующие и находящиеся в стадии разработки стандарты для светодиодных систем освещения. Материал представляет собой сокращенный перевод статьи [1].

Выбор оптимального драйвера светодиодной системы. Часть 1

Последние достижения в разработке усовершенствованных светодиодов показывают, что можно существенно улучшить эффективность источников света и, в то же время, обеспечить высокие характеристики, экологичность и надежность систем освещения. В первой части статьи представлены сведения о структуре светодиодов, методах повышения их эффективности и возможных приложениях. Рассмотрены требования к драйверам светодиодов и наиболее распространенные типы топологий драйверов. Более подробно описаны особенности построения и применения понижающих импульсных преобразователей постоянного тока в качестве драйверов светодиодов.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

10 марта

Разработка надежных развязывающих цепей

В статье, представляющей собой сокращенный перевод [1], рассматриваются цепи развязки, удовлетворяющие жестким требованиям со стороны промышленных сетей. Их оборудование должно надежно функционировать в условиях эксплуатации, характеризующихся сильными электромагнитными полями, бросками напряжений, быстрыми переходными процессами и высокими значениями шума. Помимо того, обсуждаются способы применения технологии развязки РЧ-сигналов для повышения надежности и производительности систем.



Основы РЧ-фильтрации и развязки с помощью оптопар

На рисунке 1 представлена блок-схема оптопары и изолятора ISOpro компании Silicon Labs. Как видно из рисунка 1а, оптопара представляет собой гибридный модуль со светодиодом, который излучает свет при подаче напряжения прямого смещения, причем его яркость прямо пропорциональна току светодиода. Излучаемый свет проходит через оптически прозрачную изолирующую пленку, попадает в фотоприемник и вызывает ток, который открывает выходной транзистор. Если ток прекращает течь, выходной транзистор выключается.

Рис. 1. Сравнение принципов работы оптопары и изолятора ISOpro: а) оптопара; б) РЧ-изолятор ISOpro

Принцип работы изолятора ISOpro аналогичен принципу работы оптопары, за исключением того, что вместо света используется РЧ-сигнал (см. рис. 1б). Изолятор ISOpro состоит из двух одинаковых полупроводниковых кристаллов передатчика и приемника в стандартном корпусе, разделенных дифференциально-емкостным барьером. Данные передаются от входа к выходу с помощью метода амплитудной манипуляции (On-Off Keying, OOK). При большом значении входного напряжения VIN передатчик генерирует РЧ-сигнал, который проходит через развязывающий барьер к приемнику. Он подтверждает логическую 1 на выходе VOUT при достаточно высоком уровне основного сигнала. Если VIN невелико, передатчик не работает, и сигнал отсутствует. В результате приемник не получает сигнала, а напряжение выходе VOUT мало.

В отличие от оптопары, каждый канал ISOpro занимает небольшую площадь кристалла, что позволяет создавать экономичные изоляторы с большим числом каналов. Кроме того, процесс получения интегральных полупроводников допускает использование технологии ISOpro в комбинации с другими функциями полупроводника и создание устройств со встроенной функцией развязки и с высокой степенью интеграции, таких как гальванически изолированные преобразователи аналоговых данных и приемопередатчики. Преимущества этой интеграции позволяют выпускать более широкую номенклатуру универсальной продукции ISOpro, по сравнению с оптопарами.

Системные требования

Независимо от способа реализации, изоляторы должны отвечать стандартам безопасности, обеспечивая надежную гальваническую развязку. Кроме того, они должны быть достаточно надежными устройствами, чтобы продлить срок эксплуатации оборудования, в котором они установлены. Для промышленной техники этот срок может составлять десятки лет. Разработчики должны создать такие изолирующие цепи, которые способны противостоять электрической нагрузке, приводящей к физическому разрушению, и подавить шум от любого количества источников. Следовательно, требуется тщательно рассчитать основные рабочие параметры изолятора, к числу которых относятся устойчивость к синфазным помехам, временные параметры (задержка на прохождение и искажение ширины сигнала), а также восприимчивость к электромагнитным помехам и радиочастотному электромагнитному полю. Кроме того, следует учесть также такие важные параметры как непрерывное рабочее напряжение и средняя наработка на отказ (Mean Time-to-Failure, MTTF), характеризующие срок службы устройства.

Надежность развязки при высоком напряжении

Надежность развязки напрямую связана со способностью изолятора выдержать высокое напряжение. Она имеет первостепенное значение, поскольку изолятор является «сердцем» развязывающего барьера и основой обеспечения безопасности системы. Очень важно, чтобы развязка имела однородную структуру, т.к. в противном случае может возникнуть локальный пробой. Неоднородность изолятора зависит от изолирующего материала и технологии производства. Электрическая прочность пластиката может варьироваться до 300% из-за пустот, возникших в процессе изготовления изолятора. Напротив, в развязывающих устройствах ISOpro используются слои полупроводникового оксида.

КМОП-процесс осаждения оксидных слоев очень тщательно контролируется, благодаря чему достигается высокая однородность структуры, а разброс электрической прочности составляет всего лишь 20%. Напряжение пробоя каждого слоя оксида равно 500 В ACRMS на мкм. Устойчивость к высоким напряжениям (например, 5 кВ ACRMS) достигается за счет сложения этих слоев при производстве подложки, благодаря чему максимальное напряжение пробоя у меньших по размеру изоляторов выше, чем у оптопар. В то же время надежность изолятора не зависит от технологии корпусирования.

На рисунке 2 время наработки на отказ изолятора ISOpro сравнивается с этим параметром у оптопары. Оба устройства тестировались на одном и том же оборудовании при одинаковых условиях. Видно, что экстраполированное среднее время до отказа для 6-канального 2,5-кВ ACRMS изолятора ISOpro стремится к 108 годам при 25°C и напряжении 500 В DC.

Рис. 2. Сравнение значений наработки на отказ между ISOpro и оптопарой

Свидетельство о безопасности

Международные стандарты по безопасности описывают методику и предоставляют рекомендации по защите конечного оборудования от электрического удара, механических повреждений, огня и электромагнитных помех. Международные стандарты безопасности на компонентном уровне для оптопар и других изоляторов (включая ISOpro) перечислены в таблице 1.

Таблица 1. Международные сертификационные службы и стандарты

Международный

Европа

США

Канада

Германия

IEC

CENELEC

UL

CSA

DIN/VDE

IEC 60747-5-2

EN 60747-5-2 1577

1577

Уведомление о приемке компонента #5A

DIN EN 60747-5-2

Рабочая мощность

Оптопарам требуется минимальный ток смещения светодиода и смещение на выходной стороне. Сумма входного и выходного токов изменяется в широких пределах, в зависимости от типа оптопары. При прямом смещении светодиод оптопары имеет низкий импеданс, а потребление устройства увеличивается с прямым током светодиода, изменяющимся в диапазоне 1…15 мА. В некоторых случаях светодиоду может понадобиться внешний драйвер, что еще снижает эффективность системы, т.к. увеличивается номенклатура комплектующих и стоимость.

У большинства недорогих оптопар транзисторный выход имеет высокий импеданс при нулевом прямом токе светодиода. Импеданс становится сравнительно меньше, если прямой ток светодиода находится в заданном рабочем диапазоне. Другие (обычно высокоскоростные) оптопары имеют активный фотоприемник и выходной драйвер, которому требуется внешнее напряжение смещения. Низкий выходной импеданс таких устройств достигается за счет увеличения суммарного рабочего тока в диапазоне 15…40 мА.

По сравнению с оптопарами, изоляторы ISOpro имеют значительно более высокую эффективность, потребляя около 1,7 мА на канал при скорости 10 Мбит/с и VDD = 5,0 В с нагрузкой 15 пФ. Входной высокоимпедансный буфер ISOpro потребляет лишь несколько мкА, тогда как его 50-Ом выходной КМОП-драйвер — 4 мА. Большая часть экономии энергии ISOpro обеспечивается за счет использования РЧ-сигнала вместо оптического, что избавляет от необходимости применять энергоемкий светодиод. Единственный заметный вклад в увеличение потребляемого тока ISOpro вносит рост скорости передачи данных, однако это относительно небольшое значение, как видно из рисунка 3.

Рис. 3. Потребление тока изоляторами ISOpro и оптопарами

Временные характеристики

Временные характеристики в приложениях с цифровым изолятором играют важную роль. На рисунке 4 сравниваются параметры задержки прохождения сигнала в 10-Мбит/с изоляторах ISOpro с параметрами конкурентной цифровой оптопары.

На рисунке 4 кривые B и C соответствуют значениям времени прохождения токов светодиода в диапазоне 0,5…1,0 мА без использования пикового конденсатора. Видно, что уменьшение тока светодиода на 0,5 мА приводит к увеличению времени прохождения на 50% (с 80 до 120 нс) при 20°C, что указывает на широкий диапазон изменения этого показателя, в зависимости от изменения тока светодиода и износа устройства. Задержка на прохождение сигнала несимметрична: например, наилучшее значение (tЗВН = 35 нс при 20°C) наблюдается на кривой А при изменении сигнала от высокого к низкому уровню, тогда как в обратном направлении задержка в 2,5 раза больше (tЗНВ кривой D).

Рис. 4. Сравнение задержек на распространение сигнала для оптопары и ISOpro (tЗВН – задержка перехода с высокого уровня на низкий; tЗНВ – задержка перехода с низкого уровня на высокий)

Важно обратить внимание на то, что другие временные характеристики оптопары, включая искажение ширины импульса, согласование каналов, время установления и спада сигнала и т.д. следуют той же тенденции, связанной с излучением светодиода.

В отличие от оптопары, временные параметры изолятора ISOpro зависят от внутренних цепей точной калибровки времени и установленных задержек на прохождение сигнала по его тракту. Все эти параметры лишь незначительно изменяются, в зависимости от VDD и температуры. Например, время установления и спада сигнала изменяется только на 1 нс, в зависимости от температуры и напряжения питания, а в наихудшем случае задержка составляет около 9 нс при 120°С. В таблице 2 представлены рабочие параметры 50-Мбит/с оптопары и изолятора ISOpro.

Таблица 2. Параметры ISOpro, в сравнении с параметрами оптопар

Продукт

Каналы

Диапазон рабочих температур, °C

Напряжение питания, В

Макс. ток питания (вход + выход), мА

Макс. время прохождения, нс

Мин. ширина импульса, нс

Макс. скорость передачи данных, Мбит/с

Макс. коэфф. искажения импульсов, нс

Смещение времени прохождения, нс

Вых. время нарастания, нс

Вых. время спада, нс

Межканальная задержка, нс

ISOpro

4

–40…125

2,7…5

7

10

6

150

1,5

2

4

4

0,5

Оптопара

1

–40…85

4,5…5,5

17,5

22

20

50

2

16

8

6

20

Изоляционная стойкость

Синфазные помехи в переходном режиме являются одной из основных причин, по которой происходит искажение данных в приложениях по развязке. Изоляционная стойкость измеряется в единицах кВ/мс и характеризует способность изолятора подавлять шум, возникающий между его входом и выходом. На рисунке 5а показана оптопара, подверженная воздействию синфазной помехи — VСП. В зависимости от величины VСП, изменяющейся при быстрых переходных процессах, токи iLP and iLN либо совпадают с током светодиода, либо противодействуют ему, что приводит к мгновенному изменению в излучении светодиода, зачастую несмотря на защитный экран датчика, который устанавливают производители для снижения паразитной емкостной связи по входу/выходу.

Паразитная связь в оптопаре между землями, как правило, составляет десятые доли пФ (например, 0,6 пФ для устройства Avago HCPL-0703), что в значительной мере снижает изоляционную стойкость. Этот показатель можно в некоторой степени повысить за счет квазидифференциального сигнала управления (см. рис. 6), при котором токоограничивающие резисторы ставятся до и после светодиода, причем величина каждого из них равна половине RLED на рисунке 5.

Рис. 5. Эквивалентная цепь оптопары (а) и изолятора ISOpro (б)

Рис. 6. Синфазные помехи при переходных процессах для оптопары и ISOpro

Как видно из временной диаграммы оптопары на рисунке 6, положительный сигнал импульсной помехи на правой земляной шине оптопары (по отношению к ее левой шине) приводит к импульсному увеличению тока светодиода. Эта кратковременная помеха может привести к ошибкам в данных, в зависимости от величины паразитной связи в оптопаре. Например, 0,6 пФ емкостной связи может оказаться достаточно для того, чтобы вызвать мгновенное ложное срабатывание светодиода в момент, когда он должен быть выключен.

Низкое значение изоляционной стойкости, характерное для оптопар, достаточно подробно обсуждается в руководствах по применению от производителей. Некоторые из них рекомендуют при использовании светодиода в условиях высокого уровня синфазных помех перегружать его, пока он находится во включенном состоянии, и смещать в обратном направлении, когда он выключен. Несмотря на эффективность данного метода, рассеяние мощности светодиода увеличивается, и ускоряется его износ. Так или иначе, паразитной связи избежать не удается, и она ухудшает изоляционную стойкость.

Нижний график рисунка 6 показывает поведение VСП — напряжения синфазной помехи изолятора ISOpro и его проходной емкости 100 фФ (CCM), которая в шесть раз меньше, чем у оптопары. Полнодифференциальный тракт изолятора подавляет синфазные помехи, а высокая чувствительность приемника позволяет выделить лишь несущую частоту благодаря большей помехоустойчивости. По этим причинам стандартное значение изоляционной стойкости у ISOpro составляет 25 кВ/мкс, что значительно выше, чем у большинства оптопар с использованием внешних компонентов, позволяющих увеличить этот параметр.

Устойчивость к высокочастотному электромагнитному полю

Устойчивость к высокочастотному электромагнитному полю отражает способность развязки подавлять сильные электромагнитные поля. На первый взгляд, можно предположить, что внешние высокочастотные поля создадут помехи при передаче данных внутри изолятора ISOpro. Однако эти изоляторы демонстрируют высокую степень помехоустойчивости благодаря продуманной схеме. Локальные поля индуцируют синфазные напряжения в сигнальном тракте изолятора, которые подавляются за счет сочетания дифференциального тракта развязки сигнала и высокой чувствительности приемника.

Уровни сигнала на каждой стороне внутреннего дифференциального тракта изолятора ISOpro тщательно согласованы, что позволяет подавить синфазные помехи на входах приемника. Приемник усиливает входное напряжение в очень узкой полосе частот и подавляет все остальные входные сигналы.

Устойчивость изолятора ISOpro к магнитному полю позволяет использовать это устройство рядом с мощными двигателями и другим оборудованием, генерирующим поле. Так например, в результате независимых испытаний было установлено, что это устройство надежно работает в условиях, когда магнитное поле достигает, по меньшей мере, 1000 А/м (в соответствии со стандартами IEC 61000-4-8 и IEC 61000-4-9).

Поле этой величины генерируется током 107 А, протекающим по проводнику длиной 0,1 м, который находится на расстоянии 0,1 м от изолятора ISOpro. С высокой степенью вероятности такие условия эксплуатации изолятора не могут возникнуть, т.к. это поле, в первую очередь, разрушит цепь, прежде чем выведет из строя развязывающий барьер ISOpro. Кроме того, полученные независимыми лабораториями результаты тестирования свидетельствуют о том, что изоляторы ISOpro обладают высокой устойчивостью к воздействию электрического поля (минимум — 20 В/м).

Примеры приложений с использованием изолятора ISOpro приведены в [1].

Выводы

Несмотря на то, что оптопары занимали в течение многих лет доминирующее положение в качестве устройств по развязке сигнала, с появлением РЧ-изолятора у разработчиков появилась возможность применять более компактное и быстрое решение с высокой степенью интеграции и низким энергопотреблением. Подытожим основные преимущества изоляторов ISOpro:

– более высокая степень интеграции;

– более высокое быстродействие;

– более длительный срок службы;

– более высокая надежность в рабочем диапазоне VDD и температур в течение всего срока эксплуатации;

– высокая изоляционная стойкость (≥25 кВ/мкс): полнодифференциальный развязывающий тракт сигнала и высокая чувствительность приемника;

– низкий уровень электромагнитных помех: удовлетворяет требованиям FCC Class B Part 15;

– высокая устойчивость к воздействию электрического поля: >20 В/м, в соответствии с результатами измерения независимых лабораторий;

– самый большой в отрасли допуск на электростатический разряд: 4 кВ для всех устройств;

– меньший список комплектующих — требуется лишь два недорогих развязывающих конденсатора VDD;

– простота использования: однокристальное полное решение для развязки.

Литература

1. Developing Reliable Isolation Circuits: When to Use a Digital Isolator vs. an Optocoupler//Silicon Laboratories Inc., Austin, TX.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Инженер, компания Silicon Laboratories



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты