Digital Isolator: oddělit data nestačí, přidejte i napájení

Ať se již pohybujeme v oblasti programovatelných logických automatů, potřebujeme měřit a testovat, nebo máme právě připojeného pacienta, kterému snímáme EKG, využíváme při tom vhodného galvanického oddělení pro signály, a samozřejmě též i napájení. Důvody se najdou vždy, stejně jako nezbytné požadavky.

Potřebujeme totiž chránit vše živé, od obsluhy až po naše nízkonapěťové obvody, zlepšit odolnost vůči rušení nebo též správně naložit s rozdílnými zemními potenciály, zejména když čidlo je „tam a my tady“. Zamezit rovněž musíme průchodu stejnosměrného proudu stejně jako nežádoucích střídavých průběhů, a zároveň přitom s vysokou účinností, dostatečným výkonem zdroje, nízkými vlastními emisemi a nezbytnou izolační bariérou oddělit nejen užitečný signál, mnohdy i celé sběrnice, ale také jejich napájení. Až se nám o takové samozřejmosti nechce dále číst ani psát, jen kdyby nebylo pořád co zlepšovat.

Bez napájení to nejde

Řekne-li se oddělené napájení, pravděpodobně se nám hned vybaví některá z topologií DC/DC měniče budícího transformátor, např. Flyback, Fly-Buck nebo Push-Pull. Krátce odbočíme. Pokud bychom se chtěli přehledně a pouze na několika stranách nenásilnou formou seznámit s takřka dvěma desítkami základních zapojení spínaných zdrojů, a to včetně vybraných vztahů a časových průběhů, stáhneme si třeba volně dostupnou příručku Power Topologies Quick Reference Guide [1] z roku 2016 od společnosti Texas Instruments (TI). Ale zpátky ke zdroji.

Izolované stejnosměrné napájení znamená pulzující výstupy na sekundární straně bariéry, které bude potřeba nejen usměrnit, ale také odfiltrovat. O potřebnou regulaci s ohledem na změny vstupního napětí či zatížení výstupu se nám ještě postará zpětná vazba s optočlenem a v případě otevřené smyčky si dále vypomůžeme klidně i doplňkovým lineárním stabilizátorem. To je všechno sice pěkné, nicméně kdyby to jen zabíralo další místo na desce! Navrhnout na omezené ploše a s diskrétními součástkami stabilní, a ještě k tomu účinné napájení s galvanickým oddělením nebude jen tak.

Spolu, a ještě lépe

Potřebu izolovat nejen data, ale také jejich „power“ si v případě typického PLC nejlépe ilustrujeme společně se dvěma inženýry TI [2] na obr. 1. Díky izolovanému DC/DC měniči tak budeme schopni zajistit napájení např. pro vstupní operační zesilovače nebo A/D převodníky. A nepůjde jen o ochranu života, jak jsme ji zmiňovali výše. Coby vývojáři si totiž dokážeme život i zjednodušit, zvláště pak tehdy, najdeme-li jednotlivé stavební bloky ohraničené přerušovanou čarou pěkně pohromadě v rámci jediného integrovaného obvodu, a to včetně zpětné vazby spínaného zdroje, kterou zde zvlášť vyznačenu nemáme.

Pokud chcete ušetřit místo na desce i vy a zjednodušit si vše okolo certifikací, zejména máte-li vyřešenu signálovou i výkonovou část s ohledem na příslušné standardy Verband der Elektrotechnik, VDE nebo Underwriters Laboratories, UL společně, a ještě k tomu zajistit tepelnou ochranu, podpěťový zámek UVLO nebo funkci měkkého startu, pokračujte dál ve čtení.

Stále nerozhodnutí by si mohli také vzpomenout na bezpečnostní standardy typu International Electrotechnical Commission (IEC), spojené s buzením motorů, oblastí testování a měření nebo lékařskou elektronikou, a zvážit, jak jim vyhoví jejich samostatně certifikované transformátory s posílenou izolací, pakliže je vůbec seženou a smíří se pak s jejich cenovkou, rozměry nebo představou vibračních testů. Může se nám to líbit, nebo taky ne, ale čip s planárními mikrotransformátory s výškou okolo 3 mm bude oproti svým diskrétním protějškům v tomto případě 2 až 3× tenčí. Zapomněli jsme na něco? Určitě, vedle teplotního zatížení a ztrát při spínání to musí logicky znamenat i rušení – viz třeba Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 22. Ani zde se však není čeho obávat.

Na data kapacitu

S konkrétní izolační bariérou se budou pojit i minimální rozteče, takže v pouzdře integrovaného obvodu nějaké místo určitě vyšetříme. Stejně jako to ráda učinila společnost Texas Instruments v případě letošní novinky [3], obvodů ISOW7841, které se dle oficiálního popisu v dokumentaci „ISOW784x High-Performance, 5000 VRMS Reinforced Quad-Channel Digital Isolators With Integrated High-Efficiency, Low-Emissions DC-DC Converter“ [4] hrdě hlásí ke všem pěti členům rodiny, byť by někteří z nich byli v době přípravy tohoto článku stále mezi „nenarozenými – preview“.

Struktury ISOW7841 výrobce předurčil ke galvanickému oddělení čtyř číslicových signálů s rychlostí až 100 Mbps v konfiguraci „3 tam a 1 zpět“ s vestavěným mikrotransformátorem umožňujícím dále realizovat DC/DC zdroj o výkonu až 650 mW, včetně jeho zpětnovazebního kanálu, to vše napříč izolační bariérou 5 kVRMS (60 vteřin dle UL 1577) a při uvážení typického zpoždění při napájení z 5 V, parametru Propagation Delay, na úrovni 13 ns. Názorně vše zachycuje obr. 3.

Rodina oddělovacích prvků pokryje rozvržení kanálů 4/0, naše 3/1, 2/2, 1/3 a také 0/4, pracuje se vstupním rozsahem od 3 V až do 5,5 V, v případě koncovky „F“ se ještě mění výchozí výstupní stav při ztrátě vstupu z jedničky na logickou nulu a vše pak na desce ukrývá pouzdro typu SOIC-WB (Wide Body) se 16 vývody, které sice je široké (10,3 × 7,5 mm), nicméně svou výškou nepřekročí 2,65 mm. Zájemci mohou při odběru 1 000 kusů počítat s cenou 5,5 dolaru a také vývojovou deskou ISOW7841EVM. Pracovat smíme uvnitř teplotního rozsahu od –40 °C až do +125 °C.

Na pozici dielektrika, avšak jen pro signálovou část, výrobce volí oxid křemičitý a místo optického či magnetického rozhraní tak při oddělení staví raději na kapacitních technologiích, a to již ve druhé generaci. Vedle intenzit zhruba okolo 500 VRMS/μm můžeme v případě SiO2 počítat i s vyšší spolehlivostí takto vzniklého kondenzátoru, např. při vystavení účinkům vlhkosti okolí. Jak podrobně vysvětluje [5], ke galvanickému oddělení poslouží jedna sériová kapacita na každé straně bariéry. Při izolaci číslicových vstupů a výstupů CMOS nebo LVCMOS nejenže nebudeme sami tolik rušit, ale ani nás samotné jen tak něco „nevyruší“.

K výkonu zase mikrotrafo

To vestavěný spínaný měnič již stojí na indukčnostech doplněných tenkovrstvým polymerem, zvýšil svou účinnost, a může tak pro vstupních 5 V dodávat proud převyšující až 130 mA (5 V / 5 V nebo 5 V / 3,3 V), resp. 75 mA budeme-li uvažovat napětí na obou stranách izolační bariéry jen 3,3 V. S náležitou odezvou na změnu vstupního napětí a také zatížení si hravě poradí uzavřená smyčka zpětné vazby a strachovat se nemusíme, ani pokud jde o standardy omezující nežádoucí vyzařování dle CISPR 22 třídy B. Oproti „konkurenci“ se TI pyšní odstupem lepším o 10 dB, zatímco ve spojení s účinností zmiňuje nárůst na bezmála jednou tolik. Teplota čipu +90 °C pak bude o hodně vyšší než našich +50 °C (80 mA / 5 V) [2].

Včetně referenčních návrhů

Nové obvody typu „Digital Isolator“ od společnosti Texas Instruments umožňují pochválit DC/DC měnič, a to i v případě, kdy se jeho účinnost jen stěží přehoupne přes 50 %. Ale díky za každé procento, dává to totiž smysl stejně jako celkové pojetí struktury pro galvanické oddělení čtyř číslicových signálů v různých směrech s uvážením rychlostí až do 100 Mbps, doplněné vlastním, taktéž izolovaným zdrojem napájení o výkonu až 650 mW. V TI vsadili na kapacitní vazby doplněné v silové části mikrotransformátory a v době přípravy tohoto článku s novinkami počítali již ve čtyřech referenčních návrzích [6]. Po zadání klíčového produktu ISOW7841 dostáváme na výběr mezi podporou rozhraní:

• RS-485,
• RS-232,
• modulů binárních vstupů a
• konečně též vstupů analogových.

Posledně jmenovaný návrh nese označení „8-ch Isolated High Voltage Analog Input Module with ISOW7841 Reference Design“ [7] a počítat bude celkem s osmi kanály. Každý z nich přitom podporuje měření jak proudu od 0 až do ±20 mA, tak též napětí – viz obr. 4. Jako „odrazový můstek“ přitom bereme výchozí řešení TIDA-00764.

Odlišeno zdrojem

Jádro zmíněného „TI Designu“ TIDA- 01333 tvoří 16bitový A/D převodník ADS8681 pracující se vstupním napětím až do ±12,288 V, a vhodně tak nahrává potřebám průmyslových aplikací, zatímco polovina ze vstupů si dále rovněž poradí se souhlasnými CM úrovněmi až do ±160 V. Výsledných osm kanálů zajišťujeme multiplexováním a přepínání mezi měřením proudu nebo napětí pak ošetříme přes registr. Někomu však může vadit, že zde nevidí potřebnou izolaci také mezi jednotlivými vstupy navzájem, což je pochopitelné, a naštěstí i řešitelné. Avšak již nad rámec našeho popisu.

Galvanicky oddělené napájení ±15 V navrhneme s přispěním topologie Fly-Buck, zatímco další hladinu +5 V přidáme doplňkovým vinutím na transformátoru nebo využijeme právě služeb integrovaného obvodu ISOW7841 a jeho vlastního DC/DC měniče, čímž se od předchozího návrhu TIDA odlišujeme. Výsledné charakteristiky si tak může vývojář snadno porovnat.

Rodina obvodů pro společné galvanické oddělení signálové a také „silové“ části bude pro mnoho vývojářů nepochybně zajímavá. Další konfigurace kanálů napříč modely ISOW7840 až 7844 pak můžeme dle výhledu výrobce očekávat v průběhu roku 2017.