Když v Texasu mluví o SSR, bude to jízda

Se slovy překážka či bariéra se obvykle nepojí nic příjemného. Jenže tak jako všude budou i zde existovat čestné výjimky. Začnou-li totiž ve společnosti Texas Instruments hovořit o izolační bariéře nebo, chcete-li, galvanickém oddělení, dostává naše představa hned jiné obrysy. A díky drobnému provedení nových spínacích nebo alespoň budicích součástek nemusí být nijak veliké.

Stvořeno pro auta. I bezpečnost

První obvod TPSI3050-Q1 zde vystupuje jako plně integrovaný budič spínacího prvku s galvanickým oddělením (5 kVRMS), který ve spojení s vnějším výkonovým spínačem vytváří kompletní izolované řešení SSR, tedy dobře známé „Solid State Relay“. Díky jmenovité velikosti plovoucího napětí pro buzení hradla 10 V a také špičkové proudové zatížitelnosti 1,5 A či 3,0 A pro případ zdroje či nory lze k nové součástce zapojit nejrůznější vnější spínače, se kterými vyhovíme řadě aplikací. Ty zde mohou přitom zahrnovat systémy pro řízení baterií, palubní nabíječky, hnací ústrojí u vozidel, automatizaci budov, průmyslové řídicí systémy apod. Součástka pak pro takové účely vyrábí z energie, kterou obdrží na primáru, vlastní sekundární napájení, takže již není za bariérou zapotřebí žádný pomocný zdroj. Apokud se to bude hodit, můžete s prvkem zajistit napájení rovněž pro další externí obvody. Výrobce počítá s 50 mW.

S prvně zmiňovanou novinkou, obvodem TPSI3050-Q1, se rovněž pojí dva režimy činnosti odvíjející se od počtu vyžadovaných vstupních vývodů. V případě módu se dvěma vodiči, který obvykle spojujeme s ovládáním u mechanických relé, bude řízení spínacího prvku vyžadovat pouze dva piny, zatímco výrobce dále podporuje široký napěťový rozsah od 6,5 V až do 48 V. Pro třídrátový režim je navíc zapotřebí externě zajistit primární napájení v rozmezí 3 až 5,5 V. K ovládání výkonového spínače pak slouží samostatný vývod Enable. Vše jasně plyne z obr. 2 zachycujícího rozdíly mezi oběma způsoby řízení. Na obr. 3 pak sledujeme časové průběhy dokumentující činnost právě v režimu se dvěma vývody, kde prostřednictvím pinu EN zároveň řešíme i otázku napájení. Pokud by požadavky na velikost přeneseného výkonu začaly růst nebo zapojení dále vyžadovalo menší časové prodlevy, rozhodneme se zřejmě pro variantu s větším počtem vodičů. Součástky s označením TPSI3050S-Q1 navíc ve třídrátovém režimu počítají s funkcí „one-shot“. Hodit se bude při ovládání prvků SCR, tedy Silicon-Controlled Rectifier, které ke spouštění zpravidla vyžadují pouze jeden proudový impulz.

Pružně, ale i čistě

Zapojení může ve stejnosměrných aplikacích ovládat jednoduché výkonové spínače, příp. v AC zapojeních řídit i duální prvky v konfiguraci „back-to-back“, stejně jako různé typy výše zmiňovaných SCR. Integrované struktury TPSI3050-Q1 s blokovým diagramem dle obr. 4 však v prvé řadě sází na vlastní ochranu, která bude neobyčejně robustní a v porovnání s tradičními mechanickými relé nebo optočleny také mnohem spolehlivější, přičemž zde snižujeme proudový odběr a dokážeme dále navýšit i teplotní rozsah. Flexibilitu zapojení pak výrobce rovněž zmiňuje v souvislosti s vnějším rezistorem zapojeným mezi pinem PXFR a zemí VSSP. Přenos výkonu lze totiž přizpůsobit na základě volby jedné ze sedmi úrovní nastavených právě s využitím odporu. V závislosti na potřebách dané aplikace tak lze dosáhnout kompromisu mezi výkonovou ztrátou a množstvím energie dodávané na opačnou stranu bariéry.

Primární strana novinky od společnosti Texas Instruments počítá s transmitterem dodávajícím střídavý proud do primárního vinutí integrovaného transformátoru, a to způsobem, který odráží nastavení na vývodu PXFR, včetně logického stavu pinu EN. Vysílač zde přitom pracuje na vysoké nosné frekvenci 89 MHz, aby tak mohl transformátor optimálně a efektivně budit. Polovodičová struktura kromě toho vsadila na práci v rozprostřeném spektru, takže výrobce lépe zvládne nástrahy z pohledu elektromagnetických interferencí EMI a řadě aplikací nakonec pomůže vyhovět požadavkům CISPR 25 třídy 5. Během celé relace se datová informace dostává na sekundární stranu souběžně i s napájením. Indukované napětí pak bude usměrněno a stabilizováno s ohledem na úroveň VDDH. Demodulátor konečně dekóduje získanou informaci a ovlivňuje výstup VDRV tak, aby odpovídal logickému stavu na vstupu EN. U obvodů TPSI3050-Q1 v provedení typu SOIC (DWZ) s osmi vývody a o rozměrech 7,50 × 5,85 mm Texas počítá s teplotním rozsahem od –40 °C až do +125 °C, dle AEC-Q100.

Jde to i dohromady

Další novinka od TI v podobě 1400V obvodů TPSI2140-Q1 již bude rovnou odděleným spínacím prvkem typu SSR navrženým pro automobilové a také další průmyslové aplikace pracující s vyšším napětím. Využije přitom firemní technologii kapacitního galvanického oddělení doplněnou o vnitřní „back-to-back“ tranzistory MOSFET, čímž nakonec vzniká ucelené řešení, opět bez požadavku napájecího zdroje na své sekundární straně. Celá primární část integrovaného obvodu si přitom vystačí s odběrem jen 7,5 mA, což vývojářům otevírá ještě více prostoru pro mikrokontroléry a jejich vývody GPIO. Princip činnosti nyní plyne ze zjednodušeného zapojení na obr. 5. Výhodám prvků SSR se pak výrobce věnuje v příspěvku „How to achieve higher-reliability isolation and a smaller solution size with solid-state relays“ [4].

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://news.ti.com/ti-drives-isolation-technologyforward-with-new-solid-state-relays-that-provide-industry-leadingreliability

[2] Obvody TPSI3050-Q1, https://www.ti.com/product/TPSI3050-Q1

[3] Obvody TPSI2140-Q1, https://www.ti.com/product/TPSI2140-Q1

[4] Článek na blogu TI, https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/how-to-achieve-higher-reliability-isolation-and-a-smallersolution-size-with-ssrs