wersja mobilna
Online: 574 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Projektowanie układów z użyciem pojemnościowych izolatorów cyfrowych

poniedziałek, 26 kwietnia 2010 12:47

Wobec ciągle zmieniających się przepisów bezpieczeństwa regulujących kwestie użytkowania i projektowania urządzeń elektronicznych, w niemal każdym układzie akwizycji i transmisji danych konieczne staje się wprowadzanie izolatorów galwanicznych.

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy pojemnościowego izolatora cyfrowego

Jedną z metod izolowania obwodów niskiego napięcia układów sterujących od potencjalnie niebezpiecznych wysokich napięć w okolicznych czujnikach lub urządzeniach wykonawczych jest stosowanie izolatorów cyfrowych. Na rysunku 1 pokazano uproszczony schemat blokowy pojemnościowego izolatora cyfrowego ze ścieżkami dla sygnałów szybkich i wolnych.

Ścieżka szybka (niebieska) przekazuje sygnały o szybkości 100 kb/s do 150 Mb/s, natomiast ścieżka wolna (pomarańczowa) – od 100 kb/s aż do prądu stałego. Podczas transmisji przez pojemność sprzęgającą sygnał cyfrowy, transmitowany przez ścieżkę niebieską, zmienia się na przebieg przejściowy. Następnie przerzutnik bistabilny zamienia przebiegi przejściowe w impulsy o kształcie i fazie identycznych jak dla sygnału wejściowego.

Wewnętrzny kontrolny licznik zegarowy (watchdog timer) wbudowany w układ sprawdza regularność występowania stromych zboczy sygnału. W przypadku sygnału wejściowego o małej częstotliwości przedział między następującymi po sobie zboczami sygnału wykracza poza okno kontrolne licznika. W efekcie licznik zmienia położenie przełącznika wyjścia ze ścieżki szybkiej (pozycja 1) na wolną (pozycja 2).

Rys. 2. Izolatory cyfrowe należy umieszczać w odcinku transmisji niesymetrycznej izolowanego interfejsu

Ścieżka wolna zawiera więcej elementów funkcjonalnych niż ścieżka szybka. Ponieważ sygnały wejściowe o niskiej częstotliwości wymagają od bariery izolacyjnej niedopuszczalnie dużej dla bezpieczeństwa użytkowania pojemności, sygnał wejściowy zostaje użyty do modulacji szerokości impulsu (PWM) częstotliwości nośnej oscylatora wewnętrznego.

W ten sposób uzyskuje się częstotliwość dostatecznie wysoką, aby pokonać barierę pojemnościową. Ponieważ wejście jest modulowane, w celu usunięcia z danych składowych wysokiej częstotliwości przed przesłaniem sygnału na wyjście konieczne jest użycie filtru dolnoprzepustowego (LPF).

Miejsce w torze sygnałowym

Izolatory cyfrowe występują jako układy jedno-, dwu-, trzy– i czterokanałowe, działające w jednym i w dwóch kierunkach. Wszystkie mają następujące wspólne cechy:

  • nie są dostosowane do żadnego określonego standardu interfejsu,
  • wykorzystują technologię przełączania logicznego pozwalającą pracować w systemach zasilanych napięciem 3...5V,
  • zostały zaprojektowane do izolowania galwanicznego wyłącznie cyfrowych, niesymetrycznych linii danych.

Rys. 3. Zalecany układ czterowarstwowego druku

Ostatni punkt wydaje się stanowić pewne ograniczenie w projektowaniu, jednak na rysunku 2 pokazano, w jaki sposób można zrealizować izolację dla szerokiej gamy interfejsów, w tym np. niskonapięciowych interfejsów SPI, wysokonapięciowych RS232, różnicowych USB i różnicowych CAN/RS485. W przypadku wszystkich interfejsów izolator cyfrowy musi się jednak znajdować w odcinku transmisji niesymetrycznej 3/5V izolowanego interfejsu.

Ponieważ czasy narastania i opadania sygnałów dla izolatorów cyfrowych mieszczą się w przedziale 1–2ns, w przypadku występowania długich ścieżek, których impedancja charakterystyczna nie odpowiada impedancji wyjściowej izolatora, izolatory te są narażone na odbicia z niedopasowania. Dlatego zaleca się umieszczenie izolatora blisko wyjść układów nadawczo-odbiorczych. Jeżeli jest to w projekcie niemożliwe, konieczne jest zastosowanie linii transmisyjnych o kontrolowanej impedancji.

Wytyczne dotyczące projektowania płytek PCB

Rys. 4. Dopasowywanie impedancji źródła: ZO ~ rO

W projektowaniu płytek PCB jako materiału należy używać standardowego laminatu epoksydowo-szklanego FR-4, ponieważ wykazuje mniejsze straty dielektryczne przy wysokich częstotliwościach w porównaniu z jego tańszymi odpowiednikami. Z uwagi na konieczność zapewnienia niskiej emisji elektromagnetycznej zaleca się płytkę minimum czterowarstwową (rys. 3), zawierającą w kolejności od góry do dołu warstwę sygnału szybkiego, płaszczyznę masy, płaszczyznę zasilania i warstwę sygnału o niskiej częstotliwości.

Oczywiście ścieżki powinny być krótkie i możliwie bez przelotek. Obok warstwy sygnałów szybkich należy zastosować litą płaszczyznę masy w celu zapewnienia silnego sprzężenia elektrycznego między warstwą masy i ścieżkami sygnałowymi. Pozwala to kontrolować impedancję dla połączeń linii transmisyjnej i znacznie zmniejsza zaburzenia elektromagnetyczne. Lita płaszczyzna masy stanowi też doskonałą ścieżkę powrotną o małej indukcyjności. Ścieżki sygnałów o niskich częstotliwościach należy trasować na warstwie dolnej płytki.

W tym przypadku można stosować przelotki, gdyż połączenia te nie są krytyczne. Linie transmisyjne o kontrolowanej impedancji to ścieżki przewodzące, których impedancja charakterystyczna Z0 jest ustalona przez geometrię. W przypadku ścieżek o długości powyżej 15mm (dla tr=1ns) i ścieżek o długości powyżej 30mm (dla tr=2ns) impedancja ścieżki musi odpowiadać impedancji wyjściowej izolatora Z0 ~ rO, (rys. 4) w celu zminimalizowania odbić sygnałów.

Rys. 5. Minimalizowanie przesłuchów przez przyjęcie d = 3h

Wymóg ten jest określany mianem dopasowywania impedancji źródła. Dynamiczną impedancję wyjściową izolatora (r0) można ustalić, stosując metodę przybliżania odcinkami liniowymi prądowo-napięciowych charakterystyk wyjściowych, podanych w karcie katalogowej izolatora. Jako ogólną zasadę przyjmuje się, że typowa impedancja wyjściowa wynosi ok. 70Ω. Stąd dla standardowej grubości warstwy miedzi i dielektryka FR-4 ścieżki o szerokości 0,8–1mm nad płaszczyzną masy dają wymaganą impedancję charakterystyczną w wysokości 70Ω.

Dokładne obliczenia najlepiej przeprowadzić za pomocą jednego z wielu dostępnych w Internecie kalkulatorów linii mikropaskowej (microstrip line calculator). Aby ograniczyć przesłuchy miedzyścieżkowe do poniżej 10%, ścieżki sygnałowe należy prowadzić w odległości trzykrotnie większej niż odległość pionowa ścieżka-masa (d = 3h). Ponieważ gęstość prądu powrotnego pod ścieżką sygnałową wyraża się funkcją 1/[1+(d/h)2], gęstość w punkcie, w którym d > 3h, będzie dostatecznie niska, aby uniknąć zauważalnego przesłuchu w sąsiedniej ścieżce (rys. 5).

Wykonywanie łuków (lub skośnych narożników) ścieżek pod kątem 45˚ zamiast 90˚ utrzymuje stałą impedancję ścieżki i pozwala uniknąć odbić sygnału. Do pracy w środowiskach o wysokim poziomie zaburzeń nieużywane wejścia uaktywniające izolatora należy podłączyć do odpowiedniej płaszczyzny referencyjnej za pośrednictwem rezystora. Wejścia aktywujące z aktywnym sygnałem wysokim należy podłączyć do płaszczyzny zasilania, a wejścia z aktywnym sygnałem niskim do płaszczyzny masy.

Rys. 6. Kondensator blokujący należy podłączyć bezpośrednio do wyprowadzeń Ucc

Należy unikać zmian warstw ze ścieżkami sygnałów szybkich, ponieważ przelotki zwiększają indukcyjność ścieżki. Używanie krótkich ścieżek między izolatorem a sąsiednimi obwodami zmniejsza wpływ zakłóceń ze strony innych bloków urządzenia. Izolatory cyfrowe często występują razem z przetwornikami DC/DC, które przy długich ścieżkach sygnałowych wychwytują szumy i sygnały przełączania wywoływane przez sąsiednie przetworniki DC/DC.

Kondensatory o dużych pojemnościach należy umieszczać blisko źródeł zasilania lub w punktach wejścia napięcia do płytki PCB. Kondensatory blokujące należy umieszczać w układzie przez połączenie strony zasilania kondensatora bezpośrednio z wyjściem zasilania układu, a następnie przez przelotki do płaszczyzny Ucc. Stronę masy kondensatora należy podłączyć przez przelotki do płaszczyzny masy (rys. 6). Do podłączania kondensatorów blokujących i innych elementów zabezpieczających, jak np. tłumików stanów nieustalonych i diod Zenera, należy używać wielu przelotek w celu zminimalizowania indukcyjnośći przelotek.

Thomas Kugelstadt,
inżynier aplikacyjny w Texas Instruments

 

Firmy w artykule