Projektowanie układów z użyciem pojemnościowych izolatorów cyfrowych

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: Z_O ~ r_O

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 ~ r_O, (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 U_cc

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 U_cc. 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