Izolacja galwaniczna poprawia komunikację cyfrową

Rys. 1. Jednokanałowe optoizolatory ogólnego przeznaczenia zapewniają izolację galwaniczną przy prędkości do 50 kb/s

W wielu aplikacjach mikrokontroler współpracuje z wieloma urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak porty we/wy, sterowniki LCD, przetwornice danych oraz układy pamięci (EEPROM). Oczywiście, im większa liczba urządzeń połączonych do wspólnej magistrali, tym większa złożoność wewnątrz protokołów.

Nierzadko w obrębie jednej płytki drukowanej występuje kilka różnych magistral komunikacyjnych, co tworzy wiele problemów z utrzymaniem integralności sygnałów takich jak szumy i zakłócenia, wahania potencjałów, pętle prądowe, pasożytnicze reaktancje.

Potrzeba izolacji galwanicznej

Rys. 2. Izolację galwaniczną przy prędkościach dochodzących do 3,5 Mb/s mogą zapewnić szybkie, jednokanałowe optoizolatory 10 Mb/s

Różnice w potencjale masy powodują zakłócenia, które prowadzą do zmniejszenia integralności sygnału. Ponadto, przepływający między urządzeniami prąd ziemnozwarciowy może spowodować zwarcia lub porażenia prądem. Problem ten rozwiązują optoizolatory, zapewniając galwaniczną izolację pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Na przykład implementacja dwóch jednokanałowych optoizolatorów ogólnego przeznaczenia (rys. 1), takich jak HCPL-181 lub 4N35, jest w stanie zapewnić galwaniczną izolację od 5 do 50 kHz.

Jeden kanał jest używany do transmisji, drugi do odbioru. Do aplikacji o małej szybkości zalicza się zdalne sterowanie urządzeniami, oświetleniem czy wyświetlaczami, systemybezpieczeństwai kontroli dostępu oraz logowanie danych. Z drugiej strony, w przypadku pracy z pełną prędkością zegarową na poziomie od 100 kHz do 3,5 MHz, w wielu projektach referencyjnych zaleca się stosowanie do izolacji galwanicznej optoizolatorów o większej szybkości.

Na przykład można wykorzystać HCPL-060L produkcji Avago Technologies, który jest jednokanałowym optoizolatorem o prędkości 10 MB/s. Ten optoizolator o wyjściu typu otwarty kolektor zapewnia tłumienie CMR do 15kV/μs dla składowej zgodnej napięcia (VCM) na poziomie 1kV. Pracuje od 2,7 do 3,6V oraz występuje w wersji dwukanałowej i obudowie SO-8. Na rysunku 2 pokazano dwa jednokanałowe HCPL-060L, jeden stosowany do nadawania, a drugi do odbioru.

Układ występuje w 5-pinowej obudowie SO-5 i charakteryzuje się niskim napięciem oraz małą zajmowaną powierzchnią. Jego nowsza wersja, ACPL-M60L, została zaprojektowana do szybkich aplikacji, takich jak PoE, moduły do sterowania mocą w telekomunikacyjnych stacjach bazowych oraz akwizycja danych w regulatorach temperatury, ciśnienia i wagach.

Rozwój optoizolatorów

Rys. 3. Postęp w obudowach komponentów przyczynia się do powstania optoizolatorów wielokanałowych, takich jak HCPL-181

Oprócz podstawowej zalety, jaką jest izolacja sygnałów od różnych potencjałów i zaburzeń, optoizolatory zapewniają wzmocnioną izolację od wysokich napięć. Pomaga to chronić przez porażeniem prądem np. ze strony urządzeń do monitoringu pacjenta w aplikacjach medycznych. Najbardziej powszechne normy dotyczące optoizolatorów to IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 opracowana przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną, UL 1577 autorstwa Underwriters Laboratories oraz standardy Kanadyjskiej Organizacji Standaryzacyjnej (CSA).

Technologia izolacji optycznej odgrywa w elektronice coraz bardziej znaczącą rolę, dzięki licznym usprawnieniom dokonanym w ciągu ostatnich 20 lat. Opracowano wiele procesów do integracji LED i fotodetektorów w jednym urządzeniu. Na przykład dwurzędowe obudowy DIP 300-mils i DIP 400-mils oraz 5-, 8- i 16-pinowe obudowy SO do montażu powierzchniowego stały się najpowszechniej stosowane w tych elementach.

Mimo małych wymiarów i płaskiej konstrukcji zapewniają odpowiednią jakość izolacji oraz niezawodność działania. Ponadto technologia zmierza w kierunku redukcji zajmowanej powierzchni na płytce i uproszczenia projektu. Dzięki niedawno opatentowanym procesom produkcyjnym, spiętrzanie LED na krzemowych podłożach pozwala na uzyskanie większego stopnia integracji w monolitycznych obudowach układów scalonych.

Ten nowy proces może zintegrować do czterech kanałów sprzęgających w dwukierunkowych konfiguracjach w pojedynczej, cienkiej obudowie SO-8 lub SO-16 (rys. 3). Inny rosnący trend dotyczy obudów spełniających wymagania w zakresie odstępów izolacyjnych powietrznych i powierzchniowych (clearance) na poziomie 8mm w napięciu operacyjnym do 250VRMS, które mają na celu poprawę właściwości izolacyjnych.

Standardy dotyczące wyposażenia, takie jak IEC60950 (w zakresie urządzeń biurowych i przetwarzania danych) oraz IEC60204 (w kwestii regulacji procesów przemysłowych) wymagają, aby używane w projektach optoizolatory spełniały wymagania odstępu na poziomie 8mm. Normy medyczne, takie jak np. IEC60601-1 w wersji 3, zostały przeredagowane, aby uwzględnić kwestię grubości izolacji (DTI), której wartość została zwiększona z 0,08 do 0,4mm, celem poprawy właściwości ochronnych.

Podobnie jak w przypadku stale ewoluujących obudów optoizolatorów, zmianom ulega również cały rynek. Trendy dotyczą prędkości 10 MB/s i większych, mniejszych napięć operacyjnych 3,3V dla urządzeń o małej mocy, szerokiego zakresu temperatur operacyjnych (od -40°C do ponad 100°C) oraz wysokiego CMR (15kV/μs dla VCM na poziomie 1kV), aby utrzymać integralność danych nawet w zaburzonym środowisku.

Aplikacje z szybką transmisją danych

Rys. 4. Wykorzystanie optoizolatorów w modułach SMBus

Na rysunku 4 pokazano sposób zastosowania optoizolatorów do izolacji z wykorzystaniem magistrali SMBus - odmiany magistrali I²C stosowanej w telekomunikacji i modułach zasilających. W typowym module SMBus projektant może zastosować trzy optoizolatory HCPL-060L (SDA, SCL oraz INT) lub pojedynczy, wielokanałowy optoizolator ACSL-6310 o prędkości 15 MB/s do izolacji zakłóceń pochodzących z systemu zasilającego. Optoizolatory mogą być również stosowane do izolacji w aplikacjach PoE.

Lokalne źródło zasilania (PSE) aplikacji PoE wykorzystuje jeden wielokanałowy separator, ACSL-6420 (po dwa kanały wysyłające i zwrotne), do zapewnienia izolacji galwanicznej pomiędzy magistralą adresową I²C oraz liniami zasilającymi 48V. Innym obszarem zastosowania optoizolatorów mogą być systemy akwizycji danych. Pojedynczy układ ACSL-6410 może być użyty do izolacji pomiędzy układem przetwornika A/C oraz mikrokontrolerem, zapewniając często wymaganą izolację galwaniczną.

Grzegorz Michałowski