Współczesne metody izolacji sygnałów

W wielu współczesnych urządzeniach kontrolno-pomiarowych (medycznych, przemysłowych itp.) wymagana jest izolacja galwaniczna stopni analogowych. Warunek taki wynika m.in. np. z rodzaju zastosowanych czujników oraz układów wykonawczych. Dostępne na rynku, powszechnie stosowane podzespoły przeznaczone do realizacji takich projektów nie zawsze zapewniają osiągnięcie zakładanych parametrów. Uzyskuje się przez to ograniczony zakres sygnałów wejściowych i słabą dokładność wzmocnienia.

Kluczowym zagadnieniem staje się izolacja zasilania. Niestety, zdarza się, że słabe parametry wyrobów są ukrywane przez umieszczenie ich małym drukiem w specyfikacjach technicznych lub maskuje się je innymi parametrami znacznie lepiej wyglądającymi. Przykładowo, w specyfikacji technicznej pewnej miniaturowej przetwornicy DC/DC o mocy 1 W podane jest napięcie izolacji równe 1 kV, ale w dopisku pod specyfikacją czytamy, że czas dołączenia takiego napięcia nie może być dłuższy niż jedna sekunda, natomiast maksymalne, trwale przyłożone napięcie nie może przekraczać w szczycie 42,4 V.

W rzeczywistości zatem przetwornica taka nie spełnia kryteriów dla zastosowań z izolacją galwaniczną. Rozpatrzmy więc inny przykład, w którym wydaje się, że producent nie zastosował żadnego chwytu marketingowego i wszystkie dane są wyszczególnione uczciwie. Należy je jednak umieć czytać i nie bagatelizować żadnego. W tym przypadku uwagę powinna zwrócić np. pojemność występująca między wejściem i wyjściem. W pewnych warunkach może ona znacznie ograniczyć przydatność wyrobu do planowanych zastosowań.

Ograniczenia technologiczne, które jeszcze kilkanaście lat temu wiązały ręce konstruktorom, dzisiaj zostały w znacznym stopniu wyeliminowane. Aktualnie jest już dostępna nowa klasa wysokoprądowych izolatorów fotowoltaicznych, niskomocowych izolatorów o dużej szybkości działania i mikromocowych przetworników A/C.

Wysokoprądowe niskomocowe źródło fotowoltaiczne PVI

Rys. 1. Zależność prądu wyjściowego od prądu diody LED źródła PVI 8A100

Wiodącym producentem cieszących się coraz większym zainteresowaniem wysokoprądowych izolatorów fotowoltaicznych jest Dionics. W ofercie tej firmy znajduje się m.in. rodzina izolatorów 8A100-1 i 8A100-2. W jednym układzie scalonym znajdują się dwa fotowoltaiczne źródła izolowane. Niezależne wyjścia mogą być łączone równolegle w celu zwiększenia wydajności prądowej lub szeregowo dla zwiększenia napięcia wyjściowego.

Bez połączeń uzyskuje się dwa niezależne źródła zasilania. Na rysunku 1 przedstawiono przykładową konfigurację układu z wyjściami połączonymi równolegle. Napięcie wyjściowe 3,00 V jest uzyskiwane przez zastosowanie zewnętrznego stabilizatora. Wyjściowa wydajność prądowa jest proporcjonalna do prądu płynącego przez wewnętrzne diody LED. Przepuszczając przez nie prąd o natężeniu 20 mA, uzyskuje się wydajności prądowe na wyjściu 200 mV (dla układu 8A100-1) i 300 mA (dla układu 8A100-2). Każde źródło ma moc wyjściową 3 mW, ale przy impulsowym poborze prądu (duty cycle) może być ona większa.

Rys. 2. Dwukanałowy izolator sygnałów cyfrowych - kanały wejściowe spełniają kryteria układów mikromocowych

Stosowanie izolowanych źródeł PVI ma jeszcze inne zalety. Otóż źródła takie nie narzucają konieczności stosowania minimalnych obciążeń. Nie bez znaczenia jest też fakt, że napięcie wyjściowe jest bardzo "czyste", co znacznie upraszcza konstrukcję filtrów EMI lub wręcz umożliwia rezygnację z nich. Również prąd wejściowy płynący przez diody LED nie zawiera żadnych tętnień ani innych zakłóceń, które mogłyby przedostawać się do wyjścia.

Układy produkowane przez Dionics są oferowane w 8-nóżkowych obudowach przeznaczonych do montażu powierzchniowego lub przewlekanego. Są to najmniejsze i najtańsze elementy tego typu dostępne na rynku. Uzyskanie w nich względnie dużej mocy wyjściowej w porównaniu z podobnymi układami PVI było możliwe dzięki odpowiedniej optymalizacji struktury, a napięcia wyjściowe są ustalane dla zapewnienia zgodności z nowoczesnymi przetwornikami i układami logicznymi.

W celu zwiększenia wydajności prądowej i napięcia wyjściowego w każdym kanale układu 8A100-2 zastosowano dwie połączone szeregowo diody LED. Konsekwencją takiego rozwiązania jest oczywiście zwiększenie wymaganego do pracy napięcia wejściowego, jednak jednocześnie osiągany jest 1,5-krotny wzrost prądu wyjściowego. Tak elastyczne miliwatowe źródło izolowane rozwiązuje znaczną część problemów występujących w wielu aplikacjach z izolacją.

Cyfrowe izolatory mikromocowe

Rys. 3. Charakterystyka prądu zasilającego od szybkości transmisji układu izolatora cyfrowego ADuM144x

Następną grupę elementów określanych jako izolatory cyfrowe stanowią układy NVE IL500 i IL700 oraz ich odpowiedniki firmy Avago - HCPL-9000, HCPL-0900. Zastosowano w nich technologię GMR - Giant MagnetoResistive. Elementy te są przeznaczone do izolacji szybkich sygnałów cyfrowych (rys. 2). Zaletą układów jest bardzo mała moc spoczynkowa kanałów transmisyjnych.

Prąd spoczynkowy każdego kanału jest mniejszy od 30 mA. W trakcie transmisji dynamiczny wzrost poboru prądu jest równy ok. 14 mA/100 kbps na kanał. Jak widać, układy IL500 i IL700 mogą być z powodzeniem zasilane z omawianego wcześniej izolowanego źródła PVI 8A1000, zachowując przy tym wystarczający zapas mocy do ewentualnego zasilania wykorzystywanych w aplikacji przetworników.

Niemal każdy nowoczesny system mikroprocesorowy zawiera jakiś interfejs komunikacyjny. Jednym z najbardziej popularnych jest SPI. Między innymi dla tego interfejsu Analog Devices opracował rodzinę poczwórnych mikromocowych izolatorów cyfrowych ADuM144x. Są one produkowane z wykorzystaniem technologii iCoupler (rys. 3). Spoczynkowy prąd zasilania tych układów jest nie większy niż 10 mA/kanał, a prąd dynamiczny nie przekracza 10 mA/100 kbps. Układy te z powodzeniem mogą być zasilane ze źródeł PVI 8A100.

Układ izolowanego przetwornika sygnału analogowego na PWM

Rys. 4. Izolowany PWM

Linear Technology produkuje szereg bardzo interesujących układów scalonych znajdujących zastosowania w wielu nietypowych aplikacjach. W ofercie tej firmy jest m.in. układ LTC6992 (tzw. microPower PWM TimerBlox). Układ wytwarza napięcie PWM proporcjonalne do napięcia wejściowego mieszczącego się w zakresie od 0 do 1 V.

Po podaniu sygnału z wyjścia układu LTC6992 na wejście izolatora IL510 uzyskuje się izolowany sygnał PWM. Teraz wystarczy dołączyć prosty filtr RC, aby otrzymać izolowane napięcie stałe proporcjonalne do napięcia wejściowego (rys. 4). Izolowany sygnał PWM może być ponadto bezpośrednio odczytywany przez cyfrowe wejście przechwytujące mikrokontrolera w celu określania współczynnika wypełnienia sygnału PWM. Parametr ten będzie więc odpowiadał napięciu wejściowemu.

Częstotliwość przebiegu PWM generowanego przez układ LTC6992 jest ustalana za pomocą rezystora dołączanego do wejścia "Set". Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie prąd zasilania. Z danych katalogowych wynika, że przy częstotliwości 100 kHz prąd zasilania jest równy 115 mA. Prąd zasilania układu IL510 jest natomiast równy ok. 64 mA, co daje łączne zapotrzebowanie na prąd zasilania rzędu 179 mA.

Jak widać, oba połączone ze sobą układy można z powodzeniem zasilić z wysokoprądowego źródła PVU 8A100. Napięcie wyjściowe jest ustalane zewnętrznym 3-woltowym źródłem referencyjnym dołączanym równolegle do wyjścia układu PVI. Ze strony internetowej Linear Technology można pobrać arkusz Excela TimerBloxDesigner, ułatwiający dobranie parametrów dla uzyskania żądanej częstotliwości, współczynnika wypełnienia i napięcia wyjściowego.

Izolowane przetworniki analogowo-cyfrowe

Rys. 5. Izolowany przetwornik analogowo-cyfrowy

Na rynku dostępna jest szeroka gama mikromocowych przetworników analogowo-cyfrowych zarówno typu sigma-delta (tabela 1), jak i SAR (tabela 2). Mogą one być stosowane w aplikacjach, w których konieczna jest izolacja sygnałów wejściowych przetworników A/C. Typowy układ przedstawiono na rysunku 5. W przykładzie tym mikromocowy izolator cyfrowy ADuM1441 wykorzystano do izolacji interfejsu SPI. Za jego pośrednictwem mikrokontroler komunikuje się z przetwornikiem. Do zasilania przetwornika oraz izolatora cyfrowego zastosowano izolowane źródło PVI 8A100.

Należy zauważyć, że w większości przetworników A/C wysoki pobór mocy występuje jedynie w fazie przetwarzania. Zapotrzebowanie na moc wzrasta ponadto przy dużych szybkościach próbkowania. Spostrzeżenie to rzuca pewne światło na możliwość stosowania klasycznych przetworników A/C w aplikacjach mikromocowych. Wystarczy ograniczyć szybkość próbkowania lub zapewnić taki cykl pomiarowy, który składałby się z krótkiego czasu przetwarzania i długiej przerwy.

Ponadto źródło PVI może być ustawione tak, aby prąd spoczynkowy płynący w czasie uśpienia przetwornika był względnie mały i znacząco większy w czasie przetwarzania. Przykładowo, źródło PVI 8A100-2 jest w stanie dostarczyć prąd o natężeniu 1 mA przy zasilaniu napięciem 3,3 V i prądzie diod LED ponad 75 mA oraz przy 25-procentowym cyklu konwersji rozumianym jako stosunek czasu przetwarzania do czasu przetwarzania i uśpienia.

Tabela 1. Mikromocowe przetworniki A/C Delta-Sigma

Tabela 2. Mikromocowe przetworniki A/C SAR

Izolowane aktywne obciążenia prądowe

Rys. 6. Izolowane obciążenie aktywne

Omawiane wcześniej problemy dotyczyły izolacji wejść analogowych. Po-dobne rozumowanie można przeprowadzić również w odniesieniu do izolacji wyjść. Przykład izolowanego aktywnego obciążenia prądowego przedstawiono na rysunku 6. Do ustawiania żądanych parametrów najczęściej wykorzystywane są potencjometry. W tym przykładzie jest to potencjometr cyfrowy AD5290 sterowany za pośrednictwem izolowanego interfejsu SPI.

Większość potencjometrów cyfrowych można zakwalifikować do układów mikromocowych. AD5290 przy typowym poborze prądu 15 mA spełnia te kryteria. W przedstawionej na rysunku 6 aplikacji tranzystor FET jest sterowany ze wzmacniacza operacyjnego i w połączeniu z rezystorem 1 W pełni funkcję źródła prądowego. Prąd wyjściowy jest proporcjonalny do napięcia pobieranego z suwaka potencjometru. Dla zastosowanego rezystora 1 W i 3-woltowego źródła referencyjnego zasilającego potencjometr, w układzie uzyskuje się regulację prądu wyjściowego w zakresie od 0 do 3 A z 8-bitową rozdzielczością.

Ze względu na pływający typ wyjścia (open drain) obciążenie może być dołączane do działającego urządzenia, a dopuszczalne napięcie od strony wyjścia jest uzależnione tylko od parametrów tranzystora. We wszystkich realizacjach aktywnych obciążeń prądowych budowanych w oparciu o tranzystor FET pewnym problemem może być pojemnościowy charakter obciążenia wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Jeżeli pojemność ta będzie zbyt duża, istnieje niebezpieczeństwo przekroczenia marginesu fazy, co z kolei spowoduje utratę stabilności. Niezbędna jest więc kompensacja tej pojemności.

Wzmacniacz z izolacją analogową i o autonomicznym zasilaniu

Rys. 7. Samozasilający się izolowany wzmacniacz analogowy

Układ PVI 8A100-1 może być stosowany do budowy izolowanych kanałów z autonomicznym zasilaniem. Przykład takiego wzmacniacza przedstawiono na rysunku 7. Zauważmy, że jeżeli zostanie zagwarantowany warunek, aby napięcie mierzone było wyższe od spadku napięcia w przewodzącej diodzie LED, nie jest wymagany specjalny zasilacz izolowany. W rozwiązaniu takim wykorzystywana jest bardzo dobra liniowość zależności prądu diody LED i wyjściowego prądu zwarciowego PVI.

Ponadto, dzięki umieszczeniu dwóch kanałów PVI w jednej strukturze układu 8A100-1 zapewnione jest bardzo dobre sprzężenie termiczne, a w konsekwencji bardzo dobra stabilność czasowa i temperaturowa. Prąd płynący przez diody LED jest proporcjonalny do napięcia wejściowego. Jest on ustalany rezystorem szeregowym. W opisywanym przykładzie dobrano go tak, aby uzyskać pełny zakres prądu wyjściowego (1 mA). Źródło PVI powiązane z kanałem wejściowym jest połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego. Wejście to pełni funkcję sztucznej masy. Można więc mówić o zwarciu źródła PVI. W obwodzie wyjściowym popłynie prąd proporcjonalny do prądu wejściowego lub do zmian tego prądu.

Na skutek zastosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu operacyjnym, w wysokoprądowym obwodzie wejściowym z górną diodą LED, jest wymuszany taki przepływ prądu, który na wyjściu PVI będzie dążył do utrzymania wejścia odwracającego wzmacniacza na tym samym potencjale co wejście nieodwracające. Tym samym będzie wymuszany stan, w którym w obu sekcjach wyjściowych PVI będzie płynął jednakowy prąd.

Oba kanały optoizolatorów są produkowane w jednym cyklu technologicznym, mają więc bardzo podobne charakterystyki. Rezystor wyjściowy jest dobierany pod kątem zapewnienia dopasowania rezystancji wejściowej. W rezultacie prąd wymagany do utrzymania równowagi będzie dokładnie podążał za prądem wejściowym, a zatem napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego będzie odzwierciedleniem napięcia wejściowego. Dla zapewnienia odpowiedniego wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego konieczne jest spełnienie dwóch warunków:

• źródło PVI musi pracować w warunkach zwarcia,
• w opisywanej aplikacji może być zastosowany tylko wielokanałowe źródło PVI, zapewniające wymaganą zbieżność charakterystyk i sprzężenie termiczne.

Rys. 8. Wielokanałowe we/wy z izolacją

Transmitancja układu jest regulowana rezystorem wyjściowym. Jego rezystancja powinna być dobrana tak, aby w układzie nie występowały różnice wzmocnień obu kanałów PVI. Naturalną cechą opisywanego rozwiązania jest autokorekta off setów pojawiających się w układzie. Warunkiem jest tylko, aby napięcie wejściowe było większe od napięcia przewodzenia diod LED. Nie jest natomiast samoistnie kompensowany off set wejściowy wzmacniacza operacyjnego.

Dla zapewnienia stabilności w układzie jest realizowane rzadko spotykane sprzężenie wyprzedzające (feedforward). Wartości kompensacyjne są określane na drodze empirycznej w układzie końcowym. W tym celu wejście jest pobudzane falą prostokątną o parametrach odpowiadających pełnemu zakresowi i zapewniające odpowiednio tłumioną odpowiedź. W testowanym układzie osiągnięto bardzo dobrą zgodność przebiegu dla częstotliwości do 20 kHz, a zakres użytkowy określono na 55 kHz.

Przedstawione rozwiązanie układowe ze źródłami PVI charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami niż rozwiązania klasyczne z fototranzystorami. Wzmocnienie prądowe fototranzystorów może być z grubsza opisane kwadratową zależnością od prądu diody LED. Konsekwencją tego pasmo użytkowe układów klasycznych zmienia się w funkcji poziomu wejściowego, co prowadzi do zniekształceń nieliniowych i znacząco ogranicza pasmo dla dużych zmian sygnału.

Izolowane porty we/wy ogólnego przeznaczenia

Duża część stosowanych obecnie mikrokontrolerów spełnia kryteria układów mikromocowych. Należą do nich m.in.: rodzina mikrokontrolerów SAM-4L Atmela z rdzeniem ARM Cortex (100 mA/MHz), rodzina RL78 Renesasa (66 mA/MHz) i rodzina Silicon Labs Gecko. Porty tych układów mogą być łączone w kilka izolowanych bloków, jak to przedstawiono na rysunku 8.

W przykładzie tym dwa układy PVI pełnią funkcję czterech niezależnych, pływających źródeł zasilających. Każde z nich jest zdolne do zasilenia pary składającej się z mikrokontrolera i cyfrowego izolatora. Wyjścia niezależnych mikrokontrolerów są połączone w szynę SPI dołączoną do mikrokontrolera pracującego jako Master. W przykładzie pokazano wprawdzie tylko cztery izolowane kanały, ale koncepcja ta przy niskim nakładzie pracy może być rozszerzana niemal dowolnie.

Podsumowanie

Zasada działania większości urządzeń kontrolno-pomiarowych oparta jest na komunikacji z innymi urządzeniami, pobieraniu danych z czujników zewnętrznych, sterowaniu układami wykonawczymi itd. Względy bezpieczeństwa obowiązujące dla sporej grupy takich urządzeń (np. aparatura medyczna) narzucają konieczność stosowania izolacji galwanicznej. Rozwiązanie takie musi być stosowane nie tylko dla zapewnienia odporności na ewentualne przebicie, ale też musi gwarantować poprawną pracę nawet przy dużej różnicy potencjałów występującej między urządzeniami.

Jarosław Doliński