Ograniczanie poziomu emisji elektromagnetycznej izolatorów cyfrowych
| TechnikaIzolatory cyfrowe to układy scalone zapewniające izolację galwaniczną obwodu. Mają wiele zalet - są łatwe w implementacji, mają niewielkie rozmiary, charakteryzują się również niskim zużyciem energii (szczególnie w porównaniu do optoizolatorów). Zastosowanie takiego rozwiązania wiąże się jednak ze wzrostem poziomu niepożądanej emisji elektromagnetycznej układu - warto zatem poznać metody minimalizacji tego negatywnego efektu.
Rys. 1. Układ wyprowadzeń przykładowego izolatora cyfrowego dla linii zasilania oraz danych
Izolacja galwaniczna pomiędzy dwoma punktami obwodu nie pozwala na bezpośredni przepływ prądu elektrycznego pomiędzy nimi, przy czym wciąż możliwy jest transport energii oraz informacji, np. za pomocą sprzężenia pojemnościowego, indukcyjnego lub optycznego. Tego typu izolację powszechnie stosuje się w wielu typach urządzeń, np. w celu ochrony ludzi oraz układów przed wysokim napięciem, zwiększenia odporności na zakłócenia oraz podziału płaszczyzny masy.
Zazwyczaj konieczne jest jednoczesne zapewnienie izolacji galwanicznej zarówno dla linii zasilania, jak i danych. Izolatory cyfrowe często oferują taką możliwość, co pozwala zaoszczędzić sporo miejsca na płytce drukowanej. Uproszczony schemat blokowy oraz konfigurację wyprowadzeń przykładowego układu tego typu pokazano na rysunku 1.
Wyróżnia się dwa typy izolatorów cyfrowych, ze względu na sposób konstrukcji bariery izolacyjnej - oparte na transformatorach lub na kondensatorach. Izolatory magnetyczne (oparte na transformatorach) są powszechniejsze, zatem to one będą przedmiotem dalszych rozważań.
Transformatory wykorzystywane w tych układach są bardzo małe, składają się niewielkiej liczby zwojów (w celu obniżenia rezystancji uzwojenia) i często pozbawione są rdzenia magnetycznego. Z tego powodu konwerter DC/DC zasilający uzwojenie pierwotne transformatora musi pracować z wysoką częstotliwością, rzędu przynajmniej dziesiątek MHz. Dodatkowo pomiędzy uzwojeniami transformatora istnieje znacznej wartości pojemność pasożytnicza, ponieważ oba uzwojenia znajdują się w niewielkiej odległości od siebie.
Sygnał o wysokiej częstotliwości przełączania ulega sprzężeniu przez pojemność pasożytniczą, co powoduje przepływ prądu pomiędzy izolowanymi galwanicznie obszarami układu (rys. 2).
Rys. 2. Pomiędzy izolowanymi obszarami układu może powstać pętla prądowa
Izolacja uniemożliwia bezpośredni przepływ prądów powrotnych, powstaje zatem duża pętla prądowa wykorzystująca pojemności pasożytnicze płytki drukowanej. Finalnie znaczna część energii elektrycznej zostaje wypromieniowana do otoczenia w postaci fali elektromagnetycznej, co skutkuje wzrostem poziomu emisji całego urządzenia.
W przypadku rozwiązań opartych na elementach dyskretnych poziom emisji jest niższy, ponieważ z powodu korzystania z transformatorów o większych rozmiarach (z magnetycznym rdzeniem oraz wyższą wartością indukcyjności) możliwe jest zastosowanie niższej częstotliwości przełączania.
W dalszej części przedstawione zostaną wybrane metody pozwalające obniżyć poziom emisji elektromagnetycznej podczas korzystania z izolatorów cyfrowych.
