Jak zapewnić izolację galwaniczną dla zasilania i linii sygnałowych?
| TechnikaZapewnienie bezpieczeństwa użytkowania jest bardzo istotnym zagadnieniem w wielu urządzeniach zasilanych wysokimi napięciami, a więc o wartościach uznawanych za niebezpieczne dla człowieka, w tym w rozwiązaniach dla Przemysłu 4.0, automatyce i napędach silników. Zagadnienie to dotyczy ponadto elektrycznej motoryzacji, urządzeń medycznych, systemów pomiarowo-kontrolnych oraz zasilania energią odnawialną. Aby zapewnić użytkownikom takiego sprzętu ochronę przed porażeniem, wymagane jest zapewnienie izolacji.
Izolację można zrealizować na wiele sposobów, niemniej chodzi o to, aby mechanizm ten był kompaktowy, wytrzymały i ekonomiczny, a jednocześnie pozwalał na dwukierunkową transmisję sygnału i transfer energii zasilającej. Ponieważ mechanizm izolacyjny musi zapewniać bezpieczeństwo operatora i jednocześnie zapewniać niezawodne działanie aplikacji, elementy izolacyjne muszą spełniać stosowne normy, takie jak regulacje IEC 60747-5 i 60747-17.
Tradycyjne podejście do zapewnienia izolacji galwanicznej z wykorzystaniem transoptora lub transformatora oczywiście pozwala spełnić wymagania norm, ale wiąże się z wieloma ograniczeniami, np. związanymi z trudnością realizacji dwukierunkowej transmisji sygnału. W tym obszarze lepiej sprawdzają się technologie pojemnościowe i magnetyczne, które są wykorzystywane do zapewnienia separacji galwanicznej obwodów.
W tym artykule przedstawiono zagadnienia związane z izolacją galwaniczną, dokonano przeglądu norm IEC i przedstawiono analizę, w jaki sposób można zapewnić izolację galwaniczną przy użyciu zintegrowanych układów separatorów pojemnościowych i magnetycznych. Następnie przedstawiono przykładowe rozwiązania do izolacji galwanicznej firmy Texas Instruments i zaprezentowano dostępne płytki ewaluacyjne ułatwiające projektowanie.
Do czego jest niezbędna izolacja galwaniczna?
Izolacja galwaniczna zapobiega przepływowi prądu pomiędzy blokami funkcjonalnymi układów elektronicznych lub elektrycznych, ale jednocześnie pozwala na transmisję sygnałów analogowych i cyfrowych oraz przekazanie energii zasilającej (rys. 1). Taka funkcjonalność jest przydatna do:
- łączenia bloków funkcjonalnych znajdujących się na różnych potencjałach masy,
- przerywania pętli masy poprzez zatrzymanie przepływu prądu między blokami, które mają wspólną masę,
- ochrony użytkowników i operatorów przed porażeniem prądem.
Technologie izolacji
Istnieje kilka metod izolacji i jest kilka norm międzynarodowych regulujących ich użycie, jak IEC 60747-17 definiująca wymagania dla izolacji magnetycznej i pojemnościowej oraz IEC 60747-5-5 dla transoptorów (tabela 1).
- Izolacja funkcjonalna lub operacyjna zapewnia prawidłową pracę urządzenia, ale nie chroni użytkownika przed porażeniem. Takie rozwiązania nie są objęte przepisami dotyczącymi zapewnienia bezpieczeństwa.
- Izolacja podstawowa to najprostszy typ sprecyzowany w przepisach. Może być wystarczająca do ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym, ale w czasie awarii nadal istnieje możliwość porażenia.
- Izolacja dodatkowa ma dodatkową warstwę wzmacniającą wersję podstawową, która chroni przed porażeniem w przypadku awarii izolacji podstawowej.
- Podwójna izolacja nie jest odrębnym typem i odnosi się zarówno do izolacji podstawowej, jak i dodatkowej. Jednak większość norm i regulacji definiuje podwójną izolację jako specyficzny rodzaj ochrony.
- Wzmocniona izolacja to pojedyncza izolacja o właściwościach, które zapewniają ochronę równą izolacji podwójnej. Wymagania dotyczące jej odporności są bardziej rygorystyczne niż w przypadku wersji podstawowej lub dodatkowej.
Pomimo że transoptory są bardzo popularnym podzespołem do realizacji izolacji galwanicznej, nadają się jedynie do transmisji sygnału w jedną stronę i mają ograniczoną przepustowość. Można ją poprawić, dodając odpowiedni sterownik LED i wzmacniacz, ale skutkuje to wyższymi kosztami realizacji i większym poborem mocy. Wykorzystanie do tego celu zwykłego transformatora separacyjnego zapewnia wydajność niezbędną do transmisji energii i sygnału w dwie strony oraz dużą szybkość, ale transformatory w wersji dyskretnej są duże i kosztowne.
Wady te można pokonać, sięgając po zintegrowane rozwiązania izolatorów pojemnościowych i magnetycznych, które spełniają wymagania IEC. Wersje pojemnościowe zapewniają szybką dwukierunkową transmisję danych cyfrowych i sygnałów analogowych, ale mają niewielkie możliwości transmisji energii. Wersje magnetyczne także obsługują szybką transmisję dwukierunkową dla danych i umożliwiają przesyłanie większej mocy.
Właściwości izolacji
Trzy kluczowe parametry to napięcie izolacji, napięcie robocze i odporność na stany przejściowe w trybie wspólnym (CMTI). Napięcie izolacji określa maksymalny potencjał, przy którym izolator może chronić obwody przez krótki czas. Napięcie robocze to napięcie długotrwałe, przy którym izolator jest przeznaczony do użytku przez długi czas.
CMTI to maksymalna szybkość narastania napięcia między dwoma izolowanymi obwodami, które element ten wytrzymuje bez negatywnego wpływu na transmisję danych przez barierę izolacyjną. CMTI podaje się w kilowoltach na mikrosekundę (kV/μs) lub woltach na nanosekundę (V/ns). Szybko narastające napięcie między izolowanymi obwodami masy to miejsce, w którym energia wiążącego się z nim stanu nieustalonego przejściowa może uszkodzić barierę izolacyjną i zakłócić dane. Wysoki CMTI wskazuje na solidny element, który będzie chronił także w czasie wyładowań i przepięć. Mały CMTI może powodować zniekształcenia informacji i przerwy, wywoływać jitter i sprawdzić inne problemy z integralnością sygnału. CMTI o wartości 100 V/ns lub wyższej wskazuje na izolator o wysokiej jakości.
Poza parametrami elektrycznymi, izolatory muszą spełniać wymagania mechaniczne związane z wymaganymi odstępami izolacyjnymi po powierzchni (creepage) i dystansem między częściami przewodzącymi po obu stronach bariery (clearance).
Różne wersje obudowy zapewniają możliwość doboru elementu o pożądanych wartościach odstępów, z kolei tworzywa użyte do jej wykonania determinują m.in. wytrzymałość dielektryczną. Dla powszechnie stosowanych materiałów izolacyjnych wynosi ona:
- powietrze ≈ 1 VRMS/μm,
- żywice epoksydowe ≈ 20 VRMS/μm,
- tworzywa wzbogacone krzemionką ≈ 100 VRMS/μm,
- folia poliimidowa ≈ 300 VRMS/μm,
- dwutlenek krzemu (SiO2, kwarc) ≈ 500 VRMS/μm.
Technologie izolacyjne
Jeden kierunek transmisji wynika stąd, że transoptory wykorzystują diodę LED do przesyłania sygnałów analogowych lub cyfrowych przez przezroczysty dielektryk do fototranzystora. Typowe materiały izolacyjne stosowane w transoptorach obejmują powietrze, żywicę epoksydową lub uszlachetnione tworzywa. Ponieważ materiały te mają stosunkowo niską wytrzymałość dielektryczną, aby osiągnąć daną wytrzymałość izolacji, wymagana jest większa fizyczna odległość między diodą LED a fototranzystorem.
Izolacja pojemnościowa wykorzystuje barierę izolacyjną z dwutlenku krzemu. Ma on wysoką wytrzymałość dielektryczną i jest bardziej stabilny w porównaniu z większością epoksydów lub tworzyw termoplastycznych, gdy jest narażony na wilgoć w ekstremalnych temperaturach. Ten typ wykorzystuje różne techniki modulacji sygnału, takie jak kluczowanie on-off nośnej lub PSK. Izolator pojemnościowy może być mały i realizować dwukierunkową transmisję sygnałów o dużej szybkości, ale ma bardzo ograniczoną zdolność transportu mocy energii, zazwyczaj poniżej 100 μW.
Izolatory magnetyczne mogą przesyłać sygnały i energię przez barierę galwaniczną. Niektóre mogą przesyłać setki mW mocy i tym samym mogą działać jako pomocniczy zasilacz dostarczający napięcia polaryzacji po stronie wtórnej. Wykorzystują szczelinę powietrzną lub rdzeń ferrytowy. Powietrze może zapewnić tańsze i prostsze rozwiązanie, gdy wymagania co do transmisji mocy są mniejsze niż około 100 mW. Rysunek 2 ilustruje zasadę działania tych rozwiązań.
Zasilanie i komunikacja
Projektanci, którzy potrzebują przenieść przez barierę nawet 650 mW mocy i muszą obsłużyć komunikację w czterech izolowanych kanałach z szybkością 100 Mb/s, mogą zwrócić uwagę na układ ISOW7841FDWER firmy Texas Instruments. Zapewnia on wytrzymałość izolacji 5 kVRMS przy minimalnej wartość CMTI równej ±100 kV/μs. Wykorzystuje izolację z SiO2 na kanałach sygnałowych i cienkowarstwową folię w transformatorze do transmisji energii zasilania (rys. 3). Razem z układem producent dostarcza płytkę ewaluacyjną ISOW7841EVM, która zapewnia szybką możliwość przetestowania rozwiązania.
Izolatory dla motoryzacji
Do elektroniki motoryzacyjnej, gdy potrzeba separowanej mocy zasilania do 500 mW przy wytrzymałości 5 kVRMS, nadaje się certyfikowany na zgodność z AEC-Q100 układ UCC12051QDVERQ1 firmy Texas Instruments. Jego minimalny CMTI wynosi 100 V/ns, odporność na udary jest rzędu 10 kVpeak, a napięcie robocze wynosi 1,2 kVRMS. Dla obniżenia emisji zakłóceń wykorzystuje rozpraszanie widma wewnętrznego oscylatora. Zawiera obwód blokady podnapięciowej, ma wyłącznik termiczny, pin enable i pozwala na synchronizację częstotliwości nośnej. Część związana z transmisją mocy dostarcza napięcia 5,0 lub 3,3 V.
Płytka ewaluacyjna UCC12050EVM-022 ułatwi przetestowanie funkcji tego rozwiązania, w tym synchronizacji z zewnętrznym źródłem zegara i ustawienia napięcia wyjściowego. Są też punkty testowe ułatwiające realizację pomiarów charakterystyki przejściowej i poziomu tętnień (rys. 4).
Transceivery CAN z izolacją pojemnościową
Układy ISO1050DWR (5 kVRMS) oraz ISO1050DUB (2,5 kVRMS) firmy Texas Instruments przeznaczone są do izolacji sygnałów w transceiverze CAN (Controller Area Network). Zapewniają transfer 1 Mb/s przy CMTI 50 kV/μs i spełniają specyfikacje ISO 11898-2 (rys. 5). Są przeznaczone do pracy w temperaturach od –55 do 105ºC i z realizują ochronę nadnapięciową, termiczną, zwarciową i przerwaniem ciągłości masy w zakresie od –27 do 40 V, przy dopuszczalnym napięciu w trybie common-mode ±12 V.
Zestaw ewaluacyjny ISO1050EVM wyposażony w złącza i z wyprowadzonymi na punkty testowe kluczowymi sygnałami może przyspieszyć ewaluację izolatorów dla systemów elektroniki pojazdowej.
Izolowane transceivery RS-485/RS-422
Do aplikacji, gdzie niezbędny jest transceiver RS-485/RS-422 o przepustowości 500 kb/s z izolacją wytrzymującą 5 kVRMS, można wybrać półdupleksowy układ ISO1410BDWR lub wersję z pełnym dupleksem ISO1412BDWR (rys. 6). Bariera izolacyjna SiO2 zapewnia w tym przypadku niezawodne przesyłanie danych nawet w przypadku dużych różnic w potencjałach masy łączonych obwodów w zakresie temperatur od –40 do 125°C. Obwody wejściowe i wyjściowe mają dużą odporność na wyładowania elektrostatyczne (ESD) i serie impulsów, takie jak EFT, eliminując potrzebę stosowania dodatkowych elementów zabezpieczających.
Wypróbowanie możliwości obu układów dają płytki ewaluacyjne ISO1410DWEVM i ISO1412DWEVM. Umożliwiają łatwą ocenę wydajności, takie jak opóźnienie propagacji, zużycie energii oraz różne warunki pracy magistrali.
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
