Izolator cyfrowy - budowa i zasada działania

Przez dekady dominującym sposobem na zapewnienie izolacji galwanicznej było wykorzystanie optoizolatorów. Wprowadzenie na rynek izolatorów cyfrowych zmieniło tę sytuację – są one atrakcyjne ze względu na swoje rozmiary, małe zużycie energii elektrycznej oraz niski koszt.

Istnieje kilka podstawowych powodów stosowania izolacji galwanicznej w obwodzie. Do najpowszechniejszych zaliczyć można względy bezpieczeństwa (zarówno bezpieczeństwa użytkownika, jak i poszczególnych komponentów obwodu) oraz redukcję zakłóceń. Izolacja galwaniczna dwóch obszarów układu powoduje, że nie istnieje przepływ prądu elektrycznego pomiędzy nimi, aczkolwiek wciąż możliwy jest transfer energii oraz informacji. Układy zapewniające separację galwaniczną (izolatory) wprowadzają pewne ograniczenia do pracy układu – zwiększają zużycie energii elektrycznej oraz opóźnienie przesyłania informacji (sygnału).

Typowy optoizolator jest w stanie przesyłać dane z szybkością nie większą niż 1 Mbit/s, zużywając przy tym co najmniej 100 mW. Na rynku dostępne są modele o wyższej szybkości transmisji oraz mające bardziej energooszczędne charakterystyki, cechują się one jednak znacząco wyższą ceną.

Izolatory cyfrowe wprowadzono na rynek kilkanaście lat temu jako atrakcyjną alternatywę dla układów optycznych. Aby zrozumieć parametry pracy izolatora cyfrowego, konieczne jest zapoznanie się z jego budową. Najważniejsze elementy i aspekty mające wpływ na pracę izolatora to rodzaj materiału, z jakiego wykonano barierę izolacyjną, struktura tej bariery oraz sposób przesyłu danych.

Materiał budujący barierę izolacyjną istotnie wpływa na właściwości izolacyjne elementu, takie jak np. maksymalne napięcie pracy. Struktura bariery izolacyjnej oraz sposób transferu danych w dużej mierze określają maksymalną szybkość transmisji oraz zużycie energii elektrycznej.

 

Rys. 1. Izolatory indukcyjne (lewo) oraz pojemnościowe (prawo) różnią się istotnie pod względem budowy oraz charakterystyk pracy

Rodzaj materiału izolującego

Izolatory cyfrowe wykonywane są w technologii CMOS, zatem konstruowane są przede wszystkim z materiałów dostępnych do wykorzystania w podstawowym procesie produkcyjnym współczesnej elektroniki. Możliwe jest korzystanie z bardziej egzotycznych substancji, niebędących częścią standardowego procesu technologicznego, znacząco zwiększa to jednak koszt, czas oraz stopień skomplikowania produkcji.

Do izolatorów powszechnie wykorzystywanych w produkcji układów CMOS zaliczyć można przede wszystkim polimery, w szczególności poliimidy (polyimide, PI) oraz tlenek krzemu (SiO₂). Materiały te charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami izolacyjnymi oraz obecne są w przemyśle półprzewodnikowym od dłuższego czasu. Polimery często wykorzystywano też w optoizolatorach, dzięki czemu ich charakterystyki są dobrze znane oraz szczegółowo sprawdzone.

Normy bezpieczeństwa określają zazwyczaj minimalne wymagania odnośnie do wytrzymałości na impuls napięciowy oraz napięcie znamionowe. Wytrzymałość na impuls napięciowy oznacza, że układ musi być w stanie poprawnie pracować z napięciem o określonej wysokości przez określony czas – typowo jest to 2,5 kV lub 5 kV napięcia skutecznego przez nie krócej niż minutę. Niekiedy, w przypadku konieczności stosowania podwyższonych wymagań bezpieczeństwa, określa się również wytrzymałość na dużo krótsze impulsy, jak np. 10 kV napięcia szczytowego przez co najmniej 50 μs.

Typowe właściwości poszczególnych rodzajów izolatorów przedstawiono w tabeli 1. Izolatory cyfrowe oparte na poliimidach nie różnią się zasadniczo pod względem jakości izolacji od układów optycznych, charakteryzując się przy tym zwiększoną żywotnością. Układy oparte na tlenku krzemu mają nieco gorsze właściwości izolacyjne, co często uniemożliwia ich wykorzystanie w systemach medycznych oraz infrastrukturze krytycznej. W przypadku poliimidów możliwe jest również formowanie bariery izolacyjnej o większej grubości – typowo od 14 do 26 μm. Dla tlenku krzemu, ze względu na pewne ograniczenia procesu produkcyjnego, w zasadzie niemożliwe jest uzyskanie bariery o grubości większej niż 15 μm. Grubsze warstwy tlenku krzemu mogą na etapie produkcji pękać albo ulec delaminacji podczas użytkowania.

Struktura bariery izolacyjnej

Istnieją dwa typy izolatorów cyfrowych, zależnie od sposobu przesyłu danych poprzez barierę izolacyjną – układy oparte na transformatorach lub na kondensatorach. Izolatory indukcyjne charakteryzują się bardzo dobrą wartością współczynnika CMTI (Common Mode Transient Immunity), rzędu 100 kV/μs. Dla porównania, transoptory osiągają zazwyczaj wartości około 15 kV/μs. Współczynnik ten charakteryzuje odporność układu na szybkie zmiany różnicy potencjałów pomiędzy jego masami, które mogą powodować błędy transmisji.

Sprzężenie magnetyczne jest ponadto słabiej zależne od odległości pomiędzy dwoma obwodami niż w przypadku sprzężenia pojemnościowego. Pozwala to na umieszczanie w układzie szerszej warstwy bariery izolacyjnej, poprawiając charakterystyki izolacyjne komponentu.

Główną zaletą izolatorów pojemnościowych jest zdolność do pracy z sygnałami o wyższej częstotliwości. Układy oparte na kondensatorze charakteryzują się niższym natężeniem prądu płynącym w obwodzie, co ma znaczenie w przypadku przesyłu danych z prędkością powyżej 25 Mbit/s.

Metody transmisji danych

Transoptory do transmisji danych pomiędzy dwoma izolowanymi obwodami wykorzystują strumień światła modulowany impulsowo. Zazwyczaj w celu przesłania informacji o stanie wysokim dioda LED emituje światło, zaś w przypadku stanu niskiego jest wyłączona. Powoduje to duże zużycie energii elektrycznej – dioda LED emituje światło przez cały czas trwania sygnału wysokiego. Większość transoptorów nie ma wbudowanych obwodów kształtowania sygnału na wejściu oraz wyjściu – zadanie to pozostawia się zazwyczaj projektantom systemu, co niekiedy może być kłopotliwe.

Izolatory cyfrowe korzystają zazwyczaj z bardziej zaawansowanych sposobów kodowania oraz dekodowania sygnału, co pozwala na przesyłanie informacji z większą prędkością, a także na obsługę dwukierunkowych protokołów komunikacyjnych, takich jak USB oraz I2C.

Jedną z podstawowych metod kodowania jest oznaczanie zboczy narastającego oraz opadającego za pomocą określonej liczby impulsów – zazwyczaj dwa impulsy dla jednego rodzaju zbocza oraz jeden impuls dla drugiego rodzaju (rys. 2). Rozwiązanie takie pozwala nawet kilkudziesięciokrotnie obniżyć zużycie energii elektrycznej w porównaniu do transmisji z wykorzystaniem transoptorów.

 

Rys. 2. Przykładowy sposób transmisji danych poprzez barierę izolacyjną

Niekiedy, szczególnie w przypadku izolatorów indukcyjnych, stosuje się kodowanie różnicowe, co pozwala na skuteczne tłumienie składowej wspólnej sygnału.

Podsumowanie

Izolatory cyfrowe mają szereg zalet w porównaniu do układów optycznych – charakteryzują się mniejszym rozmiarem, niższym zużyciem energii oraz wyższą częstotliwością pracy. Wśród dostępnych w ofercie rynkowej modeli izolatorów cyfrowych znaleźć można układy wykonane z różnych materiałów izolacyjnych, odmienne pod względem budowy oraz sposobu transmisji danych. Przekłada się to na istotne różnice w parametrach pracy, to zaś ma duże znaczenie podczas wyboru komponentu najlepiej nadającego się do wykorzystania w projektowanym systemie.

Damian Tomaszewski