Galvanické oddělení pomocí optočlenů již po mnoho let automaticky nacházíme v nejednom zapojení. Výjimkou nejsou ani precizní aplikace, u kterých se logicky neubráníme dojmu, že se nepochybně musí jednat o nejslabší článek již tak choulostivého signálového řetězce. Jeho parametry totiž se železnou pravidelností ovlivňuje nejen čas, teplota, amplituda nebo kmitočet, ale třeba jen další kus ze stejné série. Postupy zažité mnohaletou praxí se nepřehodnocují ze dne na den a už vůbec ne bezbolestně, ale považte: vytvoříme-li galvanickou bariéru „nulám a jedničkám“, dopustíme se přece nesrovnatelně menší chyby než v případě oddělení výchozího analogového signálu.
Technologie iCouplerů (video), která se již po mnoho let pojí se společností Analog Devices, proto v naprostém protikladu k optočlenům (optocouplerům) využije spíše vysokorychlostní struktury CMOS ve spojení s mikroskopickými transformátory, které budou integrovány přímo na čipu. Může tak nenásilně zpřístupnit cestu směrem k preciznějším, lineárnějším a zejména teplotně, časově a frekvenčně stabilnějším řešením s nepoměrně vyšším rozlišením.
Jestliže nás s optočleny pojilo neúměrné navyšování počtu součástek, vysoké nároky na přesnost a stabilitu okolních RC členů v případě přesných aplikací, větší rozměry plošného spoje, vyšší konstrukční náklady, zdlouhavější vývoj způsobený analýzou a ošetřením všech nestabilit, nižší spolehlivost a třeba též nutnost případné rekalibrace po výměně aktivního prvku, iCoupler půjde přesně opačnou cestou. Může totiž, obecně vzato, dále nabídnout menší tolerance mezi jednotlivými kanály a rovněž celými součástkami navzájem, výrazně vyšší datovou propustnost (Mbps), menší průchozí zpoždění, znatelně nižší zkreslení šířky pulsu, větší rozsah pracovních teplot, minimální výkonovou ztrátu s možností napájení třeba ze zeleniny a z dlouhodobého hlediska též výbornou stabilitu v celém teplotním a také napájecím rozsahu.
Obr. 1: Přehledový dokument Digital Isolator Product Selection and Resource Guide v aktuální verzi ke stažení
Jinými slovy, oprostíme-li se od technologie LED, můžeme konečně začít kalkulovat se stejnou spolehlivostí jakou vykazují standardní obvody CMOS, splníme požadavky celé řady norem a ještě přitom využijeme galvanického oddělení, třeba celých 5 kV (RMS). A aby toho nebylo málo, vedle nejrůznějších kombinací a směrů vstupních a výstupních signálů, včetně možnosti jejich úrovňové konverze – např. mezi 3,3 a 5voltovou logikou –, nemusíme s iCouplery oddělovat jen signály. Vestavěné cívky totiž tvoří jakýsi transformátor v izolovaném DC/DC měniči nízkého výkonu a všechno se navíc společně schovalo do malého pouzdra s pájitelnými vývody. Některé iCouplery v sobě dokonce DC/DC měnič integrují rovnou.
Co je stejně
S myšlenkou galvanického oddělení číslicových signálů pomocí iCouplerů jsme si na HW serveru, plni nadšení, „pohrávali“ již v roce 2008 (viz např. článek Blýská se optočlenům na horší časy?) a k podrobnějšímu seznámení tehdy zvolili řadu čtyřnásobných integrovaných obvodů ADuM3440, ADuM3441 a ADuM3442 (v nabídce výrobce stále k dispozici, podrobnější popis v článku Já, iCoupler), vynikajících zejména svou přenosovou rychlostí od stejnosměrných úrovní až po 150 Mbps. A technologie nás opravdu nezklamala, stejně jako Siemens Aerospace, který ji kupříkladu využívá ve svých náročných satelitních systémech a jejich ochranách (PowerSCOE). Viz také Customer Case Studies – Digital Isolators.
Obr. 2: Jedna z metod pro přenos dat spočívá v přiřazení jednoho nebo též dvou pulzů odpovídající hraně signálu
Stejně jako před šesti lety, ani nyní ale nechceme jen tak od stolu snižovat význam optočlenů v jednoduchých nebo též složitějších konstrukcích, ve kterých uživatel nepožaduje precizní přístup nebo kde ujíždění parametrů s kdejakou fyzikální veličinou či dalším kusem ze stejné výrobní série z principu ještě nic neznamená. Nezobecňujeme. Taková zapojení mohou zůstat s uspokojivým výsledkem, někdy navíc za zlomkovou cenu, v analogové rovině, bez potřeby cokoli dále digitalizovat – dost jsme si toho užili po zavedení tzv. analogové tmy, že?! V opačném případě ale zmíněná technologie představuje silného hráče, který v číslicových systémech, případně za cenu dodatečného A/D převodu, může na menší ploše desky spojů nabídnout stabilní parametry, kterých budeme s optočleny dosahovat velmi obtížně, případně se k nim nepřiblížíme vůbec. Platilo to tehdy a podle všeho se to hned tak nezmění. Doba však pokročila...
Co je jinak
Technologie galvanického oddělení s nepatrnými transformátory na čipu (na HW serveru viz také článek SPICE model transformátoru) není nápadem, který by zazářil a už jen tiše vyhasínal, právě naopak. Jestli nové obvody rostou jako „houby po dešti“, musí už jejich kanály tvořit docela slušné „podhoubí“. Před necelým rokem, v září 2013, si je výrobce po více než deseti letech praktických zkušeností sám pochválil, když třeba komentoval dodání celé jedné miliardy oddělených kanálů (celá zpráva v angl.). Tento údaj sice nemůžeme zaměnit s počtem samotných obvodů, ale i tak o lecčems vypovídá. Kompletní aktuální nabídku pak na stránkách Analog Devices hledejme v části Interface & Isolation – Digital Isolators.
Obr. 3: Jeden z bezmála tří desítek vzorových příkladů využití technologie aneb CN0218: 500 V Common-Mode Voltage Current Monitor
Počet původních kanálů jednoho obvodu se z dřívějšího maxima čtyři rozrostl na celou šestici, tj. konfigurace 3-3, 4-2, 5-1 nebo 6-0, nalezneme zde skupinu isoPower s vestavěnými DC/DC měniči (oddělená data a také napájení v jediném pouzdře), podporu rozhraní USB 2.0, I2C, CAN, RS-485 nebo RS-232, skupinu Linear Isolators (izolované zesilovače odchylky, viz také článek ADuM3190/4190: pro tuning zdroje napájení), budiče hradla Gate Drivers (iCoupler a buzení výkonových FETů), speciální A/D převodníky (popis zapojení s jedním z nich, obvodem AD7400A, naleznete na HW.cz v článku Galvanické oddělení? Což takhle sigma-delta modulátor, napájení zde mimo jiné zajišťoval další z rodiny obvodů s technologií iCoupler, izolovaný DC/DC měnič ADuM5000) a, v neposlední řadě, nově též tzv. SPIsolatory – viz níže.
Obr. 4: Schéma zapojení se z předchozího obrázku dostalo až na vývojovou desku
Argumenty známe, ale ještě jsme nikde nečerpali inspiraci. Naštěstí však pro ni nemusíme chodit daleko. O pozitivním přínosu prověřených referenčních návrhů, tzv. Circuit Note (Circuits from the Lab® Reference Designs), jsme na stránkách HW serveru psali nedávno zde a pro skupinu digitálních izolátorů se tam v současné době nachází celkem 26 doporučených řešení, která si můžeme přehledně zobrazit prostřednictvím tohoto odkazu. Záběr je široký – od rozhraní LVDS až po plně izolovaný, monitorovací a ochranný systém pro nabíjecí články typu Li-Ion –, stačí si jen vybrat.
Přísnější pravidla, vtipnější videa
Obvody vystavěné na technologii iCoupler sice dodržují velmi přísná pravidla chování, což ovšem neznamená, že by je měli v Analog Devices prezentovat s kamennou tváří a ve stejnokroji. Senior Applications Engineer Mark Cantrell by mohl vyprávět. V listopadu minulého roku dostal třeba za úkol představit světu číslicové izolátory ADuM144x (Micropower Quad-Channel Digital Isolators), jejichž klidový odběr se v případě jednoho kanálu a 2,5 V pohyboval pod 5 μA a při 2 Mbps pak do 380 μA na kanál. Ale to není všechno: v rámci úsporného režimu se mohly dokonce dostat na 0,1 μA na kanál, což v případě celého obvodu, ale s určitým omezením, v úhrnu znamená 1 μW! Jak vše nakonec dopadlo jste si na HW.cz mohli přečíst a zhlédnout v článku Izolátory ADuM144x jsou kompatibilní s bramborou. Vybitou baterii hážeme do úst.
Obr. 5: Podporované rozhraní nesou SPIsolatory přímo ve svém názvu
S jídlem roste i chuť. To už však máme v kalendáři letošní červen a představení nové rodiny izolačních prvků s optimalizací pro zařízení využívající rozhraní SPI, ADuM315x, označovaných též jako SPIsolator. Kompletní návrh oddělení, které bude mimo jiné pracovat s taktem až 40 MHz, razí cestu maximální jednoduchosti, což dokládá počtem součástek, který se pro případ optočlenů snížil z původních 32 pouze na tři, a dalším videem, ve kterém se bude navážet do všeho a do všech, kdo ještě s optickou vazbou neztratili trpělivost.
Závěr:
Svět není jenom digitální, ale i ta analogová elektronika se bude muset tu a tam „sklonit“, sklopit charakteristiku a přiznat, že už s věkem na vše nestačí. A tak, jako jsme si zvykli provozovat v našich zapojeních A/D převodníky, přivykneme snad i změně myšlení, kdy se nebudeme bát galvanicky oddělovat teprve nuly a jedničky. Funguje to překvapivě dobře, ale nezapomínejme, že naše nadšení nemusí pokaždé sdílet i přímí nadřízení. To už je však docela jiná kapitola...
Download a odkazy:
- Domovská stránka Analog Devices: www.analog.com
- Analogové systémy na HW serveru: http://www.hw.cz/analogove-systemy
Komentáře
Srovnání s kapacitním oddělením?
Docela by mě zajímalo srovnání iCouplerů s galvanickými oddělovači na kapacitním principu od Texas Instruments. Jsou také rychlejší a vydrží více...