Izolační mechanismus musí být kompaktní, účinný a nákladově efektivní a zároveň musí umožňovat obousměrný přenos signálu i energie. Musí se zajistit bezpečnost operátora před vysokým napětím a spolehlivý provoz systému. Zařízení musí splňovat normy IEC 60747-5 a IEC 60747-17. Standardní přístup ke galvanickému oddělení, které využívá optočleny nebo transformátory sice splňují normy IEC, ale v některých aplikacích mají určité limity. Aby bylo možné splnit požadavky na ochranu zařízení i uživatele a zároveň zajistit obousměrný přenos signálu, je lepší využít galvanického oddělení pomocí kapacitní a magnetické technologie.

Tento článek stručně představí co je galvanické oddělení a jak ho realizovat pomocí integrovaných kapacitních a magnetických technologií. Představíme si příklady galvanického oddělení od Texas Instruments ve formě univerzálních izolátorů, které kombinují kapacitní a magnetické technologie. 

Co je úkolem galvanického oddělení

Galvanické oddělení zabraňuje toku proudu mezi jednotlivými sektory elektrického systému, ale umožňuje přenos analogových a digitálních signálů, ale i napájení mezi těmito sektory (obrázek 1). Galvanické oddělení je užitečné pro:

• Připojení funkčních částí, které mají různé zemní potenciály
• Přerušení zemních smyček zastavením toku proudu mezi funkčními sektory, které sdílí jednu zemní rovinu
• Ochrana obsluhy před nebezpečím úrazu elektrickým proudem z vysokonapěťových sektorů

Obrázek 1: Galvanické oddělení umožňuje tok dat nebo energie, ale zastavuje zemní proudy mezi izolovanými sektory. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Typy izolace

Na výběr je několik typů izolace a mezinárodní normy definují jejich použití. IEC 60747-17 se věnuje magnetické a kapacitní izolaci a IEC 60747-5-5 se věnuje optočleny (tabulka 1).

• Funkční nebo provozní izolace zajišťuje správnou funkci systému, ale nechrání uživatele před vysokým napětím. Nevztahuje se na něj bezpečnostní předpisy.
• Základní izolace je nejjednodušší forma izolace, která je součástí bezpečnostních předpisů. Chrání uživatele před úrazem elektrickým proudem, ale pokud selže, uživatelé mohou být stále vystaveni vysokému napětí.
• Doplňková izolace přidává vrstvu nad základní izolaci. Chrání uživatele před vysokým napětím, pokud selže základní izolace.
• Dvojitá izolace není samostatným typem izolace. Jedná se o kombinaci základní i doplňkové izolace. Většina norem a bezpečnostních dokumentů však uvádí dvojitou izolaci jako typ izolace.
• Zesílená izolace poskytuje ochranu stejnou jako dvojitá izolace. Požadavky na provedení a testování pro zesílenou izolaci jsou přísnější než pro základní nebo doplňkovou.

Tabulka 1: Zkušební a provozní požadavky na zesílenou izolaci jsou náročnější než na základní izolaci. (Zdroj tabulky: Texas Instruments)

Optočleny jsou běžně používány pro galvanické oddělení pouze signálových cest. Nejsou moc efektivní, mají omezenou šířku pásma a jsou schopny odesílat data pouze jedním směrem. Šířku pásma optočlenu lze zlepšit přidáním řídicích obvodů LED a zesilovačů, ale tím se zvýší náklady a spotřeba energie. Transformátory se používají k magnetickému oddělení a poskytuje účinné řešení pro silové a vysokorychlostní signálové cesty. Diskrétní řešení transformátorů je ale velké a nákladné.

Aby bylo možné spolehlivě a efektivněji splnit požadavky na galvanické oddělení, lze využít integrovaná kapacitní a magnetická řešení, která splňují normy IEC. Kapacitní izolátory umožňují přenos analogového signálu a vysokorychlostní obousměrný přenos dat s omezenou schopností přenosu energie. Integrované magnetické oddělení umožňuje obousměrný přenos vysokorychlostních dat a přenos signálů s vyšším výkonem.

Jaké parametry definují kvalitu oddělení

Izolační napětí, pracovní napětí a přechodová imunita v běžném režimu (CMTI) jsou tři klíčové vlastnosti izolátorů. Izolační napětí udává maximální napětí, při kterém může izolátor krátkodobě chránit před nebezpečným napětím. Pracovní napětí je dlouhodobé napětí, pro které je izolátor navržen. Přechodová imunita CMTI je maximální rychlost přeběhu (frekvence) přechodových jevů na společném napětí mezi dvěma izolovanými obvody, aniž by došlo k nepříznivému vlivu na přenos dat přes izolační bariéru. CMTI se udává v kilovoltech za mikrosekundu (kV/μs) nebo voltech za nanosekundu (V/ns). Kapacita mezi izolovanými zemními plochami je cesta, kde přechodná energie může překročit bariéru a poškodit data nebo tvar signálu.

Vysoká hodnota CMTI znamená systém, který je robustní, a kde obě strany fungují v rámci specifikací, i když jsou vystaveny rychlým přechodným jevům. Nízká hodnota CMTI může způsobit zkreslení, chybějící informaci, jitter a další problémy s integritou signálu. CMTI o hodnotě 100 V/ns a vyšší znamená velmi kvalitní oddělení (izolaci).

Kromě elektrických vlastností musí oddělovací obvody splňovat i mechanické vlastnosti týkající tzv. clearance and creepage vzdálenosti. Clearance je vzdušná vzdálenost mezi sousedními vývody, zatímco creepage je vzdálenost mezi sousedními vývody po povrchu. Různé styly a velikosti pouzder poskytují různé clearance a creepage vzdálenosti mezi vývody. Výplňové izolační materiály s určitou dielektrickou pevností také určují stupeň izolace.

Dielektrické pevnosti běžně používaných materiálů jsou:

• Vzduch ≈ 1 V_RMS/μm
• Epoxidy ≈ 20 V_RMS/μm
• Hmoty plněné křemíkem ≈ 100 V_RMS/μm
• Polyimidový polymer ≈ 300 V_RMS/μm
• Oxid křemičitý (SiO2) ≈ 500 V_RMS /μm

Druhy galvanického oddělení

Optočleny používají LED diody k přenosu analogových nebo digitálních signálů přes dielektrický izolátor do fototranzistoru. Jak již bylo zmíněno, jedná se o jednosměrnou cestu. Mezi běžné izolační materiály používané v optočlenech patří vzduch, epoxid nebo různé směsi. Protože tyto materiály mají relativně nízkou dielektrickou pevnost, je pro dosažení dané úrovně izolace zapotřebí větší fyzická vzdálenost mezi LED a fototranzistorem.

Kapacitní oddělení využívá izolační bariéru SiO2. SiO2 má vysokou dielektrickou pevnost a je stabilnější, když je vystaven vysoké vlhkosti a extrémním teplotám, ve srovnání s většinou epoxidových a jiných směsí. Kapacitní oddělení využívá různé modulační techniky ( on-off keying nebo phase-shift keying ) pro přenos střídavých signálů přes izolační bariéru. Kapacitní oddělení může být kompaktní a může přenášet vysokorychlostní signály obousměrně, ale má velmi omezenou schopnost přenosu výkonu, obvykle jen do 100 μW.

Magnetické oddělení mohou přenášet signály i energii přes izolační bariéru. Některé z těchto izolátorů mohou přenášet i stovky mW energie a mohou i nahradit napájecí zdroj na sekundární straně. Magnetické oddělení používají vzduchové nebo feritové jádro. Feritová jádra zvládnou větší výkon. Vzduchové jádro se používá pro energie do 100 mW. Každá technologie je vhodná pro různou kombinaci rychlosti přenosu signálu a velikosti výkonu (obrázek 2).

Obrázek 2: Optočleny (A) mohou přenášet pouze signály, kapacitní izolátory (B) mohou přenášet omezené množství energie i signály a magnetické izolátory (C) zvládnou vyšší úrovně výkonu i signály. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Galvanické oddělení napájení i signálu

Pokud je potřeba přenést energii o velikosti až 650 mW a čtyři signály s rychlostí 100 Mbps lze použít galvanické oddělení ISOW7841FDWER od Texas Instruments. Toto galvanické oddělení nabízí izolační napětí 5 kV_RMS a CMTI je ±100 kV/µs. Jako izolační materiál používá SiO2 pro signální cesty a pro oddělení napájení je použit tenkovrstvý polymer (obrázek 3). K dispozici je vývojová deska ISOW7841EVM, díky níž lze zjistit všechny elektrické parametry daného izolátoru.

Obrázek 3: ISOW7841FDWER používá polymerovou izolaci ve výkonovém transformátoru (nahoře) a izolační kondenzátory SiO2 v signálové cestě (dole). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

DC/DC oddělení pro automobilový průmysl

Pro automobilové systémy, které potřebují přenést energii 500 mW s izolací 5 kV_RMS, lze použít UCC12051QDVERQ1 od Texas Instruments. Vyznačuje se minimálním CMTI 100 V/ns a odolností vůči rázové vlně (surge) 10 kV_PEAK, pracovním napětím 1,2 kV_RMS a certifikací dle AEC-Q100.

Využívá modulaci rozprostřeného spektra pro vnitřní oscilátor a jeho vnitřní uspořádání minimalizuje vyzařované emise. Obsahuje podpěťovou ochranu, tepelnou ochranu, aktivační pin, synchronizační funkci a jeho výstupní napětí je 5,0 nebo 3,3 V. K dispozici je vývojová deska UCC12050EVM-022, která umožňuje vývojářům seznámit se s funkcí aktivace/deaktivace, synchronizací s externím zdrojem hodin, detekcí poruch externích hodin a volbou výstupního napětí. Na desce jsou testovací body pro měření zvlnění a přechodové odezvy. Deska slouží jako příklad správného rozložení komponent, aby byla splněna jmenovitá izolace a elektromagnetické rušení EMI bylo minimální (obrázek 4).

Obrázek 4: Kromě ověření rychlosti izolovaného integrovaného obvodu DC/DC převodníku UCC12051QDVERQ1 slouží vývojová deska UCC12050EVM-022 jako příklad správného rozložení komponent na desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

CAN transceivery s kapacitní izolací

Pro aplikace, které potřebují CAN transceiver s datovou rychlostí 1 Mbps a CMTI 50 kV/μs je vhodné použít ISO1050DWR od Texas Instruments s izolačním napětím 5 kV_RMS nebo ISO1050DUB s izolační napětím 2,5 kV_RMS. Tyto CAN transceivery vyhovují standardu ISO 11898-2 pro vysokorychlostní provoz CAN (obrázek 5). Jsou určeny pro provoz od -55 do 105 °C a obsahují ochranné obvody proti přepětí, překřížení vodičů a tepelnou ochranu a rozsah -12 až +12 V v režimu common mode.

Obrázek 5: Izolované transceivery ISO1050DWR a ISO1050DUB splňují standard ISO 11898-2 pro vysokorychlostní provoz sběrnice CAN. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

K dispozici je vývojová deska ISO1050EVM s testovacími body pro měření výkonu. Tato deska pomáhá urychlit integraci CAN transceiverů do automobilových systémů.

Izolované RS-485/RS-422 transceivery

Poloduplexní RS-485/RS-422 Transceiver ISO1410BDWR od Texas Instruments je určen pro datovou rychlost 500 kbps. Jeho izolační napětí je 5 kV_RMS. K dispozici je také plně duplexního transceiver ISO1412BDWR (obrázek 6). Izolační bariéra SiO2 zaručuje robustní přenos dat i v přítomnosti velkých rozdílů zemního potenciálu. Tyto transceivery jsou dimenzovány pro provoz od -40 do 125 °C. Piny sběrnice jsou navrženy tak, aby vydržely vysoké úrovně elektrostatického výboje (ESD) a rychlých elektrických přechodových jevů (EFT). Díky tomu není potřeba připojit další externí ochranné komponenty.

Obrázek 6: Plně duplexní ISO1412BDWR (nahoře) a poloduplexní ISO1410BDWR (dole) umožňují datovou rychlost 500 kbps a nabízí izolační napětí 5 kV_RMS (svislá přerušovaná čára). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

K dispozici jsou vývojové desky ISO1410DWEVM a ISO1412DWEVM, díky kterým lze plně vyzkoušet vlastnosti jednotlivých transceiverů jako jsou výkonnostní charakteristiky, zpoždění a spotřeba energie.

Závěr

Vysokonapěťové systémy potřebují galvanické oddělení, aby chránili nejen zařízení, ale i uživatele. K dispozici je několik možností, jak toho dosáhnout. Běžně používané optočleny nejsou vhodné, jelikož nedokážou přenášet data oboustranně a nepodporují přenos energie. K tomuto účelu se vyžívají kapacitní a magnetické oddělovací obvody, které oddělí jak napájecí tak i signální cestu. Tyto izolační technologie mají vysoké CMTI a splňují požadavky IEC 60747-17 pro zesílenou izolaci.

Další informace:

• Jak vybrat správnou technologii galvanické izolace pro senzory IoT
• Jak implementovat izolaci napájení a signálu pro spolehlivý provoz sběrnic CAN

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com