Blýská se optočlenům na horší časy? Jak již sliboval předchozí článek, sluší se na konkrétních příkladech demonstrovat mnohdy propastné rozdíly mezi galvanickým oddělením, kterým necháme prostupovat světelný paprsek (optočlen) nebo indukční vazbu (iCoupler).

Přestože se produktová řada iCouplerů neustále rozšiřuje, není těžké se v ní zorientovat. Stejné tvrzení bude navíc platit i v případě použití konkrétní součástky „šité přímo na míru“ nejrůznějším aplikacím. Analog Devices nabízí

obvody, rozdělené dle počtu oddělovaných signálů. Určitou samozřejmostí pak zůstává možnost výběru jednotlivých směrů přenosu v daném čipu, např. tři řídicí signály v přímém směru oproti jednomu výstupnímu signálu ve směru opačném. Další rozměr volnosti nabízí volba izolační bariéry

Nahrazujeme-li z nějakého důvodu nevyhovující optočleny v již zaběhnutém projektu, můžeme se poohlédnout po pinově kompatibilních náhradách. Skutečně, ve většině případů lze iCouplery vyřešit celou řadu problémů optického oddělování v podobě nízkých přenosových rychlostí, nevyhovující stability a spolehlivosti nebo také větší zastavěné plochy na desce plošného spoje v důsledku množství nezbytných součástek všude okolo. Například vůbec první produkt řady iCouplerů ADuM1100, představující 1kanálový obvod galvanického oddělení pro vysokorychlostní digitální signály, dokáže svými parametry nejen zastínit svit optočlenů Agilent Technologies HCPL-0710, -0720, -0721, -0723, ale také je s velkou výhodou, díky zpětné pinové kompatibilitě, nahradit.

Pokud i to nestačí, můžeme vybírat z dalších specifických rysů jednotlivých obvodů:

K podrobnějšímu seznámení byla vybrána řada čtyřnásobných iCouplerů ADuM3440, ADuM3441 a ADuM3442, vynikajících zejména svou přenosovou rychlostí od stejnosměrných úrovní až po 150 Mbps. Ve třech pouzdrech se od výroby skrývají veškeré možné varianty směru přenosu čtyř datových linek.

Základní vlastnosti ADuM344x:

Některé aplikace:

Řada 4kanálových obvodů galvanického oddělení ADuM344x zakládá svou funkci na patentované technologii iCoupler společnosti Analog Devices s podporou přenosových rychlostí až do 150 Mbps. Spojení vysokorychlostních obvodů CMOS s monolitickými „mikroskopickými transformátorky“ bez jádra zajistilo nebývalou výkonnost a stabilitu ve srovnání s dříve naprosto běžnou (a mnohdy také jedinou) alternativou v podobě optočlenů. Indukční náhrada optocitlivých součástek tak směle odstranila nejeden problém, lepící se optoelektrickým vazbám na jejich viditelné či také infračervené paty. Podrobný rozbor celé situace již přinesl předchozí článek, nazvaný Blýská se optočlenům na horší časy?

V případě ADuM344x máme k dispozici celkem čtyři, naprosto nezávislé izolované kanály s nejrůznější, výrobcem definovanou konfigurací dílčích vstupů a výstupů. Pochopitelně, způsob rozmístění vývodů napoví mnohé o tom, mezi kterými piny hledat žádanou galvanickou bariéru. Obvody pracují na každé straně s odděleným napájecím napětím v rozsahu 3.0 až 5.5 V, čímž vedle kompatibility s aplikacemi vyživovanými z nižšího napětí ještě poskytnou možnost konverze napěťových úrovní mezi různými „logikami“. Typicky lze tuto funkci využít v případě A/D převodníku, provozovaného z napájecího zdroje +5 V kvůli většímu odstupu užitečného signálu od šumu. Připojení sériových dat s amplitudou blížící se pěti voltům k 3.3 V DSP nebo hradlovému poli, kde s nižším napájením výrazně klesá výkonová ztráta, pak iCoupler zvládne na výbornou a ještě přitom vykoná dobrou službu v podobě zajištění galvanické bariéry. Přidejme dále nízké zkreslení šířky pulsu včetně velmi malých neshod mezi sousedními kanály a refresh zajišťující náležitý výstup i v případě nepřítomnosti změny logických úrovní na vstupu nebo během zapnutí a vypnutí napájení. Stále nerozhodnutým možná dále pomůže výkonová spotřeba v porovnání s optočlenem, pracujícím na srovnatelných datových rychlostech:

Základní elektrotechnická charakteristika:

Napájecí napětí +3.3 V na obou stranách, teplota +25 °C

 Pin 2 je uvnitř spojen s pinem 8 a oba se doporučuje připojit na GND1. Totéž platí pro pin 9 a pin 15 v souvislosti se zemí GND2

Popis funkce jednotlivých vývodů pro ADuM3441. Piny VE1 a VE2 vykonávají funkci povolení výstupu (Output Enable). K povolení výstupu (skupiny výstupů) dochází přivedením řídicí úrovně log. 1 nebo také prostým nezapojením. Zakázání se děje úrovní log. 0. V zarušeném prostředí je doporučeno definovat na řídicím pinu jednoznačnou logickou hodnotu a nenechat jej volně „plavat“ dle libosti.

Typický vstupní / výstupní proudový odběr na jeden kanál v závislosti na rychlosti přenosu dat (bez zátěže)

iCouplery řady ADuM344x nevyžadují ke své funkci žádné externí součástky, vyjma dvou kondenzátorů mezi napájecími piny 1 + 2 a 15 + 16. Takové vysokofrekvenční blokování je nesmírně důležité, přičemž s přehledem postačí dvě SMD kapacity v rozmezí 10 až 100 nF, umístěné co nejblíže samotným pinům iCoupleru. V případě nedokonalých zemí lze dále uvažovat o posíleném blokování mezi piny 1 + 8 a 9 + 16.

V případě většího počtu zemí může být užitečné zapojit vysokonapěťové kondenzátory mezi vstupní a výstupní zem iCoupleru. V určitých situacích je to prakticky jediná možnost jak zabránit dalšímu šíření rušení ze spínaných zdrojů. Přestože může být takové blokování do jednoho společného bodu přínosné, musíme zvážit jakým způsobem takový kondenzátor ovlivní vlastnosti vystavěné galvanické bariéry s ohledem na rychlé přechodové děje a vlastní elektrickou bezpečnost použitého dielektrika. Návrh plošného spoje a způsob rozmístění součástek by také neměl degradovat užitečné oddělovací vlastnosti použitého čipu. Často se na to zapomíná a výsledky bývají katastrofální. Inu, ne nadarmo se i o elektrickém proudu říká, že „kudy teče, tudy léčí“.

Přenosové zpoždění a související parametry

Přenosové zpoždění (Propagation Delay) popisuje čas, který logický signál potřebuje k průchodu ze svého vstupu na příslušný výstup. Doba změny úrovně na log. 0 se přitom může lišit od doby potřebné k vygenerování stavu log. 1.

Zkreslení šířky pulsu (Pulse Width Distortion) je pak vytvořeno maximálním rozdílem mezi výše zmíněnými hodnotami přenosového zpoždění a vyjadřuje míru přesnosti v otázce časování.

Vzájemná neshoda mezi kanály (Channel to Channel Matching) popisuje největší rozdíl mezi přenosovými zpožděními jednotlivých kanálů v rámci jediného obvodu ADuM344x.

Nesymetrie přenosového zpoždění (Propagation Delay Skew) konečně zohledňuje největší vzájemnou neshodu mezi kanály většího počtu obvodů řady ADuM344x při zachování stejných testovacích podmínek pro všechny čipy.

Systémové prostředky pro maximální spolehlivost

Celková úroveň spolehlivosti s ohledem na ESD (např. dle IEC 61000-4-x) bývá obvykle silnou funkcí konkrétního finálního návrhu. Aby se tato závislost snížila maximální možnou měrou, zavádí společnost Analog Devices v řadě iCouplerů ADuM344x následující bezpečnostní prvky:

Žádný z těchto ochranných prvků však nedokáže plně nahradit robustní návrh finální aplikace využívající oddělení pomocí iCouplerů.

Záruka přesně definovaného výstupu (DC Correctness)

Každá změna vstupního logického signálu je transformována na příslušný výstup úzkými, přibližně 1 ns dlouhými pulsy. Celý princip názorně vysvětloval předchozí článek. Pokud se na vstupu nebude déle než 1 us nic odehrávat, začíná vstupní obvod na základě stále platného logického stavu automaticky vysílat refresh k zajištění věrohodné výstupní úrovně, která tak může prakticky trvat neomezeně dlouho. Jestliže však dekodér z nějakého důvodu neobdrží žádný interní puls déle než 5 us, bude považovat vstupní díl za odpojený od napájení nebo nefunkční. V takovém případě se výstup automaticky překlopí do výchozí úrovně.

Odolnost proti magnetickému poli (Magnetic Field Immunity)

Schopnost účinně odolávat zákeřným nástrahám vnějšího magnetického pole bude znamenat, že napětí takto indukované v přijímací cívce indukční vazby iCoupleru nepřekročí úroveň, která by již spolehlivě dokázala změnit stav výstupního dekodéru. Celá součástka bude vůči rušivému poli nejnáchylnější při nejnižším možném napájecím napětí, tj. při +3 V. V této nejméně příznivé situaci budou mít pulsy vystupující z oddělovacího transformátorku amplitudu něco přes 1.0 V. Protože je citlivostní práh výstupního dekodéru nastaven přibližně na 0.5 V, dostáváme vzhledem k malým rozměrům dostatečně velké pole působnosti rušivého magnetického pole, které navzdory své intenzitě i frekvenci ještě neovlivní užitečný signál.

Jak ukazuje obrázek, ADuM344x je neskutečně odolný a ohrozit jej mohou pouze velmi vysoké vysokofrekvenční proudy, tekoucí navíc v těsné blízkosti samotného čipu. Na kmitočtu 1 MHz bychom pak museli nechat protékat ve vzdálenosti 5 mm od iCoupleru proud o velikosti 500 A... Sluší se však poznamenat, že jakákoli smyčka na motivu plošného spoje může být dost dobrá pro indukování jiného rušivého napětí. Bude-li okolní prostředí zamořeno vysokofrekvenčním magnetickým polem, není se ostatně čemu divit.

Výkonová spotřeba

Proudový odběr každé datové linky ADuM344x bude funkcí

Proudy tekoucí každým vstupem nebo výstupem lze určit s relativně vysokou přesností (viz datasheet). Frekvence vstupního logického signálu v MHz přitom bude polovinou přenosové rychlosti vyjádřené v Mbps.

Životnost izolační bariéry

Budeme-li izolační bariéru delší dobu vystavovat nedovolenému napěťovému namáhání, může zcela zákonitě dojít k jejímu proražení a následnému znehodnocení. Zásadní roli vedle samotné amplitudy zde sehraje také typ „škodolibého“ napětí. Aby mohl výrobce s čistým svědomím zaručit životnost a spolehlivost iCoupleru po celá dlouhá desetiletí (50 let při plném napěťovém namáhání), používá zrychlené testy, při kterých obvody vystavuje výrazně nepříznivějším podmínkám, než při kterých ještě zaručuje jejich správnou funkci. Nejhorší možný případ přitom představuje bipolární střídavé napětí (Bipolar AC Waveform).

Bude-li však iCoupler zatížen unipolárním střídavým napětím (Unipolar AC Waveform) nebo rovnou stejnosměrným napětím (DC Waveform), není už izolační struktura tolik namáhána a součástku lze trvale vystavit působení vyššího napětí, přičemž se opět s přehledem nedostane pod 50letou hranici svého života. Pokud však nějaký časový průběh nebude odpovídat posledně zmiňovanému unipolárnímu nebo stejnosměrnému modelu, musíme pro zajištění spolehlivosti opět uvažovat nejpřísnější situaci v podobě bipolárního rušení.

Pro ilustrační účely výrobce zobrazil unipolární signál jako sinusový. Ve skutečnosti se však může jednat o libovolný časový průběh mezi dvěma limitujícími hodnotami, přičemž amplituda nikdy nesmí „spadnout“ pod nulu.

Maximální trvalé pracovní napětí:

Trvalá velikost napětí napříč izolační bariérou

 Rozměry v milimetrech (palcích)

Závěr:

Článek seznamuje s konkrétní řadou digitálních oddělovacích prvků, hrdě nesoucích jméno iCoupler. Je pouze na laskavém uvážení čtenáře, zda tuto rychlou, spolehlivou a přesnou technologii zapracuje i do svých návrhů, pakliže to již v minulosti s velkou slávou neudělal.

Použité prameny, download a odkazy:

Obrázky chráněné autorským právem byly použity s laskavým svolením Analog Devices, Inc.