Come ottimizzare isolamento e prestazioni con gli isolatori digitali avanzati

I progettisti di sistemi elettronici devono incorporare l'isolamento dell'alimentazione e dei segnali per soddisfare i requisiti prestazionali, rispettando al contempo i mandati normativi per la sicurezza degli utenti e dei dispositivi. L'isolamento di un percorso di alimentazione c.a. è facile da realizzare con un trasformatore. Anche l'isolamento di un rail di alimentazione c.c. si basa in ultima analisi su un trasformatore, nonostante richieda un maggior numero di circuiti. Tuttavia, l'isolamento di segnali analogici digitalizzati e di flussi di dati seriali digitali presenta sfide e complicazioni diverse.

In questo caso, la tecnica di trasferimento dell'energia utilizzata per l'isolamento deve preservare l'integrità del segnale attraverso la barriera di isolamento per garantire le prestazioni del sistema. Sebbene esistano molti modi per implementare l'isolamento, i progettisti devono assicurare l'integrità del segnale a velocità dati più elevate e in ambienti sempre più difficili. Di conseguenza, si rivolgono sempre più spesso agli isolatori digitali, che possono trasferire dati a velocità di 150 Mbps.

Questo articolo esamina brevemente i motivi per cui è necessario l'isolamento, sottolineando la sua necessità nei circuiti basati su sensori. Esamina quindi i vari aspetti dell'isolamento con gli isolatori digitali all'avanguardia di Analog Devices e ne mostra alcune modalità applicative.

Isolamento: perché e dove

Le ragioni per cui è necessario l'isolamento nei circuiti basati su sensori sono molteplici:

1. L'isolamento può eliminare le variazioni di tensione di modo comune e ridurre al minimo alcuni tipi di interferenze elettromagnetiche (EMI). Garantisce misurazioni più pulite e precise, impedendo alle fonti di rumore esterne di deteriorare il segnale acquisito. Inoltre, consente di misurare piccoli segnali con elevate tensioni di modo comune.
2. A causa delle differenze di potenziale tra le masse dei circuiti, gli anelli di massa possono introdurre differenziali di tensione che causano distorsioni del segnale misurato. L'isolamento interrompe l'anello di massa.
3. L'isolamento impedisce che picchi di tensione, transitori o sovracorrenti transitorie pericolosi raggiungano i sensibili componenti di misurazione. Questo protegge il circuito di misurazione e tutti i dispositivi collegati e l'utente.
4. L'isolamento supporta la traslazione sicura di livello tra le diverse funzioni del circuito. I circuiti su un lato della barriera di isolamento possono essere alla tensione del trasduttore, mentre i circuiti sull'altro lato possono essere a 3,3 o 5 V per i segnali di livello logico.

Ad esempio, in un gruppo di batterie ad alta tensione, è spesso necessario conoscere le tensioni delle singole celle per garantire che il sistema funzioni in modo sicuro e abbia la massima durata possibile. La tensione attraverso una singola cella deve essere misurata nonostante la presenza di una tensione di modo comune fino a diverse centinaia di volt nell'intero gruppo di batterie collegate in serie.

Sebbene sia possibile utilizzare circuiti analogici e amplificatori di isolamento per superare questo problema, tali approcci non soddisfano l'esigenza di misurazioni con una maggiore larghezza di banda e risoluzione, mantenendo al contempo l'accuratezza, la linearità e l'uniformità del sistema.

La tecnica più accurata, economica ed efficiente per eseguire queste misurazioni consiste nell'isolare l'intero front-end di misurazione, compreso il convertitore analogico/digitale (ADC) e quindi utilizzare un collegamento seriale isolato per i dati digitalizzati al resto del sistema (Figura 1).

Figura 1: L'uso di un front-end isolato per misurare la tensione di una singola cella in un gruppo di batterie ad alta tensione supera la sfida delle tensioni di modo comune. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo approccio consente di isolare la tensione di modo comune del gruppo di batterie, impedendo al contempo che, in caso di guasto, alte tensioni pericolose migrino verso il lato del collegamento dati o l'utente.

Si noti che ogni volta che è necessario isolare i segnali, è anche necessario fornire alimentazione isolata, poiché i rail di alimentazione non isolati contraddirebbero e annullerebbero l'isolamento dei segnali. L'isolamento di potenza necessario può essere realizzato tramite un circuito separato o utilizzando una batteria come fonte di alimentazione indipendente e isolata.

Come garantire l'isolamento

Sono molti i parametri che definiscono le prestazioni dell'isolamento. Tra questi vi è la tensione massima che la barriera di isolamento può sopportare prima di cedere. Le norme regolano il valore massimo richiesto, in genere diverse migliaia di volt, a seconda dell'applicazione.

Per l'isolamento dei segnali digitali si possono utilizzare diverse tecnologie, tra cui l'accoppiamento capacitivo, l'accoppiamento ottico (LED e fototransistor), la trasmissione RF su scala "micro" e l'accoppiamento magnetico.

Quest'ultima è una tecnica affidabile con molte caratteristiche positive, ma storicamente ha richiesto un trasformatore di segnale relativamente grande e costoso. La situazione è cambiata con l'introduzione della tecnologia iCoupler di Analog Devices. Questo approccio utilizza bobine primarie e secondarie di trasformatori chip-scale, separate da una barriera di isolamento creata da strati di isolante in poliimmide (Figura 2). Una portante ad alta frequenza trasmette i dati attraverso la barriera di isolamento alla bobina secondaria.

Figura 2: La tecnologia iCoupler utilizza una portante ad alta frequenza per trasmettere i dati dalla bobina primaria a quella secondaria attraverso uno spesso strato isolante in poliimmide. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nel funzionamento, il trasformatore primario viene azionato da una corrente pulsata attraverso la sua bobina primaria per creare un piccolo campo magnetico localizzato che induce corrente nella bobina secondaria. Gli impulsi di corrente sono brevi, pari a circa 1 nanosecondo, quindi la corrente media è bassa per garantire un basso consumo energetico. Inoltre, la tecnica di polarizzazione on/off (OOK) utilizzata per l'architettura di pulsazione e differenziale garantiscono un ritardo di propagazione molto basso e un'alta velocità.

I materiali polimerici utilizzati in iCoupler offrono un isolamento robusto, poiché sono qualificati per quasi tutte le applicazioni. I casi d'uso più impegnativi, come i dispositivi medici e le apparecchiature industriali pesanti, traggono i maggiori vantaggi da questa capacità di prestazione.

La poliimmide presenta inoltre sollecitazioni inferiori rispetto al biossido di silicio (SiO₂), un materiale di barriera alternativo, e può essere aumentata di spessore in base alle esigenze. Per contro, lo spessore del SiO₂, e quindi la capacità di isolamento, è limitato; le sollecitazioni su spessori superiori a 15 μm possono indurre la rottura dei wafer durante la lavorazione o la delaminazione nel corso della vita utile dell'isolatore. Gli isolatori digitali in poliimmide utilizzano strati di isolamento spessi fino a 26 μm.

Analog Devices offre una serie di isolatori digitali iCoupler basati sui trasformatori. Tra questi, gli isolatori ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL e ADUM342E1WBRWZ da 3000 V rms, 150 Mbps per interfacce CAN, RS-485 e SPI.

Questi tre isolatori digitali sono riferiti collettivamente come dispositivi ADuM34xE e si differenziano principalmente per la direzionalità dei canali. ADuM340E ha quattro canali avanti, ADuM341E ha tre canali avanti e uno indietro e ADuM3421 ha due canali avanti e due indietro (Figura 3).

Figura 3: I tre isolatori digitali a quattro canali della serie ADuM34xE hanno specifiche simili ma differiscono per la direzionalità dei canali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ciascuno dei tre isolatori può scegliere tra due modalità di sicurezza (Figura 4): lo stato di uscita è impostato su basso se il lato di ingresso è spento o non funziona (sicurezza bassa), oppure lo stato di uscita è impostato su alto se il lato di ingresso è spento o non funziona (sicurezza alta). Ciò consente agli isolatori di ripristinare uno stato noto quando sono utilizzati in applicazioni critiche.

Figura 4: I diagrammi a blocchi operativi di un singolo canale di un dispositivo ADuM34xE illustrano le opzioni di sicurezza intrinseca bassa (in alto) e alta (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Si noti che non vi è alcuna relazione tra le alimentazioni sul lato di ingresso (pin V_DD1 nella Figura 3) e quelle sul lato di uscita (V_DD2). Possono funzionare contemporaneamente a qualsiasi tensione all'interno dei rispettivi intervalli operativi e in qualsiasi ordine. Questa caratteristica consente all'isolatore di eseguire traslazioni di tensione di 2,5 V, 3,3 V e 5 V logici e non solo.

Sfumature delle caratteristiche prestazionali dei dispositivi ADuM34xE

L'alta tensione di isolamento, l'alta velocità, il basso consumo e il basso ritardo di propagazione degli isolatori ADuM34xE sono tutte caratteristiche di rilievo, ma la loro architettura presenta vantaggi più particolari che i progettisti possono sfruttare. Ad esempio, il consumo energetico aggregato cresce con la frequenza operativa e i requisiti di potenza sono approssimativamente proporzionali alla velocità di funzionamento dei dispositivi. Pertanto, i canali inattivi o che commutano a velocità molto basse consumano poca energia. Il risultato è una riduzione relativa del consumo energetico di uno o due ordini di grandezza rispetto alle tecniche di isolamento alternative.

Inoltre, una volta che il progettista ha determinato la velocità massima di clock seriale per l'applicazione, può selezionare l'alimentazione isolata associata per fornire una corrente sufficiente a supportare solo questa velocità, eliminando la necessità di eccedere il valore massimo dell'isolatore.

Data l'importanza della temporizzazione e del ritardo di propagazione nei collegamenti seriali ad alta velocità, è importante notare che le prestazioni dell'isolatore digitale non deteriorano e non si modificano con il tempo e la temperatura. Mentre il jitter è un problema minore a basse velocità di segnalazione, dove l'errore è piccolo rispetto al periodo della forma d'onda, a velocità di dati più elevate il jitter di temporizzazione diventa una percentuale significativa dell'intervallo del segnale. La scelta di un isolatore con il jitter più basso può aumentare il rapporto segnale/rumore (SNR) e l'efficienza del circuito isolato.

Grazie a queste caratteristiche dell'architettura iCoupler, le schede tecniche dei dispositivi definiscono le specifiche di consumo minimo e massimo garantito, i ritardi di propagazione e la distorsione degli impulsi per l'intero intervallo della temperatura di funzionamento, da -40 °C a +125 °C. Per i progettisti, disporre di queste specifiche complete semplifica i calcoli relativi alle prestazioni del sistema nel caso peggiore.

Con i valori garantiti degli isolatori digitali relativi al ritardo di propagazione (massimo 10 ns) (Figura 5), allo skew e all'accoppiamento canale-canale, è possibile modellare e valutare le specifiche di temporizzazione del sistema di primo livello come con altri circuiti integrati digitali.

Figura 5: La tecnologia iCoupler consente di ottenere un ritardo di propagazione molto basso e completamente caratterizzato, inferiore a 10 ns nell'intero intervallo della temperatura di funzionamento. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) è una specifica meno conosciuta e spesso trascurata. La costante commutazione nelle applicazioni ad alta tensione, come i circuiti di ricarica dei veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV), i sistemi fotovoltaici e gli azionamenti dei motori, introduce transitori di modo comune come sovraoscillazione e rumore. La tecnologia di isolamento dei dispositivi ADuM34xE sfrutta un'architettura di trasformatori in opposizione di fase a presa centrale che fornisce un percorso a bassa impedenza verso terra per il rumore su ciascun lato della barriera di isolamento. Ciò consente di raggiungere un valore CMTI di 100 kV/µs (minimo), migliorando notevolmente l'integrità del segnale isolato.

I progettisti che hanno familiarità con il magnetismo potrebbero temere che questi isolatori possano essere influenzati da interferenze magnetiche che potrebbero danneggiare gli impulsi di trasmissione attraverso la barriera di isolamento, causando errori. Questa preoccupazione è fuori luogo, poiché il raggio ridotto e il nucleo in aria dei trasformatori richiedono un campo magnetico estremamente grande o una frequenza molto elevata per indurre un guasto. Gli isolatori digitali rimangono immuni a 500 A a 1 MHz ricevuti dal dispositivo in un filo di soli 5 mm.

Valutazione degli isolatori digitali

Sebbene la funzionalità di questi isolatori sia semplice, la loro applicazione richiede un attento riesame dei dettagli, come il layout della scheda, per garantire che le capacità di isolamento ad alta tensione e il funzionamento ad alta velocità non siano compromessi.

Per assistere i progettisti nell'uso e nella valutazione dei dispositivi, Analog Devices offre la scheda di valutazione EVAL-ADUM34XEEBZ per l'interfaccia degli isolatori digitali iCoupler (Figura 6). Questa scheda presenta posizioni e layout per ciascuno degli isolatori, più una quarta posizione libera. La scheda presenta scanalature a forma di V tra ciascun componente (da U1 a U4) che consentono all'utente di dividere la scheda in sezioni ed esaminare un dispositivo specifico su una basetta sperimentale o un dispositivo di prova simile.

Figura 6: La scheda di valutazione EVAL-ADuM34XEEBZ supporta tutti e tre i dispositivi ADuM34xE e presenta una posizione libera per la scelta del dispositivo compatibile con la piedinatura dell'utente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda EVAL-ADuM34XEEBZ si attiene alle best practice di progettazione delle schede a circuiti stampati, compreso il piano di massa su ciascun lato della barriera di isolamento. La valutazione del dispositivo iCoupler con questa scheda richiede solo un oscilloscopio, un generatore di segnali e un'alimentazione da 2,25 V a 5,5 V.

Conclusione

L'isolamento è necessario in molti progetti per mantenere l'integrità del segnale, garantire la sicurezza dell'utente e del dispositivo e soddisfare i requisiti normativi. I dispositivi di isolamento digitale basati sulla tecnologia di accoppiamento magnetico iCoupler di Analog Devices sono una soluzione ad alta velocità intuitiva e affidabile. Le loro specifiche fondamentali, tra cui il minimo deterioramento nell'intervallo di tempo e temperatura, garantiscono prestazioni superiori a lungo termine.