Un isolamento digitale robusto aggiunge sicurezza alle applicazioni ad alta tensione

Ovunque i circuiti elettrici alimentati possano interagire con altri circuiti, con l'hardware e le infrastrutture o con gli utenti, è possibile che si verifichino condizioni di sovratensione dannose. L'isolamento fisico o elettronico della corrente dai potenziali punti di interazione, comunemente noto come isolamento galvanico, è essenziale per la sicurezza e il funzionamento continuo di un circuito. Come ulteriore vantaggio, l'isolamento spesso riduce il rumore indesiderato nel segnale di uscita.

I requisiti di isolamento sono prevalenti nella robotica, nelle apparecchiature di rete elettrica ad alta tensione, nelle attrezzature di fabbrica, nelle applicazioni automotive e nei prodotti consumer. Le specifiche delle applicazioni, come le tensioni di ingresso variabili, l'uso di batterie o la necessità di un ingombro compatto, sono ulteriori requisiti da considerare nella progettazione di un sistema di isolamento.

Per scegliere i componenti di isolamento giusti, i progettisti devono conoscere i pro e i contro e la composizione delle varie architetture di isolamento. Forti di queste conoscenze, possono incorporare gli isolatori più efficaci, affidabili e poco ingombranti nei loro progetti elettronici.

Identificazione degli isolatori

L'isolamento galvanico può essere ottenuto in diversi modi, ma tutti condividono un principio di base: un ingresso a tensione più elevata sul lato primario è separato dal lato secondario a bassa tensione e bassa corrente da una barriera fisica. I dettagli della barriera e il metodo di trasmissione della potenza, dei segnali o di entrambi dipendono dal tipo di isolatore.

Gli optoaccoppiatori utilizzano i LED per convertire il segnale sul lato primario da impulsi elettrici in fotoni. Sul lato secondario, un componente fotosensibile come un fototransistor, un fotodiodo o un transistor a effetto di campo (FET) riceve i fotoni e li converte in un segnale elettrico. Oltre all'isolamento fisico dei circuiti primari e secondari, gli optoaccoppiatori eliminano automaticamente il rumore indesiderato dal segnale di uscita e prevengono gli anelli di massa.

Negli accoppiatori magnetici, la tensione attraverso l'avvolgimento primario di un trasformatore genera un campo magnetico che induce una tensione attraverso un avvolgimento sul lato secondario, trasmettendo un segnale elettrico e mantenendo l'isolamento galvanico. I trasformatori possono avere due avvolgimenti separati su un unico nucleo di ferro o possono integrare due induttori, ciascuno con un avvolgimento attorno al proprio nucleo di ferro, ma separati da un materiale dielettrico. I progettisti scelgono l'accoppiamento magnetico per le sue capacità di alta tensione, i tempi di risposta relativamente brevi e la capacità di filtrare il rumore del segnale. Tuttavia, vanno considerate anche le dimensioni dell'isolatore, la possibile generazione di calore e la produzione di interferenze elettromagnetiche.

Gli accoppiatori capacitivi utilizzano i condensatori, ossia componenti con due elettrodi separati da un materiale dielettrico. La carica si accumula sull'elettrodo del lato primario a causa della tensione di ingresso e crea un campo elettrico che induce una tensione nell'elettrodo sul lato secondario. Gli accoppiatori capacitivi sono comuni per via delle loro piccole dimensioni, il basso utilizzo di energia e la loro rapida risposta alle variazioni di ingresso, e sono pertanto convenienti ed efficienti per la trasmissione di segnali elettrici attraverso una barriera di isolamento. I progettisti devono adottare misure adeguate per proteggere gli accoppiatori capacitivi da una tensione di ingresso superiore alle loro capacità, dall'umidità ambientale e dalla perforazione del dielettrico.

Distribuzione di isolatori digitali

Tutti i tipi di isolatori sopra descritti possono essere incorporati in sistemi di isolamento digitale su circuiti integrati (CI). Queste topologie possono essere ulteriormente integrate con moduli di alimentazione o componenti di trasmissione del segnale per formare sistemi di isolamento digitale completi su singoli chip. Alcune comuni topologie di sistemi con isolatore digitale sono flyback, semiponte e push-pull.

Un alimentatore flyback è una forma di isolamento magnetico che crea un trasformatore combinando un induttore separato con un convertitore buck/boost in grado di aumentare o ridurre la tensione di un ingresso in corrente continua (c.c.) per adattarla all'uscita desiderata. La retroazione del convertitore buck/boost è fornita da un avvolgimento induttore terziario o da un optoaccoppiatore. Gli alimentatori flyback sono indicati per le applicazioni a bassa potenza, ma i progettisti devono essere consapevoli del potenziale di EMI indesiderate.

I progetti a semiponte (ponte H) comprendono un generatore di onde quadre a ponte H, un circuito risonante contenente due induttori e un condensatore (LLC) e due raddrizzatori che forniscono la tensione di uscita c.c. desiderata. I raddrizzatori offrono una potenza di uscita più elevata rispetto ad altri progetti e i modelli di isolamento a ponte H sono consigliati per le applicazioni di media potenza.

Gli alimentatori isolati push-pull utilizzano due trasformatori per l'accoppiamento magnetico. Due interruttori alternano il trasformatore che riceve la tensione di ingresso. Due diodi raddrizzatori a ponte intero sul lato secondario anticipano le variazioni di tensione e regolano la tensione in un'uscita simmetrica.

Per un maggiore controllo, i progettisti possono scegliere di aggiungere un driver trasformatore in una configurazione push-pull. Il driver integra un oscillatore, un divisore di frequenza e un controller logico per coordinare l'apertura e la chiusura degli interruttori in uno schema non circuitante (BBM). Questo schema produce un segnale di uscita relativamente costante, proteggendo al contempo i componenti interni e a valle dai danni causati dal collegamento contemporaneo di entrambi gli interruttori.

I sistemi con driver trasformatore possono anche controllare l'uscita con regolatori di tensione lineare a bassa caduta (LDO) che sostituiscono o aumentano la funzione dei diodi raddrizzatori. La tensione di caduta è la differenza minima tra la tensione di ingresso e quella di uscita al di sotto della quale il circuito non è in grado di regolare adeguatamente l'uscita. Negli LDO, questa differenza è estremamente ridotta e garantisce un funzionamento affidabile su un ampio intervallo delle tensioni di ingresso.

La preferenza per gli LDO

Un LDO contiene un FET, un amplificatore differenziale e un riferimento di tensione in banda proibita. L'amplificatore differenziale confronta la tensione di uscita con la tensione di riferimento e, se la differenza è troppo alta, il segnale dell'amplificatore attiva il FET per regolare la resistenza del circuito in modo da mantenere costante la tensione di uscita.

Oltre alla tensione di caduta, la scelta di un LDO per un'applicazione di isolamento digitale deve considerare diverse altre specifiche, tra cui la regolazione del carico e della linea, il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR), il rumore di uscita e la corrente di quiescenza (I_Q). La regolazione del carico è la capacità di un LDO di gestire le variazioni della corrente di ingresso mantenendo una tensione di uscita stabile, mentre la regolazione della linea riguarda le variazioni della tensione di ingresso. Molte specifiche riportano anche il PSRR, che misura la capacità del regolatore di gestire il ripple in un ingresso a corrente alternata (c.a.) raddrizzata.

I progettisti devono anche garantire che il rumore di uscita sia ridotto al minimo. Una bassa I_Q, la corrente necessaria per far funzionare il circuito interno del regolatore, semplifica il sistema e ottimizza la durata della batteria nelle applicazioni mobili.

Un esempio di LDO progettato specificamente per i sistemi a batteria è il modello TPL8031Q-S di 3PEAK (Figura 1). Questi regolatori generano uscite a tensione fissa di 3,3 V o 5 V con una precisione di ±2,5%. Hanno tensioni di caduta massime di 720 mV per la versione con uscita a 5 V e di 900 mV per quella a 3,3 V.

Figura 1: I regolatori di tensione lineare a bassa caduta (LDO) forniscono tensioni di uscita affidabili ai sistemi con isolamento digitale, come le unità di controllo elettronico del settore automotive. (Immagine per gentile concessione di 3PEAK)

I regolatori TPL8031Q-S tollerano tensioni di ingresso comprese tra 3 V e 42 V con transitori fino a 45 V e possono erogare fino a 300 mA di corrente. Allo stesso tempo, consumano poco, con una I_Q tipica di 3 µA. I limiti di corrente interni proteggono i regolatori da condizioni di guasto, come i cortocircuiti a terra, interrompendo la regolazione della tensione. Inoltre, la protezione dalle sovratemperature spegne il regolatore se la temperatura interna raggiunge una soglia di arresto termico (TSD), consentendogli di riprendere il funzionamento una volta che si è raffreddato a sufficienza.

L'affidabilità, insieme al basso consumo e alle capacità di alta tensione, rende i regolatori di tensione TPL8031Q-S dei buoni candidati LDO per molte applicazioni automotive con vincoli di spazio che si basano sull'alimentazione a batteria. Queste includono unità di controllo elettronico (ECU), moduli di controllo del dominio e della scocca, microcontroller e transceiver, luci interne ed esterne, sistemi di infotainment, quadri di strumentazione e altri sottosistemi alimentati o collegati alla batteria del veicolo.

Conclusione

Le applicazioni automotive sono un esempio di sistemi che necessitano di un robusto isolamento digitale per proteggere l'elettronica delicata dalle sovratensioni e per garantire che gli operatori umani, i passeggeri e altre persone che entrano in contatto con i sistemi siano al sicuro da tensioni pericolose. Esistono molte combinazioni di isolamento di potenza e di segnale che possono raggiungere questo obiettivo e gli LDO sono un componente fondamentale di sistemi di isolamento digitale progettati con cura.