Technologie i rozwiązania w zakresie izolacji danych i zasilania USB

Izolowany przesył danych

Jak stwierdzono powyżej, izolacja galwaniczna umożliwia przesyłanie danych lub informacji między oddzielonymi obwodami elektrycznymi. Ale jak można to osiągnąć bez pewnego rodzaju materiału przewodzącego między obwodami? Istnieje kilka praktycznych rozwiązań tego problemu, w tym technologie optyczne, pojemnościowe i elektromagnetyczne. Każda z tych technologii ma zalety i wady, które omówiono poniżej. Wybierając strategię, projektant musi wziąć pod uwagę szybkość transmisji danych, wyładowania elektrostatyczne (ESD), zakłócenia i wymagania dotyczące mocy.

Technologia optyczna: jedną z najbardziej znanych metod izolacji jest zastosowanie izolatora optycznego lub optoizolatora (lub sprzęgacza optycznego). Izolację uzyskuje się dzięki zastosowaniu diody elektroluminescencyjnej (LED) po stronie pierwotnej bariery izolacyjnej i fotoczułego tranzystora po stronie wtórnej. Dobrym przykładem optoizolatora jest urządzenie FOD817 firmy ON Semiconductor (ilustracja 2). Dane są wysyłane przez barierę izolacyjną z diody LED za pomocą impulsów świetlnych i odbierane przez fototranzystor w konfiguracji z otwartym kolektorem. Gdy dioda LED jest włączona, fotodioda generuje przepływ prądu w obwodzie wtórnym.

Ze względu na to, że do przesyłania danych wykorzystywane jest światło, optoizolator nie jest podatny na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Z drugiej strony szybkość przesyłania danych może być niska, ponieważ jest ona funkcją szybkości przełączania diody LED. Ponadto optoizolatory mają zwykle krótszą żywotność w porównaniu z innymi technologiami ze względu na degradację diod LED w czasie.

Ilustracja 2: Optoizolator - dioda LED emituje impulsy świetlne przez barierę izolacyjną; są one następnie odbierane przez fotodiodę i generują przepływ prądu w obwodzie wtórnym. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

FOD817 to urządzenie jednokanałowe o wytrzymałości izolacji do 5kVrms~ przez jedną minutę. Zawiera ono diodę podczerwoną (IR) z arsenku galu (GaAs) sterującą fototranzystorem krzemowym. Przykładowe zastosowania to m.in. regulatory mocy i cyfrowe wejścia logiczne.

Izolacja elektromagnetyczna: jest to prawdopodobnie najstarsza technologia izolacji obwodów. Przesyłanie danych (i mocy, jak omówiono później) między dwiema cewkami jest możliwe dzięki podstawowym zasadom indukcji elektromagnetycznej. Podejście to zostało z czasem znacznie ulepszone przez firmy takie jak Analog Devices dzięki technologii iCoupler. W technologii iCoupler w układzie scalonym są osadzone cewki transformatora, a rolę bariery izolacyjnej pełni podłoże poliimidowe.

Elektromagnetyczne metody izolacji są bardziej podatne na zakłócenia pola magnetycznego niż optoizolatory i mogą generować własne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które mogą wymagać przeciwdziałania na etapie projektowania produktu. Jednak zaletami są wyższe szybkości transmisji danych wynoszące 100Mb/s i więcej oraz niskie zużycie energii.

Przykładem tego typu technologii może być izolator ADuM1250 firmy Analog Devices (ilustracja 3). Urządzenie to charakteryzuje się szybkością przesyłania danych do 1Mb/s i wytrzymałością izolacji 2500Vrms przez jedną minutę zgodnie z normą UL 1577. Jest ono przeznaczone do izolacji dwukierunkowych transmisji danych I2C np. w zastosowaniach wymagających możliwości przełączania podczas pracy. Jego pobór mocy wynosi 2,8mA prądu wejściowego (IDD1) po stronie pierwotnej i 2,7mA po stronie wtórnej (IDD2) przy napięciu zasilania 5V (VDD1 i VDD2). Należy zauważyć, że każdy kanał I2C (linie zegara i danych) w izolatorze ADuM1250 wymaga dwóch wbudowanych transformatorów, aby osiągnąć dwukierunkowość.

Zwykle dane są przesyłane między cewkami transformatora przy użyciu schematu przejścia brzegowego. Do identyfikacji początkowych i końcowych zboczy sygnału danych służą krótkie impulsy o długości jednej nanosekundy. Urządzenie zawiera również sprzęt do kodowania i dekodowania.

Ilustracja 3: W izolatorze ADuM1250 z dwoma interfejsami I2C każda z linii I2 wymaga dwóch oddzielnych transformatorów, aby uzyskać dwukierunkowy transfer danych i zegara. (Źródło ilustracji: © Analog Devices, Inc.)

Izolacja pojemnościowa: izolację pojemnościową uzyskuje się, jak sama nazwa wskazuje, dzięki zastosowaniu kondensatorów (ilustracja 4). Ze względu na charakterystykę metody pojemnościowej napięcie prądu stałego jest blokowane przez kondensator, natomiast napięcie prądu zmiennego może swobodnie przepływać.

Ilustracja 4: Izolacja pojemnościowa wykorzystuje charakterystykę pojemnościową blokowania sygnałów prądu stałego i umożliwia przepływ przez barierę izolacyjną sygnałów prądu zmiennego. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Stosując nośnik o wysokiej częstotliwości (prądu zmiennego) do przesyłania danych przez kondensator, informacje mogą być przesyłane przy użyciu schematu modulacji, takiego jak kluczowanie włącz-wyłącz (OOK). Obecność nośnika o wysokiej częstotliwości może oznaczać wyjście cyfrowe o wartości zero (stan niski), a brak nośnika oznaczałby jedynkę (stan wysoki) .

Podobnie jak w przypadku izolacji magnetycznej, zaletami izolacji pojemnościowej są wysokie szybkości przesyłania danych (100Mb/s lub więcej) i niskie zużycie energii. Wady to m.in. większa podatność na zakłócenia pola elektrycznego.

Świetnym przykładem izolacji metodą pojemnościową jest czterokanałowy izolator cyfrowy ISO7742 firmy Texas Instruments o wytrzymałości izolacji do 5000Vrms. Urządzenie to występuje w wielu konfiguracjach w zależności od wymaganego kierunku przepływu danych. Charakteryzuje je szybkość transmisji danych 100Mb/s i zużycie energii na poziomie 1,5mA na kanał. Obszary zastosowania z zachowaniem zgodności z normą ISO7742 to m.in. sprzęt medyczny, zasilacze i automatyka przemysłowa.