Введение
Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными потенциалами земли. Двумя наиболее распространенными причинами создания развязки является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса, и там, где требуется проводная связь между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.
Гальваническая развязка оптоэлектронного типа
С развитием высоких технологий, использующих полупроводниковые элементы, все более широкое распространение получают БГР – блоки гальванической изоляции на основе оптоэлектронных узлов. Их основой служат оптроны, известные среди электротехников в качестве оптопар, выполненных на основе диодов, транзисторов, тиристоров и других элементов, обладающих повышенной светочувствительностью.
Общая схема оптической части, связывающая источник данных с приемником, использует в качестве сигнала нейтральные фотоны. Благодаря этому свойству, выполняется развязка цепи на входе и выходе, а также ее согласование с входными и выходными сопротивлениями.
Когда используется оптоэлектронная схема, приемник совершенно не влияет на источник сигнала, поэтому сигналы могут модулироваться в широком частотном диапазоне. Данные устройства обладают компактными размерами, поэтому они часто используются в микроэлектронике.
В конструкцию оптической пары входит световой излучатель, проводящая среда для светового потока, а также приемник, преобразующий свет в электрические сигналы. Сопротивление на входе и выходе оптрона очень большое, прядка нескольких миллионов Ом.
Вначале входной сигнал попадает на светодиод, далее в виде света он по световоду попадает на фототранзистор. На выходе устройства данная схема создает перепад или импульс выходного электрического тока. В результате цепи, связанные с двух сторон со светодиодом и фототранзистором, оказываются изолированными между собой.
Виды гальванической развязки
В микросхемах гальванической развязки используются, в основном, три способа гальванического разделения:
- оптронная развязка;
- трансформаторная развязка;
- КМОП.
Оптронная развязка известна очень давно. Пожалуй, наибольших успехов в производстве гальванических оптронных развязок достигли компании Avago (ныне Broadcom) и Toshiba. Основными ограничивающими факторами в использовании оптронных развязок являются температурная зависимость, временные задержки, из-за которых может происходить рассинхронизация тактовых сигналов и данных, ограничение скорости передачи и довольно большое энергопотребление. В высокоскоростных интерфейсах оптронная развязка не находит широкого применения.
Трансформаторная развязка наилучшим способом реализована в технологии iCoupler компании Analog Devices, а развязка с использованием КМОП-технологии — в технологиях компаний Texas Instruments и SiLabs. Обе эти технологии позволяют увеличить электрическую прочность изоляции до более чем 5 кВ (АС).
В технологии iCoupler планарный микротрансформатор формируется на кристалле кремния. Первичная и вторичная части этого трансформатора разделены полиимидом с высокой электрической прочностью. В КМОП-технологии кристаллы, образующие первичную и вторичную часть развязки, разделены дифференциальным емкостным изолирующим барьером. С точки зрения автора, трансформаторная развязка и емкостная развязка КМОП-технологии практически равноценны при использовании в сетях передачи данных. Ни одна из них не имеет явных преимуществ над другой.
Несмотря на отмеченные выше недостатки оптронных развязок, следует сказать несколько слов в их защиту. Нередко в специализированных СМИ высказывается мнение о том, что этот вид развязки якобы устарел и она во всех отношениях уступает конкурентам. В качестве доказательства приводятся результаты сравнительных испытаний или моделирования.
Например, в среди прочих характеристик рассматривается важный параметр — стойкость к изменению синфазного напряжения (common-mode transient immunity, CMTI). Сравнивается реакция на изменение синфазного напряжения оптронной развязки HCPL‑4506 (с CMTI = 20 кВ/мкс) и развязки Si8712A (с CMTI свыше 50 кВ/мкс), производимой по КМОП-технологии. Как и следовало ожидать, результаты сравнительных испытаний показали, что Si8712A значительно меньше реагирует на изменение синфазного напряжения, чем HCPL‑4506.
Результат объясняется наличием паразитных емкостей и несовершенством схемы HCPL‑4506. Действительно, как уже упоминалось, паразитные проходные емкости ухудшают характеристики развязки, но дело в том, что для испытаний был отобран далеко не лучший вариант оптронной развязки. Например, оптронная развязка ACNW3410 от Avago (Broadcom) в драйвере затвора использует улучшенную схему и ее величина CMTI = 100 кВ/мкс та же, что у развязок, производимых по двум другим технологиям.
В заключение отметим, что оптронные развязки имеют свою нишу применения. Прежде всего, это одноканальные развязки сигнальных линий и драйверы затворов. Из-за относительно больших задержек распространения сигналов и возможных рассогласований этих задержек между каналами не рекомендуется использовать их в многоканальных системах передачи данных и в драйверах затвора силовых каскадов с двумя и более силовыми ключами
Зачем оно нужно
Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.
Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.
Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.
Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.
Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.
Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.
Где оно работает
Теперь о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания. Кроме того выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.
* Микросхемы серии Si86xx (известны также как Si84xx) — однонаправленные цифровые изоляторы
Ещё есть изоляторы малыши Si80xx в QSOP-ах. Все на 1кВ.
* Микросхемы серии Si860x (известны также как Si840x) — двунаправленные цифровые изоляторы для шины I2C и т.п.
* Микросхемы серии Si87xx — цифровые изоляторы на посадочное место оптрона
* Микросхемы серии Si88xx — со встроенным DC/DC
* Микросхемы серии Si823x — двухканальные драйверы силовых транзисторов (+ Si824x, заточенные под аудиоусилители)
* Микросхемы серии Si826x — одноканальные драйверы на посадочное место оптодрайверов
* Микросхемы серии Si8920 — гальваноразвязанные АЦП
* Микросхемы серии Si890x — изолированные усилители токового шунта
Устройство гальванической развязки TEPLOCOM GF для питания котлов отопления
Компания БАСТИОН разработала и производит на протяжении нескольких лет специальное устройство, позволяющее выполнять гальваническую развязку или сопряжение цепи питания приборов системы отопления и цепи сетевого электропитания дома. Это устройство позволяет выполнять правильное и безопасное подключение оборудования в домах, где «заземление» не предусмотрено, или качество заземления не удовлетворяет показателям технических нормативов.
Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF предназначено для улучшения показателей качества электропитания в электрических сетях без заземления и в электрических сетях с некачественным заземлением.
Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF предназначено для организации качественного и безопасного электропитания котлов отопления и других приборов систем отопления дома.
Устройство гальванического сопряжения TEPLOCOM GF может быть использовано и для улучшения питания других электрических приборов и оборудования мощностью не более 200 ВА.
TEPLOCOM GF может эксплуатироваться в закрытых помещениях и специально разработан для круглосуточного режима работы.
Современная гальваническая развязка
В наши дни лучший способ обеспечить необходимую гальваническую развязку — это использовать компоненты, разработанные специально для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для отправки изолированных данных измерения тока и напряжения, когда это необходимо системе.
Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе для получения значения тока. Обычно для этого приложения требуются два источника питания (рисунок ниже слева). Однако наличие второго источника питания делает продукт больше, тяжелее и дороже.
Texas Instruments разработала линейку усилителей и АЦП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный усилитель AMC3301 (рисунок выше справа) включает полностью интегрированный преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC) для подачи второго напряжения питания. Изоляция обеспечивается емкостной связью внутри интегральной схемы. AMC3301 соответствует правилам безопасности высоковольтной изоляции для сертификации UL 1577 до 4250 В среднеквадратического значения DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.
Для обеспечения изолированных данных измерений и управления можно использовать два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.
Контролируемый аналоговый сигнал отправляется на микросхему, усиливается, а затем оцифровывается АЦП. АЦП генерирует последовательный поток битов, который проходит через емкостный изолирующий барьер на кристалле. Этот последовательный поток битов затем отправляется на фильтр нижних частот, который вырабатывает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока может быть снова оцифрован в другом АЦП, возможно, в обычном системном микроконтроллере.
В качестве другого варианта можно использовать изолированный модулятор, такой как AMC1305 / 06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой в более быстром ΔΣ АЦП. АЦП посылает свой сигнал через внутренний емкостный изолирующий барьер на выход. Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний фильтр нижних частот генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который снова может быть оцифрован для цифровой обработки сигнала.
Хотя и изолированные усилители, и модуляторы действительно обеспечивают хорошие характеристики, изолирующие модуляторы, как правило, являются лучшей альтернативой. Они обладают превосходным соотношением сигнал / шум, большей точностью и меньшей задержкой.
Электроника для всех
Порой приходится делать гальваническое разделение аналогового сигнала. Например, чтобы отделить АЦП контроллера от высоковольтной части. И если с передачей дискретных сигналов все более менее понятно, там можно обойтись обычным оптроном, работающим в режиме вкл-выкл, то что делать с аналоговым сигналом?
Первое что приходит на ум, так это взять какую-нибудь оптопару и попробовать питать ее светодиод не номинальным напряжением, а нашим аналоговым сигналом. Ведь если напряжение на входе меньше, то светодиод горит тусклее и у фотодиода или фототранзистора на выходе будет совсем другое открытие. Если посмотреть даташит на какую-нибудь оптрон, вроде дешевого и популярного LTV817, то да, можно увидеть вполне характерную зависимость тока выхода (IC от тока входящего в светодиод (IF):
И даже можно попробовать на нем что-то изобразить. Но возникает несколько проблем. И главная даже не в нелинейности. В конце концов, в большинстве случаев, у нас сигнал все равно идет на АЦП какое-нибудь. А там нелинейность можно бы и программно исправить — бомбануть табличку или по формулам с кусочно-линейной аппроксимацией. Нет, главная проблема тут в разбросе параметров самих оптронов от штуки к штуке, даже в пределах одной партии, более того, они еще и с температурой очень сильно изменяют свои характеристики. Получится система которую сложно повторить и откалибровать. Скорей получится сделать всратый термометр чем линию связи 
Будь то фотодиод, фототранзистор или фоторезистор. Для сколь-нибудь точной передачи сигнала подходит так себе. Но это можно исправить и поможет нам наш старый дружок… Операционный усилитель! :))))
Первым делом он поможет нам линеаризовать сигнал. Т.е. можно будет смело забыть про эти кривые передаточные характеристики оптического канала и все что влезло вылезет в том же виде. А это существенно все упрощает.
Делаем обратную связь через оптический канал. Как это работает. Допустим, в начальном состоянии, фототранзистор затемнен, закрыт и точка А подтянута к +V, пусть там будет вольт 15. А на точку В подали, скажем, 3 вольта входного сигнала. На выходе будет (15-3) * дохрена = напряжение которое зажжет светодиод оптопары и начнет открывать фототранзистор. А он, в свою очередь, просадит напряжение подтяжки в точке А до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением на точке В и ОУ не успокоится, замерев в этом устойчивом положении.
Если промоделировать, то увидим, что напряжения идентичные.
Желтый луч это входной с генератора, а синий с обратной связи.
Почти… у выходного (Сигнал В) сигнала есть небольшая плоскость внизу. Это связано с тем, что транзистор оптопары не может придавить сигнал совсем в ноль. Чтобы от нее избавиться надо чуток приподнять входной сигнал, добавив к нему смещение в пол вольта-вольт. Например, сделав сумматор из ОУ. Но это уже не большая проблема, сумматор можно собрать на другом ОУ из той же микросхемы.
Окей, классно. Приравняли мы напряжение А и В с помощью ОУ. А что нам это дает? Они ведь все равно на одной стороне находятся. Что дальше? А дальше мы можем взять вторую, точно такую же оптопару, а лучше второй канал сдвоенной оптопары (чтобы максимально идентичные свойства были) и насадить на тот же выходной ток с нашего ОУ. И он будет дублировать напряжение на той стороне. Вот так:
Токи через светодиоды идут одинаковые, значит светят они идентично. Транзисторы одинаковые (насколько это возможно), а значит на выходе будет то же самое напряжение.
На модели все также:
Если делать смещение, то тут же, на принимающем ОУ, его можно и отрезать.
Под такое дело есть даже специальные линейные оптопары. Они отличаются лучшими характеристиками в плане работы в линейном режиме, а еще имеют один светодиод, светящий на сразу на два фотодетектора. Что еще больше снижает разбег параметров, повышая точность. Типичный представитель такой микросхемы HCNR200 в ней один светодиод и два фотодиода. Включается она следующим образом:
Тут все почти то же самое. Только фотодиод тянет линию вверх, когда засвечивается. Стремясь сравнять напряжения на А и В. А второй фотодиод, по ту сторону барьера, за ним повторяет один в один.
Если промоделировать, то все работает идентично.
Но уже нет площадки на выходе. А если она у вас появляется сверху, значит фотодиод не может выдать нужный ток, чтобы обеспечить падение напряжения и надо увеличить сопротивление резистора который тянет вниз.
У данного способа развязки много недостатков. Он не очень точен, не очень быстр. Никакой прецизионности тут не будет, погрешность в пару процентов вам обеспечена. И вряд ли вы сможете перетащить сигнал быстрей нескольких десятков килогерц через такую сборку. Но у него есть одно несомненное достоинство — ультимативная дешевизна и простота. Так что если вас не смущает погрешность в несколько процентов, а частоты невелики, то зачем платить по пол сотни баксов за прецизионные изолированные ОУ, если можно обойтись всего двумя тремя бачинскими за попсовый оптрон и не менее попсовый же операционный усилок.
Вот такой вот способ передачи аналогового сигнала с гальванической развязкой. В следующий раз я наброшу еще несколько способов.
Микросхемы для гальванической развязки цифровых сигналов (изоляторы)
TI предлагает широкую линейку микросхем, предназначенных для развязки цифровых сигналов различных скоростей (от постоянного сигнала до 150 Мбит/с), выпускаются одно- и двунаправленные модификации, содержащие от одного до четырех каналов (таблица 2). За счет повышения уровня интеграции многоканальные изоляторы позволяют сэкономить место на плате.
Микросхемы могут применяться в распространенных цифровых интерфейсах в различных промышленных приложениях. Все изоляторы имеют однополярное питание 3/5 В, логические КМОП-уровни переключения. Номинальное напряжение питания находится в диапазоне 3,3…5,0 В как для VCC1, так и для VCC2. Возможна различная их комбинация.
Все микросхемы с тремя цифрами в наименовании являются одноканальными (ISO721). В изоляторах с четырьмя цифрами две первые означают серию, предпоследняя говорит о количестве каналов, а последняя — о каналах с обратным направлением передачи данных. Например, ISO7241 часто применяется для гальванической развязки SPI-интерфейса и имеет четыре канала: передачи данных, приема, тактирования, и выбора устройства (рис. 1).
Рис. 1. Структура изолятора ISO7241
Для развязки цепей передачи данных в микросхемах TI используется емкостной барьер с изолятором из диоксида кремния (SiO2). Технология характеризуется высокой степенью надежности, низкими задержками времени распространения сигнала (от 7 нс), малыми искажениями сигнала и задержками «канал-канал» (от 1 нс), высокой устойчивостью к электромагнитному полю, а также широким температурным диапазоном работы (-55…125°С).
Индекс EP (ISO721M-EP, ISO7241A-EP) указывает на расширенный температурный диапазон работы -55…125°С, большинство остальных микросхем имеют диапазон -40…125°С. В ближайшем будущем в продаже появятся ISO7221-HT; индекс HT означает высокотемпературное и высоконадежное применение в жестких температурных условиях, например, в нефтедобывающей отрасли. Эти изделия будут изготовлены из высокотемпературного пластика, способного выдерживать температуры -55…175°С.
Стоит обратить отдельное внимание на новое семейство двухканальных развязок для применений с малым энергопотреблением ISO7420/7421 — семейство развязок с потреблением тока порядка 1,5 мА на канал. В продаже появилась ISO7420FE, суффикс F означает, что в случае аварийного состояния входных линий, выход будет переведен в положение с низким уровнем, защищая, таким образом, выходные цепи.
Вслед за Европой в России в скором времени планируется ужесточение требований безопасности для ответственных применений. Например, в Европейских странах действует постановление о двукратном запасе по напряжению пробоя изоляции для медицинских применений; таким образом, устройство должно выдерживать пробой напряжением до 5000 В RMS в течении минуты. Texas Instruments выпустила двухканальные изоляторы ISO7520 и ISO7521 с напряжением пробоя 5000 В RMS, отличающихся друг от друга направлением передачи данных второго канала.
Предыдущая
