Анатомия цифровых изоляторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2012

David Krakauer, Analog Devices

По габаритам, скорости, потребляемой мощности, простоте использования и надежности цифровые изоляторы намного превосходят оптроны

На протяжении многих лет у разработчиков промышленного, медицинского и иного оборудования, к которому предъявляются повышенные требования по уровню безопасности, выбор решений для гальванической защитной изоляции был минимален, промышленность выпускала только оптроны. Появившиеся в последние годы цифровые изоляторы имеют неоспоримые преимущества в части технических характеристик, габаритов, стоимости, энергетической эффективности и интеграции. Для правильного выбора цифрового изолятора необходимо иметь четкое понимание природы и взаимосвязи трех ключевых элементов: материала изолятора, его структуры и способа передачи данных.

Изоляция цепей нужна разработчикам там, где этого требуют стандарты безопасности, где необходимо уменьшить шумы, создаваемые возвращающимися через «землю» токами, и еще во множестве случаев. Гальваническая изоляция позволяет передавать данные без прямых электрических соединений и без путей утечки токов, которые могут быть потенциальными источниками опасности. Самым простым и экономически эффективным способом реализации гальванической развязки на сегодня являются цифровые изоляторы.

Традиционно используемые в цепях изоляции оптроны крайне несовершенны. Они рассеивают большую мощность, а скорость передачи данных, в типичном случае, не превышает 1 МГц. Более эффективные и быстродействующие оптроны, в принципе, выпускаются, но они весьма дороги.

Первые цифровые изоляторы были выпущены более 10 лет назад как более совершенная альтернатива оптронам. Они изготавливаются на основе КМОП технологии и позволяют значительно увеличить скорости передачи данных и одновременно снизить стоимость изоляции. Характеристики цифровых изоляторов определяются тремя элементами, о которых шла речь чуть выше. Балансом этих элементов практически всегда можно достичь оптимального решения поставленной задачи. Изоляционный материал выбирается в соответствии с предписаниями стандартов безопасности. Структура и метод передачи данных должны отвечать целям проекта. Компромисс недопустим лишь в части, затрагивающей технику безопасности.

Материал изоляции

Цифровые изоляторы изготавливаются на основе типовых технологических процессов КМОП, в которых используются только стандартные материалы. Специальные материалы усложняют производство, делают его нетехнологичным, а конечный продукт – дорогим. В качестве изолирующих материалов обычно применяются либо полимеры, такие как полиимид, который можно наносить в виде тонкой пленки, либо диоксид кремния (SiO₂). Изолирующие свойства обоих хорошо изучены, оба материала используются в производстве полупроводников на протяжении многих лет. С использованием полимеров изготавливались многие оптроны, именно полимеры сделали их высоковольтными изоляторами.

Таблица 1. Наилучшими свойствами обладают изоляторы на полимерной/полиимидной основе

В стандартах безопасности обычно прописаны требования по напряжению изоляции (типовые значения от 2.5 до 5 кВ с.к.з. в течение 1 мин) и рабочему напряжению (типовые значения от 125 до 400 В с.к.з в течение 1 мин). Для специальной усиленной изоляции некоторые стандарты требуют устойчивости к более высоким напряжениям при меньшем времени воздействия (например, 10 кВ в течение 50 мкс). Как можно заключить, посмотрев на Таблицу 1, наилучшими изолирующими свойствами обладают материалы на полимерной/полиимидной основе.

Характеристики цифровых изоляторов на полиимидной основе близки к характеристикам оптронов. Изоляторы на основе SiO₂ имеют более слабую защиту от бросков напряжения, что исключает их применение, например, в медицинской аппаратуре.

Величина внутреннего напряжения полимеров также различна. У полиимида оно меньше, чем у SiO₂, что позволяет, при необходимости, наращивать толщину материала. Толщина SiO₂ и, соответственно, изолирующая способность, ограничены пределом 15 мкм. Превышение этого предела может привести к появлению трещин в кремниевой пластине, или к отслоению изолятора в процессе эксплуатации. Толщина полиимидной пленки может достигать 26 мкм.

Структура изолятора

В цифровых изоляторах для передачи данных через изолирующий барьер используется магнитная или емкостная связь, аналогично тому, как в оптронах используется свет.

Импульс тока катушки трансформатора создает слабое локализованное магнитное поле, индуцирующее ток в другой катушке (Рисунок 1). Импульсы тока очень коротки, обычно порядка 1 нс, поэтому средний ток невелик.

Рисунок 1.	В трансформаторе с толстой полиимидной изоляцией магнитное поле, создаваемое в первичной катушке, индуцирует ток во вторичной катушке (слева); в конденсаторе с тонким изолятором из двуокиси кремния (SiO2) для связи между обкладками используются слабые электрические поля (справа).

В силу своей дифференциальной природы, трансформаторы исключительно устойчивы к синфазным помехам со скоростью нарастания до 100 кВ/мкс. (Для оптронов эта величина, в типичном случае, имеет порядок 15 кВ/мкс). Кроме того, магнитная связь слабее зависит от расстояния между катушками трансформатора, чем емкостная связь от расстояния между обкладками конденсатора. Это позволяет увеличивать толщину изоляции в трансформаторах, улучшая, соответственно, их изолирующие свойства. С учетом низкого уровня внутренних напряжений и высоким качеством полиимидной изоляции, трансформаторы выглядят существенно привлекательнее, чем конденсаторы с диэлектриком из двуокиси кремния.

Несимметричный вход конденсатора к синфазным помехам намного восприимчивее. Устранить это недостаток можно использованием дифференциальной пары конденсаторов, но следствием такого решения будет увеличение размеров изолятора и его стоимости.

Главное преимущество конденсаторов в малом токе, необходимом для создания электрического поля, достаточного для надежной связи. Это становится особенно заметным на частотах свыше 25 МГц.

Способы передачи данных

Для передачи информации через изолирующий барьер в оптронах используется световой поток светодиода, попеременно переключаемого в состояния «лог. 0» и «лог. 1». Включенный светодиод потребляет значительный ток, поэтому для приложений, критичных к уровню расходуемой мощности, оптрон будет самым плохим выбором. Разработчику, использующему оптоизоляторы, вопросы формирования входных и/или выходных сигналов чаще всего приходится решать самостоятельно, что не всегда достигается простыми средствами.

В цифровых изоляторах для кодирования и декодирования данных используются боле сложные схемы, позволяющие увеличить скорость передачи и обеспечить возможность работы с такими сложными двунаправленными интерфейсами, как USB и I²C.

Один из способов кодирования положительных и отрицательных фронтов заключается в формировании парных или одиночных импульсов (Рисунок 2). На вторичной стороне эти импульсы восстанавливаются декодером обратно в перепады сигнала. Такой метод, в сравнении с оптронами, дает выигрыш в потребляемой мощности от 10 до 100 раз, поскольку ток протекает через изолятор только в моменты смены входных логических уровней. Для регулярного восстановления уровня постоянной составляющей могут использоваться дополнительные схемы регенерации.

Рисунок 2.	Один из способов передачи данных: фронты кодируются одиночными или сдвоенными импульсами.

Еще один метод основан на модуляции высокочастотных сигналов, во многом подобной модуляции света в оптоизоляторах: на время присутствия на входе изолятора уровня «лог. 1» включается генератор высокой частоты. Потребляемая мощность при высокочастотном кодирования намного выше, чем при импульсном, так как в состоянии «лог. 1» ток потребляется постоянно.

Для снижения влияния синфазных помех применяются различные схемные решения, однако лучше всего использовать готовые дифференциальные элементы, такие как трансформаторы.

Выбор правильного сочетания элементов

По сравнению с оптронами, цифровые изоляторы значительно меньше, быстрее, экономичнее, надежнее и проще в использовании. Комбинируя различные изолирующие материалы, архитектурные решения и методы передачи данных, можно создавать цифровые изоляторы, более или менее подходящие для каждого конкретного устройства. Как отмечалось выше, самая надежная изоляция обеспечивается полимерными материалами. Эти материалы можно использовать практически во всех приложениях, но в наибольшей степени их преимущество проявляется там, где требования к изоляции особенно строги: в здравоохранении и тяжелом промышленном оборудовании. Для повышения надежности изоляции толщину полиимидной пленки можно увеличивать в более широких пределах, чем оксидную изоляцию конденсаторов. По этой причине изоляторы на конденсаторной основе предпочтительно использовать там, где изоляция не служит средством обеспечения безопасности. В большинстве случаев имеет смысл использовать изоляцию на трансформаторной основе, в особенности в комбинации с дифференциальной передачей данных, позволяющей использовать преимущества симметричной структуры трансформаторов.