do. sep 29th, 2022


Idee in het kort

Digitale isolatoren bieden aanzienlijke, overtuigende voordelen ten opzichte van optocouplers in termen van grootte, snelheid, stroomverbruik, gebruiksgemak en betrouwbaarheid.

ang xem: wat is een digitale isolator

Jarenlang hadden ontwerpers van industriële, medische en andere geïsoleerde systemen beperkte opties bij het implementeren van veiligheidsisolatie: de enige redelijke keuze was de optocoupler. Tegenwoordig bieden digitale isolatoren voordelen op het gebied van prestaties, grootte, kosten, energie-efficiëntie en integratie. Het begrijpen van de aard en onderlinge afhankelijkheid van drie belangrijke elementen van een digitale isolator is belangrijk bij het kiezen van de juiste digitale isolator. Deze elementen zijn isolatiemateriaal, hun structuur en methode voor gegevensoverdracht.

Ontwerpers nemen isolatie op vanwege veiligheidsvoorschriften of om ruis van aardlussen enz. te verminderen. Galvanische isolatie zorgt voor gegevensoverdracht zonder een elektrische verbinding of lekpad dat een veiligheidsrisico zou kunnen vormen. Toch legt isolatie beperkingen op zoals vertragingen, stroomverbruik, kosten en grootte. Het doel van een digitale isolator is om aan de veiligheidseisen te voldoen en de boetes te minimaliseren.

Optocouplers, een traditionele isolator, lopen de grootste straffen op, omdat ze veel stroom verbruiken en de datasnelheden beperken tot minder dan 1 Mbps. Er zijn meer energie-efficiënte en snellere optocouplers beschikbaar, maar deze brengen hogere kosten met zich mee.

Digitale isolatoren werden meer dan 10 jaar geleden geïntroduceerd om de boetes in verband met optocouplers te verminderen. Ze maken gebruik van op CMOS gebaseerde circuits en bieden aanzienlijke kosten- en stroombesparingen, terwijl de gegevenssnelheden aanzienlijk worden verbeterd. Ze worden gedefinieerd door de hierboven vermelde elementen. Isolatiemateriaal bepaalt het inherente isolatievermogen en wordt geselecteerd om te voldoen aan de veiligheidsnormen. Structuur en gegevensoverdrachtmethode zijn gekozen om de genoemde sancties te overwinnen. Alle drie de elementen moeten samenwerken om de ontwerpdoelen in evenwicht te brengen, maar het enige doel dat niet kan worden aangetast en “gebalanceerd” is het vermogen om te voldoen aan veiligheidsvoorschriften.

Isolatie materiaal

Digitale isolatoren gebruiken gieterij-CMOS-processen en zijn beperkt tot materialen die vaak worden gebruikt in gieterijen. Niet-standaard materialen bemoeilijken de productie, wat resulteert in een slechte maakbaarheid en hogere kosten. Gebruikelijke isolatiematerialen zijn polymeren zoals polyimide (PI), dat als een dunne film kan worden gesponnen, en siliciumdioxide (SiO2). Beide hebben bekende isolerende eigenschappen en worden al jaren gebruikt in standaard halfgeleiderverwerking. Polymeren zijn de basis geweest voor veel optocouplers, waardoor ze een gevestigde geschiedenis hebben als hoogspanningsisolator.

Veiligheidsnormen specificeren doorgaans een nominale spanning van 1 minuut (meestal 2,5 kV rms tot 5 kV rms) en werkspanning (meestal 125 V rms tot 400 V rms). Sommige normen specificeren ook een kortere duur, hogere spanning (bijv. 10 kV piek voor 50 µs) als onderdeel van de certificering voor versterkte isolatie. Op polymeer/polyimide gebaseerde isolatoren leveren de beste isolatie-eigenschappen, zoals weergegeven in tabel 1.

Tabel 1. Op polymeer/polyimide gebaseerde isolatoren leveren de beste isolatie-eigenschappen op

Op polymeer gebaseerde optocoupler Op polyimide gebaseerde digitale isolator Op SiO2 gebaseerde digitale isolator
Weersta spanning (1 minuut) 7,5 kV rms 5 kV rms 5 kV rms
Levensduur bij 400 V rms Werkspanning 25 jaar 50 jaar 25 jaar
Piekniveau voor versterkte isolatie 20 kV 12 kV 7 kV
Afstand door de isolatie (isolatiedikte) 400 µm 14 µm tot 26 µm 7 µm tot 15 µm

Op polyimide gebaseerde digitale isolatoren zijn vergelijkbaar met optocouplers en overtreffen de levensduur bij typische werkspanningen. Op SiO2 gebaseerde isolatoren bieden een zwakkere bescherming tegen spanningspieken, waardoor gebruik in medische en andere toepassingen wordt voorkomen.

De inherente stress van elke film is ook anders. Polyimide heeft een lagere spanning dan SiO2 en kan indien nodig in dikte toenemen. SiO2-dikte, en dus isolatievermogen, is beperkt; een spanning van meer dan 15 µm kan resulteren in gebarsten wafels tijdens de verwerking of delaminatie gedurende de levensduur van de isolator. Op polyimide gebaseerde digitale isolatoren gebruiken isolatielagen met een dikte tot 26 µm.

Isolatorstructuur

Digitale isolatoren gebruiken transformatoren of condensatoren om magnetisch of capacitief gegevens over een isolatiebarrière te koppelen, in vergelijking met optocouplers die licht van LED’s gebruiken.

Transformatoren pulseren stroom door een spoel, zoals weergegeven in figuur 1, om een ​​klein, gelokaliseerd magnetisch veld te creëren dat stroom induceert in een andere spoel. De stroompulsen zijn kort, 1 ns, dus de gemiddelde stroom is laag.

Xem thêm: Note 4 Best Launcher – Wat zijn de beste launchers voor de Redmi Note 4

*

Figuur 1. Transformator met dikke polyimide-isolatie waarbij stroompulsen magnetische velden creëren om stroom op de secundaire spoel te induceren (links); Condensator met dunne SiO2-isolatie die elektrische velden met lage stroom gebruikt om over isolatiebarrière te koppelen (rechts)

Transformatoren zijn ook differentieel en bieden uitstekende transiënte immuniteit in common-mode, tot wel 100 kV/µs (optocouplers zijn typisch ongeveer 15 kV/µs). Magnetische koppeling heeft ook een zwakkere afhankelijkheid van de afstand tussen de transformatorspoelen in vergelijking met de afhankelijkheid voor capacitieve koppeling van de afstand tussen platen. Dit zorgt voor dikkere isolatie tussen transformatorspoelen, wat resulteert in een hoger isolatievermogen. Gecombineerd met polyimidefilms met lage spanning, kunnen hoge isolatieniveaus worden bereikt voor transformatoren die polyimide gebruiken versus condensatoren die SiO2 gebruiken.

Condensatoren zijn ook single-ended en hebben een hogere gevoeligheid voor common-mode transiënten. Differentiële condensatorparen kunnen compenseren, maar dit verhoogt de omvang en de kosten.

Een voordeel van condensatoren is dat ze lage stromen gebruiken om het elektrische koppelveld te creëren. Dit wordt merkbaar bij hoge datasnelheden, boven de 25 Mbps.

Methoden voor gegevensoverdracht

Optocouplers gebruiken licht van LED’s om gegevens over een isolatiebarrière te verzenden: de LED gaat aan voor logisch HOOG en uit voor logisch LAAG. Terwijl de LED brandt, verbruikt de optocoupler stroom, waardoor optocouplers een slechte keuze zijn waar het stroomverbruik een probleem is. De meeste optocouplers laten de signaalconditionering aan de input en/of output over aan de ontwerper, wat niet altijd het gemakkelijkst te implementeren is.

Digitale isolatoren gebruiken meer geavanceerde schakelingen om gegevens te coderen en te decoderen, waardoor snellere gegevensoverdracht mogelijk is en complexe, bidirectionele interfaces zoals USB en I2C kunnen worden verwerkt.

Eén methode codeert stijgende en dalende flanken als dubbele of enkele pulsen die een transformator aansturen (Figuur 2). Deze pulsen worden terug gedecodeerd in stijgende/dalende flanken aan de secundaire zijde. Dit vermindert het stroomverbruik met 10× tot 100× in vergelijking met optocouplers omdat er niet continu stroom wordt toegepast zoals bij optocouplers. Er kunnen verversingscircuits worden opgenomen om het gelijkstroomniveau regelmatig bij te werken.

*

Afbeelding 2. Eén methode voor het overbrengen van gegevens codeert randen als enkele of dubbele pulsen.

Een andere methode maakt gebruik van RF-gemoduleerde signalen op vrijwel dezelfde manier als optocouplers licht gebruiken; logisch HOOG signaal resulteert in continue RF-transmissie. Dit verbruikt meer stroom dan de gepulseerde methode omdat logische HIGH-signalen continu stroom verbruiken.

Differentiële technieken kunnen ook worden gebruikt voor de afwijzing van common-mode; deze kunnen echter het best worden gebruikt met differentiële elementen zoals transformatoren.

Xem thêm: iemand heeft mijn YouTube-video gestolen, imitatiebeleid

De juiste combinatie kiezen

Digitale isolatoren bieden aanzienlijke, overtuigende voordelen ten opzichte van optocouplers in termen van grootte, snelheid, stroomverbruik, gebruiksgemak en betrouwbaarheid. Binnen de klasse van digitale isolatoren onderscheiden verschillende combinaties van isolatiemateriaal, structuur en gegevensoverdrachtmethode verschillende producten, waardoor sommige meer of minder geschikt zijn voor bepaalde toepassingen. Zoals hierboven vermeld, bieden op polymeer gebaseerde materialen het meest robuuste isolatievermogen; dit materiaal kan in bijna alle toepassingen worden gebruikt, maar de strengste, zoals gezondheidszorg en zware industriële apparatuur, zullen het meeste voordeel behalen. Om de meest robuuste isolatie te bereiken, kan de polyimidedikte worden vergroot tot boven wat redelijk is voor condensatoren; daarom kan op condensator gebaseerde isolatie het meest geschikt zijn voor functionele isolatie waar veiligheidsisolatie niet vereist is. In die gevallen kan op transformatoren gebaseerde isolatie het meest zinvol zijn, vooral in combinatie met een differentiële gegevensoverdrachtmethode die volledig profiteert van de differentiële aard van transformatoren.

Auteur

*

David Krakauer

David Krakauer was een marketingmanager voor de iCoupler-productlijn van lisbdnet.com Devices. Hij leidde de ontwerpengineering, marketing en applicatie-engineering van de iCoupler-portfolio van digitale isolatoren en industriële interfaceproducten. David was verantwoordelijk voor de verspreiding van iCoupler-technologie op lisbdnet.com Devices om integratie met andere producten mogelijk te maken, waaronder converters, versterkers en transceivers.

Zie meer artikelen in categorie: Digitaal

Door admin

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.