Isolator что это

Isolator — перевод, транскрипция

Эта политика послужит лишь изоляции страны, как в политическом смысле, так и в экономическом.

Scientists have isolated the gene that causes the disease.  

Учёные выделили ген, который вызывает данное заболевание.

When he wants to work, he isolates himself in his office and won’t talk to anyone.  

Когда он хочет поработать, то запирается у себя в кабинете и ни с кем не разговаривает.

Interpersonal relationships are very stressful for him, so he lives as a virtual isolate on the Upper West Side of Manhattan.  

Межличностные отношения вызывают у него большой стресс, так что он живёт фактически отшельником в Верхнем Вест-Сайде Манхэттена.

Примеры, ожидающие перевода

Certain patients must be isolated in a separate ward.    

Для того чтобы добавить вариант перевода, кликните по иконке ☰ , напротив примера.

ISOLATOR

1) разделитель, разъединитель 2) вентиль 3) устройство развязки 4) устройство локализации (неисправностей) • — bus isolator — coaxial isolator — electrically-operated isolator — Faraday ferrite isolator — Faraday rotation isolator — fiber-optic isolator — load-breaking isolator — optical isolator — optically-coupled isolator — power isolator — ringer isolator — strip-line isolator — waveguide isolator. смотреть

ISOLATOR

1) изолятор 2) развязывающее устройство 3) разъединитель • traveling-wave optical isolator — оптический вентиль бегущей волны — bus isolator — coaxial isolator — electrooptic isolator — Faraday isolator — gyromagnetic isolator — Hall-effect isolator — line isolator — load-breaking isolator — optical isolator — power isolator — single-pose isolator — three-pole isolator. смотреть

ISOLATOR

Isolator m -s, ..toren эл. 1. изолятор 2. изоляционный материал

ISOLATOR

-oren, -orerэл.1) изолятор, изоляционный материал 2) изолятор фарфоровый

ISOLATOR

<ʹaısəleıtə>n эл. разъединитель

ISOLATOR

m1) изолятор2) диэлектрик•- verlustbehafteter Isolator- verlustloser Isolator

Высоконадежные решения для изоляции цифровых сигналов

В настоящее время для создания изолированных высокоскоростных цифровых интерфейсов наиболее часто применяются микросхемы цифровых изоляторов и изолированных приемопередатчиков. Существует не так много компаний, обладающих технологиями для производства таких устройств. Одной из них является Maxim Integrated. Цифровые изоляторы и изолированные приемопередатчики от Maxim Integrated позволяют обеспечивать гальваническую развязку для всех популярных высокоскоростных интерфейсов SPI, RS-485/422, RS-232, I2C и т.д.

Обеспечение гальванической изоляции – задача, которая часто встречается во всех областях электроники от промышленной автоматики до медицинской техники. Ее применяют для различных целей: разделение цепей питания, разделение возвратных токов, согласование уровней напряжения, повышение уровня электромагнитной защищенности. При этом развязка необходима как для слаботочных схем, так и для силовых цепей.

Долгое время для гальванической изоляции применялись только оптроны, твердотельные реле, силовые и импульсные трансформаторы. Они имеют целый ряд достоинств, среди которых простота, надежность, низкая стоимость. По этой причине они по-прежнему широко распространены в сфере силовой и аналоговой электроники. Однако в области цифровых устройств их использование ограничено.

Современные малопотребляющие портативные цифровые устройства прежде всего требуют от электронных компонентов высокой рабочей частоты, компактности, низкого потребления и простоты использования. К сожалению именно этих качеств и не хватает оптронам и трансформаторам.

Для обеспечения гальванической развязки в быстродействующих цифровых приложениях был разработан новый класс устройств – цифровые изоляторы. В настоящий момент существует несколько компаний, обладающих технологиями для производства данного типа микросхем.

В первой части статьи анализируются недостатки оптронной гальванической развязки, обосновывается необходимость использования цифровых изоляторов, описываются наиболее известные технологии изоляции, приводится их качественное сравнение. Во второй части статьи дается обзор емкостных изоляторов компании Maxim Integrated:

• четырехканальных 2,75 кВ цифровых изоляторов MAX14930/1/2;
• четырехканальных 5 кВ цифровых изоляторов MAX14934/5/6;
• шестиканальных 72 В цифровых изоляторов с двунаправленными выводами MAX14842;
• шестиканальных 600 В цифровых изоляторов с двунаправленными выводами MAX14850.

Кроме того, рассматриваются изолированные RS-485/422 приемопередатчики:

• изолированные 2,75 кВ приемопередатчики со встроенным драйвером трансформатора MAX14853/55;
• изолированные 2,5 кВ приемопередатчики со встроенным драйвером трансформатора MAX3535E/ MXL1535E.

Анализ ограничений при использовании оптронов для изоляции цифровых цепей

Как было сказано выше, до появления цифровых изоляторов для гальванической развязки наиболее часто применялись оптроны. На первый взгляд сами оптроны достаточно просты в использовании. Однако для их согласования с цифровыми цепями требовались достаточно громоздкие схемы (рисунок 1). Такое решение имеет целый ряд недостатков.

Рис. 1. Согласование транзисторного оптрона с цифровыми цепями

Во-первых, относительная сложность схемной реализации. Цифровые выходы не всегда допустимо использовать для управления светодиодом, например – в случае маломощной низковольтной логики. Часто требуется дополнительный буфер.

Кроме того, необходим подтягивающий резистор и дополнительный логический буфер на выходе, без которого заваленные фронты и срезы могут вызывать ложные переключения цифровых схем.

Во-вторых, высокая потребляемая мощность. Для передачи логического нуля требуется питать входной светодиод. При этом на выходе также теряется мощность за счет протекания тока через открытый транзистор и подтягивающий резистор.

В третьих, низкая рабочая частота. Выходной транзистор обычного транзисторного оптрона работает по схеме с оборванной базой. В этом случае неизбежно увеличение времени на переключения. Рабочая частота оказывается низкой. Чтобы ее поднять, используется модификация оптрона с дополнительным выводом базы. Задавая дополнительное смещение базы, можно увеличить скорость переключения транзистора. Очевидно, что этот вариант приводит к негативным последствиям: увеличению потребляемой мощности и усложнению схемной реализации.

Входной диод также является достаточно медленным прибором, если не используется дополнительное смещение. Как и в случае с выходным транзистором, добавление цепей смещения приведет к усложнению схемной реализации и увеличению потребления.

В-четвертых, высокие значения задержек. Так как светодиод и фототранзистор являются достаточно инерционными приборами, то это неизбежно приводит к значительным задержкам распространения сигналов.

В-пятых, большие габариты. Из-за ограничений технологии изготовления и из-за необходимости изоляции отдельных каналов габариты оптронов оказываются достаточно большими. Например, в корпусе SOIC-8 помещается всего два оптрона. Если число каналов связи велико, то реализация оказывается громоздкой.

Новый класс цифровых изоляторов был призван устранить все перечисленные недостатки.

Обзор технологий цифровых изоляторов

С точки зрения пользователей цифровые изоляторы оказываются чисто цифровыми компонентами. Вся аналоговая «начинка» оказывается скрытой внутри корпуса (рисунок 2). Входной и выходной буфер, прямой и обратный преобразователи электрических сигналов, необходимые цепи согласования и смещения интегрированы в одном устройстве. В итоге на входе и выходе такого изолятора присутствуют цифровые сигналы.

Рис. 2. Блок-схема цифрового изолятора

Для обеспечения гальванической изоляции на передающей стороне необходимо преобразование электрического сигнала в неэлектрический (например, тока светодиода – в свет), а на приемной стороне обратное преобразование (например, света – в ток фототранзистора). Для этих целей используются прямой и обратный преобразователи (рисунок 2).

Существует несколько технологий, обеспечивающих прямое и обратное преобразование сигналов. Наиболее распространенными среди них стали оптическая, индуктивная и емкостная (рисунок 3).

Рис. 3. Технологии цифровых изоляторов

Оптические цифровые изоляторы. Это прямые наследники оптронов. В таких компонентах электрические сигналы преобразуются в свет с помощью светодиода, а потом вновь возвращаются в электрическую форму с помощью фотоэлемента. Эта схема очень проста. Она свободно передает как постоянную, так и переменную составляющую сигналов.

Простота схемы и наличие отработанной оптронной технологии привели к тому, что именно этот тип цифровых изоляторов исторически появился первым.

По сравнению с оптронами такие изоляторы имеют высокое быстродействие и просты в использовании. Однако от своих предшественников они унаследовали и некоторые недостатки: значительные габариты и высокое потребление. В большинстве случаев входным элементом таких компонентов остается светодиод, а, значит, входной сигнал не является цифровым. Впрочем, в ряде приложений этот факт скорее является плюсом и используется для преобразования двоичного аналогового сигнала в цифровой вид.

Индуктивные цифровые изоляторы. Как видно из названия, в таких компонентах используется электромагнитная индуктивная связь для передачи сигналов.

Для преобразования электрических импульсов в электромагнитное поле используются интегральные трансформаторы. Они могут реализовываться в виде плоских индуктивностей, расположенных друг над другом и разделенных полиамидным изоляционным слоем.

Очевидно, что при такой технологии возможна передача только переменной составляющей сигналов. По этой причине схема в обязательном порядке требует кодера на передающей стороне и декодера на принимающей. Кодер преобразует обычный цифровой сигнал в импульсную форму, а декодер его восстанавливает.

Есть несколько способов кодирования сигналов. Например, счетными импульсами: два импульса – фронт сигнала, один импульс – срез. Или за счет частотной модуляции: импульсы есть – единица, импульсы отсутствуют – ноль.

Некоторые производители перекладывают восстановление полноценного сигнала по импульсам на усмотрение пользователя. Другие же решают эту задачу самостоятельно, тогда на выходе присутствует обычный цифровой сигнал.

Емкостные цифровые изоляторы. В индуктивных изоляторах индуктивности разделены полиамидной пленкой. Это приводит к усложнению технологии изготовления, так как нельзя создать такой компонент в рамках одного технологического цикла. Емкостные изоляторы в этом плане более привлекательны за счет использования стандартной интегральной технологии.

Принцип работы емкостных изоляторов достаточно прост. Входные и выходные цепи разделены с помощью интегральных конденсаторов, а сигнал передается за счет ВЧ модуляции. Как и в случае с индуктивными изоляторами, передача постоянной составляющей сигналов здесь невозможна. Для восстановления сигнала требуется демодулятор.

Большинство крупных производителей имеет собственные запатентованные реализации указанных технологий. Каждая из них имеет достоинства и недостатки. Судить о них можно уже сейчас, если проанализировать характеристики конкретных изоляторов различных компаний.

Сравнение характеристик цифровых изоляторов различных производителей

Чтобы сравнить изоляторы различных производителей, необходимо определиться с наиболее важными характеристиками. Среди них стоит выделить:

• общее число каналов и их конфигурацию;
• количество однонаправленных входов и выходов;
• количество двунаправленных входов/выходов;
• значение задержек сигналов;
• максимальную частоту передачи данных;
• рейтинг напряжения изоляции;
• диапазон напряжений питания;
• уровень потребляемых токов;
• диапазон рабочих температур;
• доступные корпусные исполнения;
• стоимость.

Перед тем как начать анализ, стоит отметить, что он носит качественный характер и не несет в себе цели отыскать наилучшего производителя или идеальный цифровой изолятор. По сути, стоит задача сравнить возможности существующих на данный момент фирменных технологий. Для этих целей было проведен обзор линеек компонентов следующих компаний: Maxim Integrated, Analog Devices, Avago Technologies, Texas Instruments, Silicon Labs (таблица 1). Maxim Integrated, Texas Instruments и Silicon Labs используют емкостную технологию. Analog Devices и Avago Technologies производят индуктивные изоляторы.

Необходимо также подчеркнуть, что в таблице 1 представлены наилучшие значения по каждой отдельной характеристике по всей линейке каждого производителя. В каждой линейке есть представители с оптимизацией какого-то конкретного параметра (или параметров), например, быстродействия или потребления. Однако нет такого одного изолятора, который сочетал бы в себе все приведенные отличные характеристики.

Таблица 1. Сравнение параметров цифровых изоляторов различных производителей

Компания

Число каналов

Однонаправленные каналы

Двунаправленные каналы

Рейтинг Uизоляции, В

Uпит, В

Траб., °C

Корпус

Цена ($)*

Число каналов

Задер- жка сигнала (тип.), нс

Частота передачи данных, Мбит/с

Число каналов

Задер- жка сигнала (тип.), нс

Частота передачи данных, Мбит/с

Maxim Integrated

до 6

до 4

от 5

до 150

до 2

100

до 2

до 5000 VRMS

1,71…5,5

-40…125

SOIC, TQFN

от 1,60

Analog Devices

до 6

до 6

от 18

до 150

0

–

–

до 5000 VRMS

2,7…5,5

-40…125

SOIC, TSSOP, QSOP

от 1,70

Avago Technologies

до 4

до 4

от 12

до 110

0

–

–

до 2500 RMS

3,0…5,5

-55…125

SOIC, DIP

н/д

Texas Instruments

до 4

до 4

от 7

до 150

0

–

–

до 5700 VRMS

2,25…5,5

-55…125

SOIC, TSSOP

от 1,80

Silicon Labs

до 6

до 6

от 6

до 150

до 2

от 20

до 1,7

до 5000 VRMS

2,5…5,5

-40…125

SOIC, LGA, DIP, QSOP

н/д

* – цена для четырехканальных изоляторов в корпусе SOIC.

Анализ показывает отсутствие явного лидера, технология которого была бы на голову лучше, чем технологии конкурентов. У каждой фирмы есть коронные «номинации», в которых он занимает первое место. Говоря о представителях линейки Maxim Integrated, можно отметить несколько параметров, по которым они как минимум не уступают самым лучшим аналогам:

• до 6 изолированных каналов в одном корпусе;
• наличие до двух двунаправленных каналов;
• рекордно низкое значение задержек распространения для однонаправленных сигналов;
• максимальная частота передачи данных до 150 Мбит/с;
• рекордная частота передачи данных по двунаправленным каналам до 2 Мбит/с;
• рекордно широкий диапазон питающих напряжений 1,71…5,5 В.

Как было сказано выше, важной характеристикой изоляторов является их уровень потребления. Однако сравнение уровней потребления – достаточно тонкая задача. Это связано с тем, что каждый производитель по своему измеряет питающие токи. Maxim Integrated и Texas Instruments приводят зависимость значения тока от частоты при одном работающем канале. Analog Devices и Silicon Labs предоставляют аналогичную зависимость при всех активных каналах. Для компонентов от Avago Technologies в документации приводится расчетная формула.

Чтобы упростить себе задачу, сделаем ее более конкретной. Во-первых, будем рассматривать четырехканальные однонаправленные изоляторы с конфигурацией 4/0 (четыре входа, ни одного выхода): MAX14934 (Maxim Integrated), ADUM1400 (Analog Devices), Si8440 (Silicon Labs), ISO7240C/M (Texas Instruments), HCPL-900J (Avago Technologies)

Во-вторых, для тех изоляторов, для которых указано потребление с учетом всех каналов (ADUM1400 и Si8440), разделим приведенные значения на четыре. Конечно, это дает им некоторое преимущество, так как «накладные расходы» в виде питающих токов всей микросхемы в целом, оказываются разделенными между всеми каналами. Впрочем, данное исследование имеет качественный характер и такое упрощение вполне допустимо.

По результатам анализа можно смело утверждать, что и по уровню потребления представители Maxim Integrated показывают отличные результаты (рисунок 4). При этом по значению питающих токов первичной стороны изоляторы Maxim совсем немного уступают лидеру.

Рис. 4. Сравнение потребления 4-канальных изоляторов

Подводя итог данному разделу, следует сказать, что цифровые изоляторы Maxim Integrated по ряду параметров превосходят конкурентов и заслуживают более подробного рассмотрения.

Однонаправленные изоляторы от Maxim Integrated

В линейку однонаправленных цифровых изоляторов от Maxim Integrated входят два семейства MAX14930/1/2 и MAX14934/5/6.

Эти микросхемы позволяют обеспечить гальваническую развязку четырех каналов с различной конфигурацией входов/выходов: 4/0 для MAX14930 и MAX14934, 3/1 для MAX14931 и MAX14935, 2/2 для MAX14932 и MAX14936.

Ключевое отличие между семействами заключается в рейтинге напряжения изоляции.

MAX14930/1/2 имеют рейтинг 2,75 кВ (60 с), способны работать при постоянном смещении до 445 В (RMS) и выдерживать повторяющиеся импульсы до 630 В (амплитудное значение).

MAX14934/5/6 имеют рейтинг 5 кВ (60 с), уровень постоянного смещения до 848 В (RMS) и устойчивы к повторяющимся импульсам 1200 В (амплитудное значение).

Все MAX1493x соответствуют требованиям МЭК 61000-4-5 для уровня статических помех 10 кВ.

По остальным характеристикам семейства практически идентичны (таблица 2) и даже имеют полную совместимость по выводам (рисунок 5). Кроме того, они совместимы и с представителями конкурирующих фирм (например, с ADUM1400/1/2 и SO7240/1/2 в корпусах SOIC-16W) и в большинстве случаев могут заменить их в уже готовых устройствах.

Рис. 5. Расположение выводов MAX14930/1/2 и MAX14934/5/6

Следует особо подчеркнуть наиболее значимые преимущества MAX1493x:

• рекордно низкие значения задержки сигналов от 5 нс;
• высокие скорости передачи данных до 150 Мбит/с;
• высокие значения напряжения изоляции 2,75 и 5 кВ;
• рекордно широкий диапазон питающих напряжений 1,71…5,5 В.

Последний факт чрезвычайно важен, так как он позволяет использовать эти изоляторы совместно со всеми типами микроконтроллеров и ПЛИС вне зависимости от значения напряжения их логических уровней.

С помощью MAX1493x можно организовать изоляцию большинства популярных высокоскоростных интерфейсов с жестко заданным направлением сигнальных линий, в том числе SPI, RS-485/422, RS-232 (рисунок 6).

Рис. 6. Пример использования MAX14932/6 для гальванической развязки RS-232

Если требуется развязать двунаправленные интерфейсы, например I2C, следует обратить внимание на изоляторы MAX14842 и MAX14850.

Двунаправленные изоляторы от Maxim Integrated

Цифровые изоляторы MAX14842 и MAX14850 позволяют обеспечить гальваническую развязку шести цифровых линий (таблица 2). При этом они имеют четыре однонаправленных (2/2) и два двунаправленных канала (рисунок 7).

Рис. 7. Структура цифровых изоляторов MAX14842 и MAX14850

Таблица 2. Характеристики цифровых изоляторов от Maxim Integrated

Наимено-вание	Число каналов	Однонаправленные каналы				Двунаправленные каналы			Рейтинг напря-жения изоляции, В	Uпит, В	Траб, °C	Корпус
		Число каналов на стороне A	Число каналов на стороне B	Задержка сигнала (тип.), нс	Частота передачи данных, Мбит/с	Число каналов	Задер-жка сигнала, нс	Частота передачи данных, Мбит/с
MAX14930	4	4	0	38/21/5	1/25/150	0	–	–	2750 VRMS	1,71…5,5	-40…125	SOIC16-W, SOIC16-N
MAX14931	4	3	1						2750 VRMS
MAX14932	4	2	2						2750 VRMS
MAX14934	4	4	0	38/21/5	1/25/150	0	–	–	5000 VRMS	1,71…5,5		SOIC16-W
MAX14935	4	3	1						5000 VRMS
MAX14936	4	2	2						5000 VRMS
MAX14842	6	2	2	30	30	2	100	2	72 VDC	3,0…5,5		TQFN16
MAX14850	6	2	2	30	50	2	100	2	600 VRMS	3,0…5,5		QSOP16 SOIC16-N

Анализ структуры MAX14842 и MAX14850 показывает, что для создания двунаправленных каналов используется пара: входной + выходной буфер на каждой стороне. При этом выходные буферы имеют выход типа открытый коллектор и требуют внешней подтяжки. Для предотвращения защелкиваний входной буфер выполнен таким образом, чтобы его уровень логического нуля всегда был бы как минимум на 50 мВ ниже, чем уровень логического нуля выходного буфера.

MAX14842 выпускается в корпусе 16 TQFN-EP. Он способен работать при смещениях до 72 В и скоростях передачи однонаправленных каналов до 30 Мбит/с.

MAX14850 выпускается в корпусе 16 SOIC/QSOP. Его рейтинг изоляции составляет 600 В RMS (60 c), а рабочее напряжение смещения равно 200 В RMS. Скорость передачи данных по однонаправленным каналам достигает 50 Мбит/с.

Рис. 8. Пример построения гальванически развязанного I2C

Двунаправленные каналы имеют рекордное среди конкурентов значение частоты передачи данных до 2 Мбит/с. Это позволяет осуществлять гальваническую развязку двунаправленных интерфейсов, в том числе и высокоскоростного I2C (рисунок 8).

Рис. 9. Пример построения гальванически развязанного SPI

Стоит отметить, что с помощью MAX14842 и MAX14850 легко создавать и другие изолированные интерфейсы: SPI (рисунок 9), RS-485/422 (рисунок 10). Такая широта возможностей важна для мелкосерийных и среднесерийных производителей, так как можно иметь одну микросхему на все случаи жизни, тем самым сокращая номенклатуру используемых компонентов.

Рис. 10. Пример построения гальванически развязанного RS-485/422

Представленные серии изоляторов являются универсальными. Если требуется получить максимально компактное решение, следует обратить внимание на микросхемы изолированных интерфейсов. Они содержат в одном корпусе гальваническую развязку и приемопередатчик. Ярким примером такой интеграции выступают изолированные RS-485/422 приемопередатчики MAX14853/55 и MAX3535E/MXL1535E. Рассмотрим их подробнее.

Изолированные приемопередатчики RS-485/RS-422 MAX14853/MAX14855

Микросхемы MAX14853/55 и MAX3535E/MXL1535E представляют собой изолированные RS-485/422 приемопередатчики (таблица 3). Одной из их особенностей является наличие интегрированного драйвера внешнего трансформатора для создания источника питания вторичной стороны.

Таблица 3. Характеристики изолированных приемопередатчиков RS-485/422

Наимено-вание	Tx/Rx	Тип передачи	Частота передачи данных, кбит/с	Рейтинг напряжения изоляции, В	ESD, ±кВ	Число приемо-передатчиков на шине	Uпит, В	Iпотр (тип), мА	Корпус	Траб, °C
MAX14853	1Tx + 1Rx	Дуплекс	500	2750	35	128	3,0…5,5	4,7	SOIC16-W	-40…105
MAX14855	1Tx + 1Rx	Дуплекс	25000	2750	35	128	3,0…5,5	4,7	SOIC16-W
MAX3535E	1Tx + 1Rx	Дуплекс	1000	2500	15	256	3,0…5,0	16	SOIC28-W	-40…105, 0…70
MXL1535E	1Tx + 1Rx	Дуплекс	1000	2500	15	256	4,5…5,5	16	SOIC28-W

MAX14853/55 имеют в своем составе несколько основных блоков: изолятор, RS-485/422 приемопередатчик, драйвер трансформатора и стабилизатор напряжения (рисунок 11).

Рис. 11. Структура изолированных приемопередатчиков RS-485/422 MAX14853/55

Стабилизатор на вторичной стороне может быть использован для питания как самой микросхемы, так и других компонентов на печатной плате. Его номинальное напряжение равно 3,3 В, а предельный ток 300 мА.

Стоит отметить отличные изоляционные свойства MAX14853/55. Рейтинг напряжения изоляции для них составляет 2,75 кВ (60 с), допустимое постоянное смещение напряжения составляет 445 В RMS, а повторяющее пиковое достигает 630 В. Выходные каналы приемопередатчика устойчивы к статическим разрядам ±35 кВ (HBM).

Характеристики приемопередатчиков также впечатляют. Если MAX14853 имеет максимальную рабочую частоту 500 кбит/с, то для MAX14855 она достигает 25 Мбит/с. Число устройств на шине для обоих приемопередатчиков ограничено 128.

MAX3535E/MXL1535E схожи с предыдущими микросхемами приемопередатчиков, но имеют некоторые отличия, в том числе и в структуре (рисунок 12). Например, встроенный регулятор не имеет выхода и используется только для нужд самой микросхемы. Зато появилась возможность контролировать скорость нарастания выходных импульсов с помощью входа SLO. Это необходимо для снижения уровня собственных помех. Если вывод SLO подтянут к земле, то скорость ограничена частотой 400 кБит/с. Для работы на частотах до 1 Мбит/с SLO следует оставить неподключенным.

Рис. 12. Структура изолированных приемопередатчиков RS-485/422 MAX3535E/MXL1535E

В MAX3535E/MXL1535E появилась возможность слушать шину на вторичной стороне благодаря выходу приемопередатчика RO2.

Достоинством приемопередатчиков является возможность определения обрывов и коротких замыканий на шине.

Отличия между MAX3535E и MXL1535E заключается в диапазонах питающих напряжений.

Как говорилось выше, приемопередатчики MAX14853/55 и MAX3535E/MXL1535E имеют встроенные драйверы внешнего трансформатора для создания источника питания вторичной стороны. При этом схема оказывается достаточно простой и требует всего нескольких дополнительных компонентов (рисунок 13).

Рис. 13. Пример реализации изолированного интерфейса RS-485

Заключение

Емкостные цифровые изоляторы от Maxim Integrated по многим параметрам превосходят характеристики конкурентов. Среди наиболее значимых преимуществ можно отметить:

• максимальное число каналов: до 6 (MAX14842 и MAX14850);
• наличие до двух двунаправленных каналов(MAX14842 и MAX14850);
• рекордно низкое значение задержек распространения для однонаправленных сигналов;
• максимальная частота передачи данных: до 150 Мбит/с (MAX14930/1/2 и MAX14934/5/6);
• рекордная частота передачи данных по двунаправленным каналам: до 2 Мбит/с (MAX14842 и MAX14850);
• рекордно широкий диапазон питающих напряжений: 1,71…5,5 В (MAX14930/1/2 и MAX14934/5/6).

Данные изоляторы позволяют обеспечивать гальваническую развязку, в том числе для наиболее распространенных интерфейсов: SPI, RS-485/422, RS-232, I2C (MAX14842 и MAX14850).

Для получения максимально компактных решений следует использовать специализированные изолированные RS-485/422 приемопередатчики MAX14853/55 и MAX3535E/MXL1535E. Одной из их отличительных черт является наличие встроенных драйверов внешнего трансформатора для создания источника питания вторичной стороны.

Литература

1. Сергей Пичугин. Преимущества применения сдвоенного емкостного барьера в новых цифровых изоляторах Texas Instruments. – Новости электроники, №14, 2008;
2. David Krakauer. Anatomy of a Digital Isolator. – Analog Devices, Inc. 2011;
3. Дмитрий Иоффе. Обзор скоростных цифровых изоляторов с передачей данных через магнитное поле, «Компоненты и технологии» №2, 2006;
4. APPLICATION NOTE 3776. Considerations for Selecting an RS-485 transceiver in Electronic Power Meters. – Maxim Integrated, 2006;
5. http://www.maximintegrated.com/.

Новые 4-канальные цифровые изоляторы с барьером 2,75 и 5 кВ

Компания Maxim Integrated представляет новые семейства изоляторов цифровых сигналов MAX14930/1/2 и MAX14934/5/6 со стандартным расположением выводов. Семейство MAX14934/5/6 разработано для приложений, требующих высокого уровня изоляции, и обеспечивает изоляционный барьер 5 кВrms (в течение 60 с). Для приложений, не требующих высокой степени изоляции, рекомендуется применять изоляторы семейства MAX14930/1/2 с изоляцией до 2,75 кВ. Оба семейства обеспечивают заявленный уровень изоляции в широком температурном диапазоне -40…125°C.

Новые изоляторы предлагают все возможные варианты конфигураций каналов, что позволяет подобрать изолятор под все популярные интерфейсы и применения, например, UART, SPI, цифровые входы/выходы и так далее. Для применений, где требуется наличие двунаправленных каналов и не требуется обеспечение высокого уровня гальванической изоляции, можно рассматривать MAX14842/MAX14850.

Отличительными особенностями этих семейств являются широкий диапазон питающих напряжений (1,71…5,5 В), низкое значение задержки распространения сигнала, минимальная межканальная разница задержек распространения сигнала и низкое значение энергопотребления.

В обоих семействах доступны модели со скоростями передачи данных 1…150 Мбит/с и со всеми комбинациями начальных состояний выходов. Микросхемы выпускаются в стандартных корпусах SOIC-16 (10,3х7,5 мм) и TQFN-16 (MAX14842).

Для оценки эффективности изолятора MAX14850 поставляется оценочная плата MAX14850EVKIT#.

Анатомия цифровых изоляторов

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 I 2 C.

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.