Введение
Электроника измерительной системы может нуждаться в защите от высокого напряжения на датчике. Например, если от электронного оборудования требуется повышенная безопасность, необходимо обеспечить гальваническую развязку для предотвращения возникновения электрической искры в аварийном режиме и воспламенения горючих газов, например, в оборудовании шахт.
Иногда наоборот требуются повышенная электробезопасность и надежная изоляция контролируемого объекта от электрической сети. В медицине, например, при снятии сигнала электрокардиограммы (ЭКГ) защита требуется в обоих направлениях. Пациент должен быть защищен от удара электрическим током в случае какой-либо неисправности оборудования. С другой стороны, если у него происходит остановка сердцебиения, то для восстановления сердечного ритма реанимационная бригада подвергает пациента высоковольтным разрядам с помощью дефибриллятора, поэтому аппарат ЭКГ и другая подключенная аппаратура должны быть защищены от высокого напряжения с помощью гальванической развязки.
Кроме того, гальваническая развязка сигнальной цепи во многих случаях служит средством разрыва общей петли заземления, когда даже минимальное сопротивление между двумя системами заземления может привести к появлению неприемлемого по величине сигнала помехи. Такое может быть в прецизионной измерительной системе, где ток величиной в несколько миллиампер, протекающий через цепь заземления с сопротивлением в несколько тысячных долей Ома, может вызвать разность потенциалов в цепи заземления в несколько сотен микровольт, что приведет к снижению точности измерений. В таких случаях гальваническая изоляция источника сигнала способствует увеличению точности системы. Также такое может произойти в промышленных установках, где ток в тысячи ампер может вызвать напряжение на заземлении в сотни вольт и не только ухудшить точность системы, но и вообще вывести из строя аппаратуру.
Гальваническая изоляция может быть реализована за счет магнитного поля (на трансформаторе), электрического поля (с помощью конденсатора) или света (с помощью оптической развязки). Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Но для всех типов развязки обычно требуется изолированный источник или батарея для питания изолированной части прибора. Его нетрудно обеспечить совместно с передачей сигнала в тех изолирующих усилителях, где используется трансформаторная изоляция. Но если используются другие методы развязки, то может потребоваться отдельный преобразователь с гальванической развязкой на трансформаторе (DC/DC-converter), что приведет к увеличению стоимости прибора.
Гальваническое разделение цепей
На рис. 1 показана упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей. На входах и на шине питания установлены защитные TVS-диоды, корпус заземлен. Поскольку современные TVS-диоды имеют очень малую паразитную емкость, их можно подключать к сигнальным линиям с высокоскоростными сигналами. Они способны защитить систему от импульсов мощностью несколько киловатт и длительностью всего несколько пикосекунд.
Рис. 1. Упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей
Другими словами, эти диоды при превышении порогового напряжения замыкают входную цепь накоротко на землю, удерживая на входе безопасное напряжение. При этом они могут в течение короткого времени длительностью несколько микросекунд (напомним, что стандартный испытательный импульс имеет форму 8/20 или 10/1000) проводить токи величиной несколько сотен ампер. Такие замечательные свойства диодов позволяют хорошо защищать схему от повреждения, но в то же время создают проблемы для помехоустойчивости из-за протекания большого импульсного тока по общей земле.
В значительной степени решить эту проблему можно за счет гальванического разделения цепей. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей показана на рис. 2. В данном случае входные тракты системы и ее питание отделены от центральной части системы гальваническим барьером. Обе части системы имеют разное заземление. Входная часть системы использует «плавающее» заземление ISO GND. Между этими землями существует паразитная емкость, представляющая собой сумму всех паразитных емкостей между изолированными частями.
Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей
При воздействии всплесков напряжения на входную часть системы это напряжение прикладывается и к изолирующему барьеру. Через проходную емкость этого барьера и паразитную емкость между землями короткие пики напряжения и тока проходят в изолированную часть системы. Избавиться от этого эффекта нельзя, но уменьшить его вполне возможно. Для этого между землями необходимо включить высоковольтный конденсатор СISO как это показано на рис. 2.
Рис. 3. Эффект от включения конденсатора СISO
Эффект от включения конденсатора СISO, иллюстрируется на рис. 3, на котором показаны результаты симулирования в случае приложения к входу электростатических разрядов с формой импульса10/100 и амплитудой 8 кВ (рис. 3а) и амплитудой 4 кВ (рис. 3б). Как и следовало ожидать, дополнительный конденсатор уменьшает амплитуду импульса и «заваливает» его фронт. Причем чем больше емкость этого конденсатора, тем более выражен данный эффект.
Не менее интересны и результаты сравнения неизолированной и изолированной системы при протекании быстрого переходного процесса во входной линии. Результаты моделирования для этого случая при импульсе напряжения 1 кВ показаны на рисунке 4. В этом случае эффект применения конденсатора СISO также предсказуем — заметно уменьшается амплитуда тока и длительность его протекания. Более подробно ознакомиться с результатами испытаний и с обсуждением того, как влияет емкость и сопротивление изоляционного барьера, можно, например, в .
Рис. 4. Результаты моделирования при импульсе напряжения 1 кВ
В любом случае следует иметь в виду, что использование гальванического разделения входных цепей системы от ее центральной части заметно снижает влияние всплесков перенапряжений, возникающих на входе из-за быстрых переходных процессов, электростатических разрядов и мощных помех. Причем чем меньше значение проходной емкости, тем больше эффект от применения гальванической развязки.
Введение дополнительного конденсатора СISO помогает уменьшить влияние внешних воздействий. Выбор величины емкости зависит от условий эксплуатации. В рассмотренных выше случаях (рис. 3–4) емкость конденсатора СISO по-разному влияла на изменение во времени токов и напряжений, протекающих через TVS-диоды, что объясняется разными условиями проведения испытаний на стойкость к электростатическому разряду и к переходным процессам на входных сигнальных линиях.
Методы развязки по питанию
Трансформаторы
Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.
Рисунок 1 – Ассортимент SMD трансформаторов
Конденсаторы
Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.
Рисунок 2 – Пример использования конденсаторов для создания развязки
Применение
Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. Прибор, обеспечивающий развязку, искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую. В качестве такого прибора может использоваться разделительный трансформатор или оптрон. В обоих случаях цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.
Гальваническая развязка цифрового сигнала
Если АЦП применяется для измерения сигнала постоянного тока (тензодатчики в электронных весах, датчики давления, датчики температуры и т.п.) и скорость цифрового потока невысока, то лучше применить гальваническую развязку не аналогового, а цифрового сигнала — это гораздо дешевле и эффективнее. Для создания простого и недорогого цифрового изолирующего барьера можно использовать оптопары. Как показано на рис. 3, развязку для микросхемы АЦП AD7714 можно реализовать всего на трех оптопарах.
Рис. 3. Изолированный трех-проводной интерфейс типа SPI
Тем не менее в такой схеме, конечно, необходим дополнительный источник питания, что усложняет схему и делает ее более дорогостоящей. Обычно в качестве источника питания для изолированной части схемы используются DC/DC-конвер-торы с гальванической развязкой — это готовые гибридные модули, содержащие трансформатор и схемы модуляции и демодуляции. Они широко представлены на рынке компонентов и выпускаются многими производителями.
В такой схеме DC/DC-конвертор является обычно самым громоздким элементом, он занимает самый большой объем и обычно является одним из самых ненадежных и дорогостоящих элементов схемы. Но зато DC/DC-конверторы являются готовыми к применению компонентами, к тому же это обычно сертифицированные приборы, — все это весьма способствует сокращению времени выхода продукции на рынок.
Кроме того, необходимо учитывать следующий аспект: использование оптопар, которые обычно имеют относительно небольшие скорости спада и нарастания сигнала, может привести к проблемам, даже если тактовые импульсы имеют невысокую частоту.
Логические входы КМОП, такие как SCLK или DIN в микросхемах семейства AD771x, разработаны для подачи на них логических сигналов, то есть либо логического нуля, либо логической единицы. В этих состояниях входы потребляют или отводят минимальный ток. Однако когда входное напряжение находится в промежутке между логическим нулем и логической единицей (от 0,8 до 2,0В), логический вход выдает несколько больший ток. Если используются оптопары, имеющие относительно низкую скорость нарастания и спада сигнала, то в течение дополнительного времени, пока сигнал находится в промежутке между нулем и единицей, будет проходить значительный ток, микросхема будет нагреваться и среднее энергопотребление повысится.
Кроме того, медленное пересечение напряжением порога логического входа и присутствие шумов может привести к тому, что одиночный фронт тактового импульса будет воспринят логикой преобразователя как несколько тактовых импульсов. Поэтому, чтобы предотвратить эти многократные пересечения порога, линии SCLK, идущие от оптоизоляторов к АЦП семейства AD771x, необходимо буферировать с помощью триггера Шмитта. В то же время в преобразователях семейства AD779x вход SCLK имеет встроенный триггер Шмитта, так что для AD779x описанная проблема отпадает. В технических описаниях (datasheet) микросхем семейства AD779x специально оговаривается, что вход SCLK пригоден для управления от оптопары. В любом случае, инженер-разработчик должен знать о существовании такой проблемы и быть к ней готовым.
Методы изоляции сигналов
Оптоизоляторы
Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.
Рисунок 3 – Схема типового оптоизолятора
Датчик Холла
Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли – это датчики тока.
Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник
Возможно, вам также будет интересно
Как правило, в технической литературе и публикациях на тему импульсных преобразователей вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) рассматриваются по факту уже выбранного технического решения с предложением тех или иных рекомендаций. Однако наибольший интерес для разработчиков представляет сравнение одинаковых в своем базовом исполнении изделий и их оценка на предмет выполнения требований ЭМС путем комплексного исследования влияния тех или
В настоящее время все больше внимания уделяется проблемам негативного влияния на человека электромагнитных полей (ЭМП) и радиоизлучений. Электромагнитные поля — это особая форма существования материи, характеризующаяся совокупностью электрических и магнитных свойств. Электромагнитные поля окружают нас повсюду, но мы не можем их почувствовать и вообще заметить, поэтому мы не видим излучений милицейского радара и полей, наводимых
Несмотря на то, что в рамках одной статьи невозможно обсудить все вопросы проектирования изделий, мы попытаемся описать наиболее часто встречающиеся проблемы, которые были выявлены в сотнях устройств. К этим вопросам относятся неправильно разработанные печатные платы, использование кабелей, экранирование и фильтрация.
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 (рис. 7). 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.
Рис. 7. Схема HCPL-450 с паразитными емкостями
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.
Заключение
Гальваническая развязка (изоляция) – это разделение электрических систем/подсистем, в которых может протекать не постоянный ток, и которые могут иметь различные потенциалы земли. Развязку можно разделить на основные категории: по питанию и по сигналу. Существует несколько способов достижения развязки, и в зависимости от требований к проекту некоторые методы могут быть предпочтительнее других.
Практический пример
Рисунок 5 – Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PW
На схеме выше несколько трансформаторов и оптоизолятор используются для создания импульсного источника питаний, который используется в устройствах Ethernet PD (Powered Device, питаемое устройство). Разъем J2 имеет внутренние магниты, которые изолируют всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют источник питания (слева от красной линии) от стабилизированного выхода 3,3 В (справа от красной линии).
