El aislamiento digital ofrece soluciones compactas y de bajo coste para los problemas de diseño más complejos

Introducción

Para los diseñadores de sistemas aislados, los rápidos avances en la tecnología de aislamiento digital ofrecen nuevas capacidades que simplifican enormemente su trabajo. Por ejemplo, las fuentes de alimentación integradas y aisladas y los canales de aislamiento verdaderamente bidireccionales pueden reducir los costes del sistema y ahorrar espacio en la placa de circuito impreso. Estos avances se ven impulsados por el paso de los optoacopladores LED a nuevas tecnologías de aislamiento compatibles con los procesos CMOS estándar de las fundiciones. Esto permite empaquetar los CI con microtransformadores a escala de chip, lo que permite integrar más funcionalidad en un solo paquete.

Este artículo analiza dos tipos de dispositivos que incorporan estos avances. En el primer ejemplo, energía aisladalos microtransformadores a escala de chip se complementan con interruptores, rectificadores y reguladores para producir un convertidor CC-CC aislado y regulado; cuando se integra con canales de datos aislados, proporciona una solución de aislamiento completa. En el segundo ejemplo, aislamiento bidireccionalla integración de los búferes y controladores necesarios permite crear un aislador que tiene canales de aislamiento verdaderamente bidireccionales, sin necesidad de acondicionamiento externo de la señal.

Fuente de alimentación aislada isoPotencia

El aislamiento galvánico se utiliza para transmitir datos y/o energía a través de una barrera de seguridad, a la vez que se bloquea el flujo de carga o corriente a través de dicha barrera. Productos de Analog Devices iAcoplador® familia de aisladores digitales utiliza microtransformadores a escala de chip para proporcionar un aislamiento rentable y que ahorra espacio iLa tecnología del acoplador se introdujo en «iAisladores digitales con acoplador para proteger los buses RS-232, RS-485 y CAN en aplicaciones industriales, de instrumentación e informáticas» (Diálogo analógico 39-10, octubre de 2005).

La figura 1 muestra un aislador digital de 4 canales, que aloja tres dados en un solo paquete. Dos circuitos de interfaz CMOS (izquierda y derecha) integran accionamiento y recibir electrónica. El dado central contiene cuatro microtransformadores a escala de chip, cada uno de los cuales comprende bobinas metálicas (AlCu y Au) a ambos lados de una capa aislante de poliimida de 20 μm. La poliimida es capaz de soportar más de 5 kV rms durante un minuto.

Figura 1: Construcción de iAcoplador digital aislante.

Desgraciadamente, en la mayoría de las aplicaciones que requieren una transmisión de datos aislada, la energía aislada debe estar disponible a ambos lados de la barrera de aislamiento, o debe proporcionarse por separado. Los diseñadores de sistemas suelen introducir la energía aislada diseñando una fuente de alimentación aislada con componentes discretos, incluido un transformador con la relación de aislamiento adecuada, o comprando un convertidor CC-CC aislado disponible en el mercado.

Cada enfoque tiene sus ventajas e inconvenientes. En el primer caso, las fuentes de alimentación aisladas pueden adaptarse a una aplicación, lo que permite a los diseñadores de sistemas optimizar su coste, la relación de aislamiento, la potencia de salida u otras especificaciones importantes para adaptarse a los requisitos de la aplicación. El inconveniente, sin embargo, es que las soluciones personalizadas suelen ser engorrosas, requieren una certificación de seguridad y pueden aumentar el tiempo de desarrollo.

Por otro lado, las fuentes de alimentación aisladas disponibles en el mercado pueden reducir el tiempo de comercialización, pero conllevan una penalización en el precio y pueden no estar optimizadas para adaptarse a una aplicación concreta. Aunque son más pequeños que sus homólogos personalizados, siguen siendo bastante voluminosos, con una disponibilidad limitada de opciones de cajas de montaje en superficie.

Una tercera forma es isoPotencia, que combina las ventajas de ambas opciones iLos aislantes digitales de los acopladores acondicionan y conducen los datos a través de los transformadores, como se describe en el artículo «Aisladores digitales de alta velocidad mediante transformadores en chip a microescala.» isoLa potencia utiliza la misma tecnología de microtransformadores a escala de chip, pero en lugar de transmitir sólo datos, isoLa fuente de alimentación utiliza interruptores, rectificadores y reguladores para generar una fuente de alimentación que esté aislada en la misma medida que los canales de datos.

La figura 2 muestra la sección de alimentación aislada del ADuM5240, el ADuM5241 y el ADuM5242, el primero iProductos de acoplamiento con isoAlimentación. Cuatro interruptores CMOS acoplados en cruz generan una forma de onda de CA que alimenta el transformador. En el lado aislado, los diodos Schottky rectifican la señal de CA. La señal rectificada se alimenta a un regulador lineal, que mantiene la tensión de salida en un valor nominal de 5 V. La eficiencia puede mejorarse en gran medida dejando caer uno de los canales de aislamiento para proporcionar retroalimentación a través de la barrera de aislamiento a los interruptores del transformador.

Figura 2
Figura 2 isoEl aislador de potencia digital implementa la potencia aislada.

La figura 3 muestra los transformadores utilizados en la familia ADuM524x. Los microtransformadores a escala de chip se fabrican con oro de 6 µm de grosor, separado por una capa aislante de poliimida de 20 µm, que es capaz de proporcionar un aislamiento superior a 5 kV rms. Como las bobinas del transformador, de sólo 600 μm de diámetro, tienen una relación L/R baja en comparación con los transformadores convencionales, la generación de energía de alta eficiencia requiere una conmutación de alta frecuencia, del orden de 300 MHz.

Figura 3
Figura 3: Microtransformadores a escala de chip.

Como ya hemos dicho, los transformadores utilizados para generar energía utilizan el mismo proceso que los utilizados para aislar los datos. La única diferencia significativa entre los canales de datos y de potencia es el circuito de acondicionamiento que hay a ambos lados de la barrera de aislamiento.

isoEjemplo de poder

Al combinar los datos y la potencia en un único y pequeño encapsulado de montaje en superficie, la familia ADuM524x ofrece un importante ahorro de tamaño y coste. La figura 4 muestra las configuraciones físicas típicas de las interfaces SPI aisladas. El sitio iAcoplador yisoLa solución de alimentación (Figura 4a) utiliza un ADuM5240 y un ADuM1201 para proporcionar cuatro canales de datos aislados y hasta 50 mW de potencia aislada, lo que es suficiente para alimentar un ADC y un sensor remoto. Esta solución es más compacta y menos costosa que el enfoque tradicional que utiliza tres optoacopladores y un convertidor CC-CC aislado (Figura 4b). Una tercera solución, con transformadores discretos y otros componentes, consumiría aún más superficie. Otras combinaciones de ADuM524x isoPotencia y ADuM120x iSon posibles los productos de acoplamiento, así como las combinaciones de ADuM524x y la mayoría de los demás iProductos de acoplamiento.

Figura 4
Figura 4: Interfaz SPI aislada mediante iTecnología del acoplador (a) y del optoacoplador (b).

El pequeño tamaño y el bajo coste de una solución isoPower abre nuevas posibilidades de colocación y distribución de sensores aislados y reduce el coste de las soluciones existentes, lo que permite una mayor adopción de los sensores aislados.

Un buen ejemplo son los sensores de turbidez, que miden la cantidad de partículas en una solución líquida y pueden utilizarse para determinar la limpieza de un volumen de agua. Se utilizan cada vez más en los electrodomésticos, como los lavavajillas y las lavadoras, tanto para ahorrar agua como para mejorar el rendimiento de la limpieza. Los aparatos convencionales lavan o aclaran durante un tiempo determinado, sobrestimando el nivel de limpieza necesario para garantizar que la carga esté completamente limpia al final del ciclo. Sin embargo, un sensor de turbidez puede indicar al sistema cuándo debe dejar de limpiar. La máquina utilizará la cantidad óptima de agua durante el tiempo óptimo, minimizando el desperdicio y maximizando el rendimiento útil de la limpieza.

Como los sensores de turbidez deben estar sumergidos en el agua, presentan dos retos para el diseñador de dispositivos. En primer lugar, el sensor debe ser lo suficientemente pequeño como para caber discretamente en cualquier lugar del espacio donde se vaya a colocar la ropa o la vajilla. Por tanto, el tamaño del sensor es esencial. En segundo lugar, el circuito alimentado está sumergido en el agua, por lo que el sensor debe estar aislado de forma segura del resto del sistema. Si el aislamiento físico falla, el usuario y la electrónica del sistema no deben sufrir daños, y no debe haber posibilidad de incendio. Por lo tanto, la energía y los datos deben estar aislados.

El diagrama de bloques de la Figura 5 muestra una solución rentable. El ADC de bajo consumo AD7823 utiliza una interfaz de 3 hilos para convertir la salida analógica de un sensor de turbidez. Los datos de turbidez digitalizados se transmiten a través de la barrera de aislamiento galvánico del ADuM1200 y del ADuM5242. Los 50 mW de potencia aislada del ADuM5242 son suficientes para alimentar el ADuM1200, el AD7823 y el sensor de turbidez. La superficie combinada de los aislantes y el convertidor es inferior a 100 mm2excluyendo los componentes externos.

Figura 5
Figura 5: Sensor de turbidez aislado.

Aislamiento bidireccional

En el aislamiento, el término bidireccional se ha referido tradicionalmente a un aislante con transmite y recibir el aislador en su conjunto es capaz de transferir datos bidireccionalmente, pero los canales individuales son unidireccionales. Este enfoque es compatible con protocolos de comunicación como RS-232, RS-485 y SPI, pero no es compatible con verdaderos protocolos de comunicación bidireccionales, como I2C®sMBus y PMBus, que admiten la transferencia de datos bidireccional a través de un único canal. El aislamiento bidireccional y el unidireccional se comparan en la figura 6.

Figura 6
Figura 6: Aislamiento bidireccional frente a aislamiento unidireccional.

El circuito integrado (I2El bus C) es un popular protocolo de comunicación bidireccional de 2 hilos que se desarrolló para proporcionar una comunicación sencilla, barata y de corto alcance entre un controlador integrado y sus periféricos. I2Los buses C limitan el coste de las aplicaciones en las que varios dispositivos comparten un único bus con un controlador anfitrión, como se muestra en la Figura 7. Se utilizan dos hilos bidireccionales -uno para los datos y otro para el reloj- para conseguir un bajo coste a costa de la velocidad de datos, por lo que I2C se suele utilizar en sistemas con muchos dispositivos que funcionan a velocidades de datos inferiores a 1 Mbps. Los sistemas que utilizan un número limitado de dispositivos que operan a velocidades de datos más altas suelen utilizar protocolos como el SPI.

Figura 7
Figura 7. EL I2El bus C proporciona las comunicaciones entre el host y los periféricos.

El I-bus2C El reto del aislamiento ha sido que los optoacopladores se basan en diodos que sólo pueden transmitir en una dirección, por lo que son inherentemente unidireccionales. Una I bidireccional2El bus C podría aislarse mediante optoacopladores, pero la implementación no es bonita (Figura 8a). Se utiliza un búfer especial para separar cada canal bidireccional en dos canales distintos transmite y recibir. Una vez separados, los cuatro canales unidireccionales pueden aislarse individualmente y luego recombinarse. Esta solución requiere cuatro aisladores y aumenta el bus de dos a cuatro hilos. También se necesitan circuitos adicionales, lo que hace que esta solución sea cara y voluminosa, y anula el propósito original de implementar el bus de dos hilos: ahorrar dinero y espacio.

Figura 8
Figura 8 iEl acoplador simplifica el aislamiento bidireccional.

La buena noticia es que, adoptando nuevas técnicas de aislamiento digital, los circuitos utilizados para separar, aislar y recombinar los canales de datos pueden integrarse en un único paquete. Este enfoque se puede implementar con los nuevos ADuM1250 y ADuM1251 de doble I2Aisladores C. La figura 8b ilustra la medida en que iLa solución del acoplador es.

La figura 9 muestra cómo se consigue el aislamiento bidireccional en la caja. Al igual que la solución discreta utiliza un buffer para separar los dos canales bidireccionales en cuatro canales unidireccionales y cuatro aisladores, el ADuM125x también lo hace. La diferencia es que toda la electrónica está integrada en un único CI. Un diseñador sólo ve la interfaz de 2 hilos y todo el dispositivo mide menos de 40 mm2se trata de una reducción del 90% en comparación con la solución de optoacoplador/buffer, que ocupa unos 350 mm2.

Figura 9
Figura 9: Aislamiento bidireccional con el ADuM1250.

Futuras soluciones de aislamiento

Como ilustran estos ejemplos, el aislamiento digital sigue ofreciendo soluciones simplificadas y novedosas a problemas de diseño difíciles. Esto es posible a bajo coste gracias al uso de procesos de fundición estándar que permiten la integración de características que no suelen encontrarse en las soluciones de aislamiento convencionales. En un futuro próximo, podemos esperar nuevos avances, con isoPower se están incorporando a un número cada vez mayor de aplicaciones de aislamiento; y también podemos esperar ver otras soluciones innovadoras para aislar autobuses más complejos que I2C.

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