Interfaces LVDS con aislamiento galvánico | Analog Devices

En la era de la automatización, la digitalización y la Industria 4.0, la transmisión de señales y datos desempeña un papel cada vez más importante. La conexión en red de máquinas, sistemas e incluso sensores individuales que tiene lugar en estas aplicaciones, tanto dentro como fuera de la planta de producción, requiere no sólo una infraestructura estable, sino también vías de transmisión seguras, rápidas, de alta precisión, sin interferencias y con un gran ancho de banda, que pueden tener que soportar condiciones ambientales extremadamente duras, según la aplicación. Existen varios métodos de transmisión de datos: por cable, sin cables, en serie y en paralelo. Todos los métodos tienen sus propias ventajas e inconvenientes, que deben sopesarse cuidadosamente para cada aplicación.

A diferencia de los sistemas cableados, las tecnologías inalámbricas dependen, por ejemplo, de una serie de parámetros críticos, de diferentes componentes y de las influencias ambientales actuales. Un aspecto importante de la radiocomunicación es el alcance radioeléctrico, que depende de la ubicación de las antenas emisora y receptora, de la potencia de transmisión, del estado del entorno local y de la gama de frecuencias. Así, al planificar las aplicaciones de transmisión por radio, hay que tener en cuenta los criterios correspondientes, especialmente en lo que se refiere al alcance y, por tanto, a la calidad de la señal recibida.

En el pasado, los anchos de banda de unos pocos Mbps eran suficientes para aplicaciones como los convertidores de interfaz o las placas base industriales. El aislamiento parcialmente necesario de diferentes interfaces, como la interfaz periférica en serie (SPI) o la RS-485, puede seguir realizándose con soluciones estándar. Sin embargo, las tendencias actuales, como la Industria 4.0 y el Internet de las Cosas (IoT), exigen numerosas mediciones y sistemas de control extremadamente complejos con velocidades de datos o anchos de banda más elevados que, a su vez, deben ser soportados por las interfaces. Debido a estos y otros requisitos crecientes para las interfaces, como la seguridad adicional en forma de mayor resistencia dieléctrica, mayor fiabilidad y menores requisitos de espacio, las soluciones convencionales ya no son suficientes. También en este caso, los aisladores digitales son la mejor solución, ya que no sólo cumplen los requisitos de seguridad, rendimiento y fiabilidad antes mencionados, sino que también ofrecen un aislamiento integrado y múltiples entradas y salidas.

Un método habitual utilizado en las aplicaciones de transmisión de señales es la señalización diferencial de baja tensión (LVDS). Se trata de una norma de interfaz establecida (TIA/EIA-644) para la transmisión de datos en serie, que tiene una gran inmunidad al ruido, además de sus propiedades de ahorro de energía y su potencial para alcanzar altas velocidades de datos de hasta unos cuantos Gbps. Estas características positivas pueden atribuirse al control o la limitación de la corriente utilizada internamente por los módulos conductores a un máximo de 3 mA. La tensión diferencial de la señal es de sólo 20 mV. Sin embargo, luego se amplifica hasta el nivel lógico de 300 mV (diferencial) en el lado del receptor. Esto permite, entre otras cosas, una interferencia electromagnética (EMI) extremadamente baja y velocidades de conmutación extremadamente rápidas.

Las interfaces LVDS se utilizan a menudo en sistemas de control y regulación en los que hay que enviar grandes volúmenes de datos entre circuitos electrónicos o entre tramos cortos de cable. También se utilizan para sincronizar distintos componentes de una aplicación completa, distribuyendo las señales de reloj a los respectivos componentes con gran rapidez. Los extremos frontales analógicos (AFE) en aplicaciones de medición industrial y sistemas de control se encuentran entre las aplicaciones típicas de LVDS. Sin embargo, también se utilizan habitualmente para la realización de interfaces digitales entre varios nodos de datos y para la transmisión de señales de vídeo, por ejemplo a través de HDMI.^® Otro aspecto que no debe pasarse por alto es la posibilidad de aislamiento galvánico que ofrecen los circuitos LVDS. Por esta razón, también se utilizan allí donde se requiere el aislamiento de las interfaces de comunicación, como en los circuitos electrónicos o en las placas base.

Las placas base son placas de circuito impreso con múltiples conectores para alojar varios módulos de placas de expansión. Esto permite una fácil expansión plug and play del sistema base para incluir conjuntos adicionales. Sin embargo, los módulos de ampliación suelen estar sometidos a transitorios de alta tensión, ya que en muchas aplicaciones están en contacto directo con componentes conectados a la red de distribución eléctrica. Por lo tanto, los módulos de ampliación son vulnerables a sucesos externos, como la caída de un rayo. Las descargas electrostáticas provocadas por el contacto humano o los condensadores internos que se cargan repentinamente, se cargan con polaridad inversa o se descargan al enchufar o desenchufar los módulos de expansión también pueden provocar transitorios elevados. Por tanto, es esencial que el sistema disponga de una interfaz aislada de forma segura. De lo contrario, los conjuntos conectados podrían dañarse fácilmente o poner en peligro a los usuarios debido a los transitorios de tensión. Las interfaces de comunicación con aislamiento funcional también son beneficiosas para los instrumentos de medición industriales, porque las interfaces aisladas proporcionan una tierra flotante, por ejemplo, entre los convertidores analógico-digitales y los microcontroladores. Esto aísla las señales medidas de las influencias e interferencias del resto de la aplicación.

Ya existen en el mercado varios productos para implementar interfaces LVDS aisladas. Analog Devices ofrece una solución muy eficaz y fiable con su familia LVDS aislada de ADN4650, ADN4651 y ADN4652, que admite velocidades de datos de hasta 600 Mbps y simultáneamente iguala los valores estándar de las interfaces LVDS no aisladas. En comparación, los aisladores digitales estándar sólo pueden alcanzar 150 Mbps. Es posible alcanzar velocidades de datos muy altas, a pesar del aislamiento existente, con el iAcoplador^® tecnología. Es la reproducción de un transformador mediante sistemas microelectromecánicos (MEMS) que permite aislar las señales digitales de forma sencilla y ahorrando espacio.

La familia LVDS también ofrece unas características de temporización muy precisas, así como un jitter extremadamente bajo, también llamado jitter de temporización. El jitter describe las variaciones de los flancos de subida y bajada de las señales digitales respecto a la referencia temporal ideal. A altas velocidades de datos, una baja fluctuación es extremadamente importante, ya que sólo se tarda 1,6 ns en transmitir un bit a 600 Mbps. Cualquier fluctuación en los flancos ascendentes o descendentes de las señales debe permitir que el convertidor A/D tenga tiempo suficiente para muestrear correctamente el nivel alto o bajo real. Para la familia ADN465x, el jitter suele ser de 70 ps. Los módulos LVDS también proporcionan dos canales LVDS aislados, que forman el canal de transmisión y recepción en el ADN4651. Los canales del ADN4652 están dispuestos de forma inversa a los del ADN4651, mientras que el ADN4650 sólo ofrece canales de transmisión o recepción, según el cableado. La familia ADN465x funciona internamente con una tensión de alimentación de 2,5 V; por desgracia, los sistemas industriales no suelen tener esta tensión de alimentación, sino sólo 3,3 V. Por ello, en la familia ADN465x se han integrado reguladores de tensión de baja caída (LDO) que permiten una tensión de alimentación externa de 3,3 V en las entradas. La alimentación del módulo o de sus entradas y el lado de salida aislado puede conseguirse, por ejemplo, con el convertidor aislado de CC a CC ADuM5000, que puede generar selectivamente una tensión de salida aislada de 5 V o 3,3 V con una potencia de salida máxima de 500 mW. Esta configuración del circuito se muestra en la Figura 1.

En combinación con el ADuM5000, esta familia de dispositivos puede satisfacer los numerosos requisitos de las interfaces LVDS aisladas en las aplicaciones industriales actuales. Esta solución altamente integrada también cumple todos los requisitos para las comunicaciones de bus estandarizadas. Las interfaces LVDS se utilizan con frecuencia en aplicaciones de ahorro de energía. Para ello, la combinación del ADN4651 y el ADuM5000 representa una alternativa extremadamente eficiente desde el punto de vista energético a las soluciones tradicionales de optoacopladores. También suele ser necesario el aislamiento simultáneo de varios canales.

En las aplicaciones LVDS, los canales se utilizan en paralelo para maximizar el rendimiento y, con ello, la velocidad de transmisión. El circuito descrito con los módulos mencionados de Analog Devices ofrece un aislador de 4 canales, dos de transmisión y dos de recepción. Esto permite que las señales se transmitan utilizando dos canales completos de transmisión y recepción en un único conjunto electrónico con velocidades de transmisión simultáneamente muy altas.

Con la familia ADN465x se pueden alcanzar fácilmente velocidades de datos de casi cc hasta 600 Mbps, siempre que se cumplan las especificaciones de distorsión de anchura de pulso máxima. Además, en el trazado hay que tener en cuenta algunos factores necesarios para la transmisión de señales diferenciales a altas velocidades. Por ejemplo, las trazas del lado de la entrada y de la salida deben estar adaptadas y tener una impedancia aproximada de 50 Ω a tierra o de 100 Ω entre las líneas de señal. Además, es aconsejable colocar terminaciones de 100 Ω en las entradas LVDS, como se muestra en la figura 2.

La longitud del cable y el tipo de conector también afectan a la velocidad máxima de datos. Las velocidades de datos más bajas, de hasta 200 Mbps, combinadas con los conectores de alta velocidad de datos y los pares de cables apantallados, permiten incluso longitudes de cable de varios metros.

Los ADN4650/ADN4651/ADN46521 son búferes LVDS aislados de la señal que funcionan hasta 600 Mbps con un jitter muy bajo. Esta combinación con el ADuM5000 lo hace ideal para transmisiones de señales de alta velocidad, ya que puede alcanzar 600 Mbps en distancias cortas y 200 Mbps en varios metros.