La potencia ultrabaja abre aplicaciones para el aislamiento de alta velocidad

El aislamiento ha sido considerado durante mucho tiempo una carga necesaria por los diseñadores. Es necesario porque hace que la electrónica sea segura para todos. Es una carga porque limita la velocidad de comunicación y consume mucha energía y espacio en la placa. Los optoacopladores de tecnología antigua, e incluso muchos de los aisladores digitales más recientes, consumen tanta energía que ciertos tipos de aplicaciones no han resultado prácticos. En este artículo examinaremos los últimos avances en el aislamiento de potencia ultrabaja, cómo se relacionan con las tecnologías disponibles y cómo se han conseguido. También exploraremos varias aplicaciones que pueden beneficiarse de esta nueva clase de dispositivos.

La aparición del optoacoplador moderno hace unos 45 años supuso un gran avance para los diseñadores. Permitían la retroalimentación en los circuitos de control de la fuente de alimentación, el aislamiento de la señal en las comunicaciones para romper los bucles de tierra, y las comunicaciones con los transistores de potencia de lado alto o los monitores de corriente. En la década de 1970, se produjo una proliferación de dispositivos optoelectrónicos. Esto dio forma al desarrollo de estándares de comunicación como RS-232, RS-485 y buses industriales como los bucles de corriente de 4-20mA y DeviceNet y PROFIBUS®. Las capacidades de aislamiento óptico han configurado muchas de las propiedades de estos buses de comunicación debido a las limitaciones de los dispositivos de aislamiento. Durante los siguientes 20 años, los cambios en la tecnología de aislamiento fueron en gran medida incrementales hasta el año 2000, cuando se introdujo el primero de los nuevos aisladores digitales a escala de chip. Estos nuevos dispositivos se basaban en el acoplamiento inductivo mediante transformadores a escala de chip, materiales GMR y, más tarde, en el acoplamiento capacitivo diferencial. Las nuevas tecnologías eran capaces de alcanzar velocidades mucho más altas y niveles de potencia mucho más bajos que los antiguos optoacopladores, pero las normas estaban establecidas y muchas de las capacidades de los nuevos dispositivos, como las altas velocidades, no se aprovechaban plenamente porque las interfaces estándar existentes no lo requerían.

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El uso por parte de los empaquetadores y aisladores de procesos digitales de circuitos integrados estándar para construir su electrónica de codificación y descodificación facilita la adición de funcionalidad digital. El bajo consumo de energía, la compatibilidad con bajas tensiones de alimentación y los altos niveles de integración se han convertido en las principales ventajas de diseño de los aisladores no ópticos. La innovación que traslada el aislamiento a velocidades mucho más altas o a una potencia mucho menor soportará los nuevos estándares de interfaz más exigentes. Actualmente, el consumo de energía de los aisladores digitales, aunque es significativamente menor que el del optoacoplador, debe ser de dos a tres órdenes de magnitud inferior para permitir la entrada en nuevos espacios de aplicación. Hasta ahora, el aislamiento de alto rendimiento no ha logrado este objetivo.

Comparación de tecnologías

El motor de rendimiento de los dispositivos de aislamiento es una combinación del esquema de codificación de los datos y la eficiencia del medio utilizado para transferirlos. Para este debate, nos centraremos en los aspectos que determinan el consumo de energía. Los esquemas de codificación y descodificación pueden dividirse en dos grandes categorías: sistemas basados en pulsos codificados por flancos y sistemas codificados por niveles. En su forma más simple, un sistema basado en niveles debe empujar constantemente energía a través de la barrera de aislamiento para mantener un estado de salida dominante, mientras que no envía energía a través de la barrera para representar el estado de salida recesivo.

En un optoacoplador, la luz media la transferencia de energía, lo que tiene una baja eficacia en comparación con la creación directa de campos eléctricos o magnéticos, y una baja eficacia de detección en el elemento receptor. Así, los simples optoacopladores basados en transistores o diodos PIN tienen que gastar mucha energía para crear luz y mantener la salida en estado encendido, pero el receptor gasta poca energía para recibir la señal. Esto puede verse en la Tabla 1 con el consumo de energía del optoacoplador receptor de diodos PIN. Por término medio, una corriente de entrada elevada y una corriente de salida baja caracterizan a este tipo de optoacoplador. Los optoacopladores digitales más rápidos han reducido la cantidad de luz necesaria para mantener un estado añadiendo una amplificación activa al receptor. Esto ha reducido la corriente media necesaria para el LED, pero los receptores tienen una corriente de reposo relativamente grande, por lo que el consumo de energía no ha disminuido realmente, sino que se ha trasladado al receptor. Para reducir la necesidad de energía, habría que aumentar la eficiencia del LED y del elemento receptor, o cambiar el esquema de codificación. Por eso el progreso de la tecnología de los optoacopladores ha sido gradual durante tanto tiempo.

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Tabla 1. Comparación del consumo de energía del aislador/canal a VDD = 3,3 V y 100 kbps
TecnologíaEntrada (mA)Salida (mA)
Optoelectrónica digital de alta velocidad2.58.5
Opto PIN/Transistor de alta velocidad81.2
Aislador digital capacitivo1.251
Aislador inductivo digital0.50.23
Aislador inductivo digital de muy baja potencia0.010.01

En muchos aisladores digitales acoplados capacitivamente, el sistema es en realidad similar al optoacoplador. Este tipo de dispositivo utiliza un oscilador de alta frecuencia para enviar una señal a través de un par de condensadores diferenciales. El oscilador, como el LED de un optoacoplador, consume energía para enviar el estado activo y se apaga para enviar el estado recesivo. El receptor tiene amplificadores activos que consumen corriente de polarización para cualquiera de los dos estados. Como se muestra en la Tabla 1, debido a la alta eficiencia de acoplamiento de los condensadores, el consumo total de corriente es significativamente mejor que las opciones de optoacopladores. Hay que tener en cuenta que el nivel de potencia del aislador digital sería más o menos el mismo si utilizara el acoplamiento inductivo en lugar del capacitivo. En este caso, es principalmente el esquema de codificación el que establece el nivel mínimo de potencia, especialmente a bajas velocidades de datos.

Un segundo esquema de codificación, que se muestra en la Figura 1, es utilizado por iAcoplador®-aisladores digitales de Analog Devices, como la serie ADuM140x. En este esquema, los bordes se detectan en la entrada y se codifican como pulsos. En el caso del ADuM140x, un pulso representa un flanco descendente y dos pulsos representan un flanco ascendente. Estos impulsos se acoplan al secundario a través de pequeños transformadores de impulsos en el chip. El receptor cuenta los impulsos y reconstruye el flujo de datos. Los propios pulsos son robustos para conseguir una buena relación señal-ruido, pero sólo tienen una anchura de 1 ns, por lo que la energía por pulso es baja. Esto tiene la bonita propiedad de que, cuando no cambian los datos, el estado se mantiene en la salida en un latch y casi no se consume energía. Esto significa que el consumo de energía es simplemente la energía integrada suministrada en el flujo de impulsos más algunas corrientes de polarización. A medida que la velocidad de transmisión de datos disminuye, la potencia disminuye linealmente hasta la CC. De nuevo, es el esquema de codificación el que reduce el consumo de energía, más que el medio específico de transferencia de datos. Este esquema podría aplicarse en sistemas capacitivos o incluso ópticos.

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Figura 1: Codificación por impulsos.

El esquema de codificación de impulsos no es una panacea de bajo consumo. Su desventaja es que si no hay un cambio lógico en la entrada, no se envía ningún dato a la salida. Esto significa que si hay una diferencia en el nivel de CC debido a la secuencia de arranque, la entrada y la salida no coincidirán. El ADuM140x resuelve esta condición implementando un temporizador de refresco en el canal de entrada que devuelve el estado de CC si no se detecta actividad durante más de 1 µs. El resultado de este diseño es que este esquema de codificación ya no sigue reduciendo el consumo de energía una vez que la velocidad de datos es inferior a 1 Mbps. En realidad, la pieza siempre funciona al menos a 1 Mbps, por lo que el consumo de energía no sigue disminuyendo para velocidades de datos bajas. A pesar de ello, el esquema de codificación por impulsos proporciona una potencia media menor en comparación con los esquemas sensibles al nivel, como se muestra en la Tabla 1.

Empujando la envoltura de baja potencia

El esquema de codificación de impulsos del ADuM140x se optimizó originalmente para obtener altas velocidades de datos, no para un consumo de energía mínimo absoluto. Este esquema de codificación tiene un potencial considerable para reducir aún más el consumo de energía, especialmente en el rango de frecuencias de dc a 1 Mbps. Es en este rango de datos donde se encuentran la mayoría de las aplicaciones de aislamiento, especialmente las que requieren un bajo consumo de energía. Se han implementado las siguientes innovaciones en el ADuM144x de 4 canales y en el ADuM124x de 2 canales iFamilias basadas en la tecnología de acoplamiento.

  1. El diseño se implementó en un proceso CMOS de bajo voltaje
  2. Se examinaron todos los circuitos de polarización y, cuando fue posible, se minimizaron o eliminaron los sesgos
  3. La frecuencia del circuito de refresco se redujo de 1 MHz a 17 kHz
  4. El circuito de refresco puede desactivarse por completo para un consumo de energía lo más bajo posible

En la Figura 2 se muestra el consumo de corriente frente a la frecuencia en relación con el ADuM140x. La curvatura en las curvas debida al refresco se aprecia fácilmente a 1 Mbps en el ADuM140x y a 17 kbps en el ADuM144x cuando el refresco está activado. El ADuM144x tiene un consumo típico de corriente por canal 65 veces menor a 1 kbps, y unas 1000 veces menor si el refresco está completamente desactivado.

Figura 2. Consumo total de corriente por canal de los componentes ADuM144x y ADuM140x a VDDX = 3,3 V.

¿Por qué es útil esa reducción de potencia? A continuación se presentan tres aplicaciones en las que los optoacopladores tradicionales y los aisladores digitales son marginales o completamente inutilizables.

instrumento de campo alimentado por un bucle aislado de 4 mA a 20 mA

Los instrumentos de campo alimentados por bucle tienen un presupuesto de energía muy limitado, ya que toda la energía se deriva de la corriente de bucle de 4 mA. Afortunadamente, el bucle suele proporcionar suficiente tensión, normalmente 24 V, para extraer unos 100 mW del sistema. Toda la aplicación utilizará unos 12 V de la tensión de bucle de 4 mA. Con este presupuesto, un simple convertidor DC-DC alimenta el sensor aislado, el convertidor analógico-digital (ADC) y el controlador. Incluso asumiendo una eficiencia bastante alta para el convertidor CC-CC y una reducción de tensión de 2:1, un sensor frontal típico tendrá < 4 mA a 3,3 V para trabajar. El lado del bucle tiene aproximadamente el mismo presupuesto de energía. La interfaz principal es el bus SPI al ADC. Cada lado de la interfaz aislada se alimenta del bucle, al igual que todos los ADC del controlador y los elementos de acondicionamiento de la señal. La Tabla 2 muestra el consumo de corriente de un bus SPI de 4 hilos para cada una de las tecnologías de aislamiento. SPI 1 es la corriente necesaria en el lado del bucle de aislamiento, y SPI 2 es la corriente necesaria en el lado del sensor.Los optoacopladores consumirían varias veces el presupuesto de energía en cada lado de la interfaz de aislamiento. El aislador digital capacitivo consumiría todo el presupuesto de energía del instrumento de campo. El ADuM1401 es una posibilidad, pero el presupuesto de energía para el resto del sistema es marginal, aunque sólo admite la única interfaz SPI para el ADC. El nuevo ADuM1441 de muy bajo consumo iEl aislador digital basado en el acoplador tiene una potencia tan baja que se convierte en una parte menor del presupuesto de energía. Esta tecnología no sólo permite que la aplicación funcione dentro de su presupuesto de energía, sino que también permite añadir un segundo aislador de 4 canales para soportar una interfaz de módem HART y un controlador frontal inteligente, que se muestra en los bloques punteados del diagrama. Potencia ultrabaja iLa tecnología de acoplamiento permite una nueva funcionalidad que antes era imposible de conseguir en una aplicación aislada.

Figura 3: Front-End de sensor inteligente aislado alimentado por bucle con soporte de módem HART® Soporte de módem.

Tabla 2. Consumo total de energía en cada lado de una interfaz SPI aislada de 100 kbps
TecnologíaSPI 1 (mA)SPI 2 (mA)
Ópticas digitales de alta velocidad1628
Opto PIN/Transistor de alta velocidad25.211.6
Aislador digital capacitivo4.754.25
Aislador inductivo digital1.731.19
Aislador inductivo digital de muy baja potencia0.040.04

Alimentación a través de Ethernet I2Bus de comunicación C

Las aplicaciones de tipo telecomunicaciones, como la alimentación a través de Ethernet (POE), se alimentan de un raíl de tensión relativamente alto que proporciona la alimentación de Ethernet. Las interfaces de comunicación de control deben ser alimentadas por un convertidor DC-DC aislado o un regulador de la tensión del bus de -54 V. En el ejemplo de la Figura 4, la interfaz de comunicación de 3,3 V para una I2C es generado por un regulador interno del controlador POE. La tabla 3 muestra la corriente necesaria para el funcionamiento de la I2C en el lado del controlador POE, así como la potencia disipada en el interior del controlador POE para soportar cada tecnología. Una solución de optoacoplador disiparía medio vatio de calor en un chip que probablemente ya esté cerca de su límite térmico. Cada interfaz es un poco mejor bajando por la placa hasta el ADuM1441 de muy bajo consumo, donde la disipación de energía es de aproximadamente 1 mW. Esto hace que la interfaz sea una carga térmica trivial para este chip. Incluso si la potencia no estuviera regulada dentro del chip POE, la potencia es tan baja que se podría utilizar un simple diodo Zener y una resistencia para proporcionar una fuente de alimentación adecuada, ahorrando el coste del dispositivo y la carga de refrigeración. Esta tecnología simplifica las arquitecturas de las fuentes de alimentación.

Figura 4. POE, controlador de cuatro puertos con I2C e Interrupción.

Tabla 3. Disipación total de energía para las tecnologías de aislamiento en una aplicación POE
TecnologíaUART a 100 kbps (mA)Potencia disipada (mW)
Ópticas digitales de alta velocidad11.00557.7
Opto PIN/Transistor de alta velocidad9.20466.4
Aislador digital capacitivo2.25114.1
Aislador inductivo digital0.7337.0
Aislador inductivo digital de muy baja potencia0.021.0

Dispositivos que funcionan con pilas

El tercer ejemplo del uso de la ultrabaja potencia es el apoyo a las aplicaciones de larga duración de la batería. Los dispositivos médicos, como los medidores de glucosa y los oxímetros de pulso para la monitorización de la salud en casa, deben estar construidos de forma que permitan el contacto con el paciente y la conexión a un ordenador de grado no médico simultáneamente. La interfaz serie debe estar alimentada y preparada para despertar al dispositivo cuando se conecte el ordenador, por lo que un aislante activo debe formar parte del circuito de espera. En este caso, el uso de la función de desactivación del refresco del ADuM1441 permitirá que la sala consuma menos de 4 µA de la batería. Este nivel es lo suficientemente bajo como para que incluso una pila de botón pueda mantener esta corriente de espera durante años.

Figura 5: Sensor médico a pilas.

La bajísima potencia del ADuM1441 también facilita la alimentación del lado del aislador que da al ordenador. Con sólo unos pocos µA de corriente para hacer funcionar la interfaz, se puede dedicar una línea de estado de la interfaz serie a alimentar el aislador, por lo que no se necesita una fuente de alimentación dedicada.

La tabla 4 ilustra algunas de las propiedades de los optoacopladores, así como las variedades de aislamiento digital cuando funcionan en modo de espera.Ten en cuenta que si se elige el estado de espera adecuado, el aislador PIN/transistor puede tener realmente una corriente de espera tan baja como el aislador de ultrabajo consumo iProducto basado en el acoplador. Esta propiedad de los optoacopladores se ha aprovechado para generar una reserva de baja potencia en muchas aplicaciones. Sin embargo, una vez que se inicia la comunicación, el consumo de energía sube a niveles relativamente altos, lo que no ocurre con la solución ADuM1441.

Tabla 4. Consumo total de energía de los aisladores a baja velocidad y al ralentí
TecnologíaUART 10 kbps (mA)UART en reposo (mA)
Ópticas digitales de alta velocidad11.0007.000
Opto PIN/Transistor de alta velocidad5.3300.001
Aislador digital capacitivo2.2501.350
Aislador inductivo digital0.7300.730
Aislador inductivo digital de muy baja potencia0.0020.001

Conclusión

ADI ha desarrollado una nueva versión del pulso codificado iAisladores digitales basados en acopladores, optimizados para una potencia extremadamente baja. Las modificaciones de este dispositivo no han comprometido la capacidad de aislamiento del mismo, ya que el aislamiento es idéntico al utilizado en nuestros dispositivos reforzados de alto aislamiento. La integridad de la señal es similar a la del iAcopladores que llevan 13 años en el mercado. Estos dispositivos están pensados para proporcionar un funcionamiento de muy baja potencia en el rango de dc a 1 Mbps, con un consumo de energía decreciente a medida que disminuye la velocidad de datos. Se trata de una tecnología que permite aislar las interfaces, lo que antes no era posible debido a la reducción significativa de la potencia de funcionamiento. Para obtener más información sobre la serie ADuM144x de aisladores digitales de 4 canales de muy baja potencia, visita www.analog.com/ADuM144x. Para más información sobre la serie ADuM124x de aisladores digitales de ultrabajo consumo de 2 canales, visita www.analog.com/ADuM124x.

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