Leiterplattentechnisch - Hochgeschwindigkeits-PCB-Design-Leitfaden drei: Signalisolierungstechnologie

Die Signalisolierung verhindert, dass digitale oder analoge Signale, wenn sie über eine galvanische Verbindung gesendet werden, die Barriere zwischen Sende- und Empfangsanschlüssen durchlaufen. Dadurch kann die Differenz zwischen dem Erd- oder Referenzpegel außerhalb der Sende- und Empfangsanschlüsse bis zu mehreren Tausend Volt betragen und Schleifenströme zwischen verschiedenen Erdpotentialen verhindert werden, die das Signal beschädigen können. Geräusche auf dem Signalbereich können das Signal beschädigen. Die Isolation kann das Signal zu einem sauberen Signalsystemboden trennen. In einer anderen Anwendung kann die elektrische Verbindung zwischen den Referenzpegeln einen Strompfad schaffen, der für den Bediener oder den Patienten unsicher ist. Die Art des Signals kann dem Schaltungsdesigner die richtigen ICs anzeigen, die das System berücksichtigen kann.

Die erste Art der Isolationsvorrichtung verlässt sich auf keinen Sender und keinen Empfänger, um die Isolationsbarriere zu überqueren. Diese Art von Gerät wurde für digitale Signale verwendet, aber das Linearisierungsproblem zwang die Verwendung von Transformatoren für die Isolierung des analogen Signals, und der modulierte Träger wurde verwendet, um das analoge Signal diese Barriere zu überqueren. Transformatoren sind immer schwierig zu sagen, und es ist in der Regel unmöglich, eine IC zu machen, also kam ich mit einer Kondensatorschaltung, um das modulierte Signal zu koppeln, um die Barriere zu überqueren. Die auf die Isolationsbarriere wirkende hohe Umsetzungsrate-Übergangsspannung kann als Signal für eine Einkondensatorbarriereinrichtung verwendet werden, so dass eine Doppelkondensator-Differenzschaltung entwickelt wurde, um den Fehler zu minimieren. Inzwischen wurde die kapazitive Barrieretechnologie in digitalen und analogen Isolationsgeräten angewendet.

1.Isolieren Sie den seriellen Datenstrom

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Isolierung digitaler Signale. Wenn der Datenstrom bitseriell ist, reichen die Optionen von einfachen Optokouplern bis hin zu isolierten Transceiver-ICs. Zu den wichtigsten Designüberlegungen gehören:

• Erforderliche Datenrate

• Leistungsanforderungen für das isolierte Ende des Systems

• Ob der Datenkanal bidirektional sein muss

LED-basierte Optokoppler sind die erste Technologie, die verwendet wird, um Designprobleme zu isolieren. Mehrere LED-basierte ICs sind jetzt mit Datenraten von 10Mbps und höher erhältlich. Eine wichtige Designbetrachtung ist, dass die LED-Lichtleistung mit der Zeit abnimmt. Daher muss der LED frühzeitig übermäßiger Strom zugeführt werden, damit im Laufe der Zeit noch eine ausreichende Ausgangslichtintensität bereitgestellt werden kann. Da auf der isolierten Seite möglicherweise begrenzte Stromversorgung zur Verfügung steht, ist die Notwendigkeit, übermäßigen Strom bereitzustellen, ein ernstes Problem. Da der von der LED benötigte Antriebsstrom größer sein kann als der von der einfachen Logik-Ausgangsstufe verfügbare Strom, ist häufig eine spezielle Antriebsschaltung erforderlich.

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen und die umgekehrte Übertragung von Datenströmen unter logischer Signalsteuerung kann der digitale Koppler ISO 150 von Burr-Brown verwendet werden. Abbildung 1 zeigt die bidirektionale Anwendungsschaltung ISO150. Der Kanal 1 steuert die Übertragungsrichtung des Kanals 2 und ist konfiguriert, um von Ende A nach Ende B zu übertragen. Das auf den DIA-Stift angelegte Signal bestimmt die Richtung des Signalstroms. Der an das Ende B gesendete hohe Level bringt das Ende des Kanals 2 in den Empfangsmodus. Der niedrige Niveau, der auf den Modus-Pin am 2A-Ende des Kanals appliziert wird, bringt den Kanal in den Sendemodus. Der Zustand des Richtungssignals befindet sich auf beiden Seiten der Isolationsbarriere. Diese Schaltung kann mit einer Datenrate von 80MHz arbeiten.

Die zweite Variante der bit-seriellen Kommunikation ist das in Entwicklung befindliche Differenzbussystem. Diese Systeme werden durch RS-422, RS-485 und CANbus Standards beschrieben. Einige Systeme haben das Glück, eine gemeinsame Basis zu haben, und viele Systeme haben Knoten mit unterschiedlichen Potentialen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden Knoten durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Die ISO 422 von Burr-Brown wurde für integrierte isolierte Vollduplex-Transceiver entwickelt, die in diesen Anwendungen verwendet werden können. Dieser Transceiver kann als Halbduplex und Vollduplex konfiguriert werden (siehe Abbildung 2). Die Übertragungsrate kann 2,5Mbps erreichen. Dieses Gerät enthält sogar eine Loop-Back-Testfunktion, so dass jeder Knoten eine Selbsttest-Funktion ausführen kann. In diesem Modus werden Daten auf dem Bus ignoriert.

2.Analoge Signalisolierung

In vielen Systemen müssen analoge Signale isoliert werden. Die von analogen Signalen berücksichtigten Schaltungsparameter unterscheiden sich völlig von digitalen Signalen. Das analoge Signal muss in der Regel zuerst berücksichtigt werden:

• Genauigkeit oder Linearität

• Frequenzreaktion

• Überlegungen zum Lärm

Leistungsanforderungen, insbesondere für die Eingangsstufe, sollten auch darauf achten, dass die Grundgenauigkeit oder Linearität des Isolationsverstärkers nicht durch die entsprechenden Anwendungsschaltungen verbessert werden kann, aber diese Schaltungen können Rauschen reduzieren und den Leistungsbedarf der Eingangsstufe verringern.

Die ISO124 von Burr-Brown vereinfacht die analoge Isolation. Das Eingangssignal wird Arbeitszyklus moduliert und digital über die Barriere gesendet. Das Ausgangsteil empfängt das modulierte Signal, konvertiert es zurück in analoge Spannung und entfernt die inhärente Ripplekomponente im Modulations-/Demodulationsprozess. Aufgrund der Modulation und Demodulation des Eingangssignals sollten einige Einschränkungen des Abtastdatensystems beachtet werden. Der Modulator arbeitet mit einer Grundfrequenz von 500kHz, so dass Eingangssignale höher als 250kHz Ngquist-Frequenz niedrigere Frequenzkomponenten im Ausgang aufweisen.

Obwohl die Ausgangsstufe den größten Teil der Trägerfrequenz im Ausgangssignal entfernt, gibt es immer noch eine bestimmte Menge an Trägersignal. Abbildung 4 zeigt eine kombinierte Filtermethode zur Reduzierung der hochfrequenten Lärmbelastung im Rest des Systems. Der Stromversorgungsfilter kann das vom Stromversorgungsstift eintretende Rauschen erheblich reduzieren. Der Ausgangsfilter ist eine zweipolige Sallen-Tastenstufe mit einem Q of I und einer 3dB Frequenz von 50kHz. Dadurch wird die Ausgangswelligkeit um das 5-fache reduziert.

Ein weiteres Problem mit Isolationsspannung ist die Leistung, die von der Eingangsstufe benötigt wird. Die Ausgangsstufe basiert in der Regel auf dem Chassis oder der Erde, und der Eingang schwimmt in der Regel auf einem anderen Potential. Daher muss auch die Stromversorgung der Eingangsstufe isoliert sein. In der Regel wird anstelle der idealen +15V- und -15V-Stromversorgung eine einzige Stromversorgung verwendet.

Abbildung 5 zeigt, dass eine Einzelspannungsversorgung in der Eingangsstufe ISO124 in Kombination mit einem Dual-Differential-Verstärker 1NA2132 die Schwingung auf den gesamten Bereich des Eingangssignalpegels erhöhen kann. Die einzige Voraussetzung ist, dass die Eingangsspannung größer als 9V bleibt, was für die ISO124-Eingangsspannung erforderlich ist.

Die untere Hälfte des INA2132 erzeugt die Hälfte der Ausgangsspannung einer VS+-Stromversorgung. Diese Spannung wird als Pseudamende für den REF-Stift der anderen Hälfte von INA2132 und den GND-Eingang von ISO124 verwendet. Die Schwingung des Differentieleingangssignals des INA2132 kann höher oder niedriger als das neue Referenzpegel sein. Der Ausgang von ISO124 wird wie der Eingang vollständig bipolar sein.

3. Isoliertes paralleles Datenbussystem

Die Isolierung paralleler digitaler Datenbusse erhöht drei weitere wichtige Designparameter:

• Die Bit-Breite des Busses

• Zulässige Abweichung

• Anforderungen an die Uhrgeschwindigkeit

Diese Aufgabe kann mit einer Reihe von Optokouplern erledigt werden, aber die Stützschaltungen können sehr komplex sein. Die Ausbreitungszeitungültigkeit zwischen den Optokouplern führt zu einem Datenoffset, was zu Datenfehlern am Empfangsende führt. Um dieses Problem zu minimieren, unterstützt der ISO508 isolierte digitale Koppler (Abbildung 3) doppelt gepufferte Datenpufferung am Eingang und Ausgang. Diese Konfiguration überträgt Daten mit einer Geschwindigkeit von 2MBps.

ISO508 hat zwei Arbeitsmodi. Wenn der CONT-Pin auf einen niedrigen Zustand eingestellt ist, werden unter Steuerung des LE1-Signals Daten synchron über die Barriere übertragen. Wenn sich LE1 im hohen Zustand befindet, werden Daten vom Eingangsstift an die Eingangssperre übertragen. Wenn LE1 niedrig geht, beginnen die Datenbytes über die Barriere zu reisen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Eingangspinn für Datenbytes der nächsten Generation verwendet werden. In diesem Modus kann die übertragbare Datenrate 2 MBps erreichen.

Wenn der CONT-Pin auf einen hohen Zustand eingestellt ist, werden die Daten über die Barriere unter der Kontrolle der internen 20MHz-Uhr des Geräts gesendet. Die Datenübertragung erfolgt asynchron zum externen Latch Enable Signal. Daten werden von Input-Latch zu Output-Latch in serieller Form gestrobelt. Nachdem ein Byte übertragen wurde, wird das gesamte Byte in den Output-Latch verschoben, und der Output-Latch versetzt das übertragene Datenbyte. Für ein vollständiges 8-Bit Byte beträgt die Ausbreitungsverzögerung weniger als 1ms.

4. Multifunktionale IC für Isolation

Die neue multifunktionale Datenerfassungs-IC bietet Designern die Möglichkeit, mehrere Aufgaben zu erledigen, während sie den Isolationsbildschirm überqueren. Ein komplettes Datenerfassungsgerät kann mehrere analoge Schalter, programmierbare Verstärker für Verstärkungsinstrumente, A/D-Wandler und einen oder mehrere digitale I/O-Kanäle umfassen. Alle diese Funktionen werden über einen seriellen Datenanschluss gesteuert. Das ADS7870 von Burr-Brown ist ein solches Gerät. Der ADS7870 funktioniert sehr gut mit ISO150 und ist in Abbildung 6 dargestellt.

In dieser Anwendung wird jede programmierbare Funktion des ADS7870 unter die Steuerung des Hauptmikroprozessors gestellt, und die Steuerung des Mikroprozessors selbst wird durch das Schreiben von Befehlen in das Register über den seriellen Kommunikationsport realisiert.

• Wahl des Multiplexers

• 4 Differenzkanäle oder 8 Single-Ended-Kanäle

• Programmierbare Verstärkungseinstellung des Instrumentierverstärkers, 1ï½ Ž20

• Initialisierung der 12-Bit-A/D-Konvertierung

Die 4-digitalen I/O-Leitungen dieses Gerätes sind ebenfalls nützlich und können individuell spezifiziert werden, um den Status digitaler Signale zu melden oder digitale Signale auszugeben. Dies ermöglicht die Isolierung bestimmter Unterstützungsfunktionen, wie z.B. Pegel- oder Fehlerflaggenlesung über denselben ISO150-Erweiterungssignalmultiplexer.

Schlussbemerkungen

Es gibt viele Geräte für Designer zur Auswahl und Verwendung im PCB-Design, wo das Bodenpotenzial des Systems sehr unterschiedlich ist. Jedes Gerät ist für einzigartige Systemanforderungen konzipiert. Die hohe Leistungsintegration der neuen Geräte ermöglicht komplexere Operationen, die bisher über die Isolationsbarriere hinaus unmöglich waren.