PCB Teknik - Yüksek hızlı PCB tasarım rehberini üç: sinyal izolasyon teknolojisi

Sinyal izolasyonu, galvanik bir bağlantıdan gönderilen ve alınan terminaller arasındaki barirden geçmesini engelleyen dijital veya analog sinyaller. Bu, gönderme ve alınma terminallerinin dışında yeryüzü veya referans seviyesi arasındaki farkı birkaç bin volt kadar yüksek olmasına izin verir ve sinyali hasar edebilecek farklı yeryüzü potentielleri arasındaki dönüş akışlarını engeller. Sinyal yerinde ses sinyali zarar verebilir. Isolasyon sinyali temiz bir sinyal altsistemine ayırabilir. Başka bir uygulama içinde, referans seviyelerin arasındaki elektrik bağlantı operatör veya hasta için güvensiz bir yol oluşturabilir. Sinyalin doğası devre tasarımcısına sistemin düşünebileceği doğru IC'leri gösterebilir.

İlk tür izolasyon cihazı izolasyon barrierini geçirmek için hiçbir transmitöre ve alıcıya bağlı değildir. Bu tür cihaz dijital sinyaller için kullanıldı, fakat linearizasyon problemi analog sinyal izolasyonu için transformatörlerin kullanımına zorladı ve modüle taşıyan analog sinyal bu barirden geçmesi için kullanıldı. Transformerler her zaman söylemek zordur, ve genellikle bir IC yapmak imkansızdır, bu yüzden bariyeri geçmek için modüle edilmiş sinyali çiftim için bir kapasitör devreleri buldum. Yüksek dönüştürme hızı, izolasyon barjerinde çalışan geçici voltaj, tek kapasitör barjeri cihazı için sinyal olarak kullanılabilir, yani hatayı azaltmak için iki kapasitör diferensiyal devre geliştirildi. Şimdi kapasitetli barrier teknolojisi dijital ve analog izolasyon aygıtlarında uygulandı.

1. Seri veri akışını

Dijital sinyalleri ayırmak için geniş bir dizi seçenek var. Eğer veri akışı bitseri olursa, basit optoküplerden ayrılmış gönderici IC'lere kadar seçenekler arasında. Ana tasarım düşünceleri:

• Veri hızı gerekli

• Sistemin izole sonu için güç ihtiyaçları

• Veri kanalı ikidireksiyonel olmalı.

LED tabanlı optoküpler tasarım sorunlarını izole etmek için kullanılan ilk teknolojidir. Birçok LED tabanlı IC şimdi 10 Mb ve yukarıdaki veri oranları ile kullanılır. Önemli tasarım düşünmesi, LED ışık çıkışı zaman boyunca azalır. Bu yüzden, LED'e ilk fazla akışı verilmesi gerekiyor, böylece yeterli çıkış ışık şiddeti hala zamanında verilebilir. Bölünen tarafta sınırlı güç olabileceğinden dolayı, a şırı ağır akışını sağlamak zorunda olduğu için ciddi bir sorun. Çünkü LED tarafından istediği sürücü basit mantıklı çıkış sahnesinden oluşan a ğımdan daha büyük olabilir, özel sürücü devre sık sık sık ihtiyacı var.

Yüksek hızlı uygulamalar için ve lojik sinyal kontrolü altında veri akışlarının geri dönüşü için Burr-Brown'un ISO 150 dijital kopyalarını kullanabilir. 1. görüntü ISO150'in ikidirektif uygulama devresini gösteriyor. Kanal 1 Kanal 2'nin gönderme yöntemini kontrol ediyor ve A sonundan B sonuna göndermek için yapılandırılır. DIA pin'e uygulanan sinyal akışının yöntemini belirliyor. B sonuna gönderilen yüksek seviye 2. kanalın sonunu alış moduna koyar. 2.A. kanalın sonunda düşük seviye uygulandı. Kanal yollama moduna kanalını yerleştirir. Yön sinyalinin durumu izolasyonun iki tarafında. Bu devre 80MHz veri hızında çalışabilir.

Bitseri iletişimlerin ikinci değişikliği geliştirme altında farklı otobüs sistemi aygıtıdır. Bu sistemler RS-422, RS-485 ve CANbus standartlarından tanımlanıyor. Bazı sistemler ortak bir yere sahip olduğu için şanslılar ve birçok sistem farklı potensial düğümleri vardır. Bu özellikle iki düğüm belli bir mesafe ile ayrılırken doğru. Burr-Brown â'nın ISO 422, bu uygulamalarda kullanılabilecek bütün ikileşik izole geçici için tasarlanmış. Bu nakliyatçı yarı çift ve tam çift olarak ayarlanabilir (2. Şekil). İletim hızı 2.5Mbps'e ulaşabilir. Bu cihaz hatta bir dönüş (dönüş geri) test fonksiyonu dahil eder, böylece her düğüm kendi test fonksiyonunu gerçekleştirebilir. Bu modun sırasında otobüs verileri görmezden gelecek.

2. Analog sinyal izolasyon

Çok sistemde analog sinyaller ayrılmalı. Analog sinyaller tarafından düşünülen devre parametreleri dijital sinyallerden tamamen farklıdır. Analog sinyali genellikle ilk olarak düşünmeli:

• Doğru ya da linearit

•Frekans cevapı

• Ses düşünceleri

Güç ihtiyaçları, özellikle giriş sahnesi için, ayrıca izolasyon amplifikatörünün temel doğruluğuna ya da linearitetine dikkat vermelidir. Doğru uygulama devreleri tarafından geliştirilemez, fakat bu devreler sesi azaltır ve giriş sahnesinin güç ihtiyaçlarını azaltır.

Burr-Brown â'nın ISO124 analog izolasyonu basitleştirir. İçeri sinyali görev döngüsü modüle edilmiş ve dijital şekilde barrier üzerinde gönderilmiş. Çıkış parçası modullendirilmiş sinyali alır, analog voltaj olarak dönüştürür ve modülasyon/demoülasyon sürecindeki içerik parçayı kaldırır. İçeri sinyalinin modülasyonu ve demoülasyonu yüzünden örnek alma veri sisteminin bazı sınırları takip edilmeli. Modülatör 500kHz'in temel frekanslarında çalışıyor, bu yüzden giriş sinyalleri 250kHz Ngquist frekanslarından yüksek çıkışta düşük frekans komponentlerinde bulunuyor.

Çıkış sahnesi çıkış sinyalindeki taşıma frekansiyonunun çoğunu silmesine rağmen, hala belli bir miktar taşıma sinyali var. Görüntü 4, sistemin geri kalanında yüksek frekans ses kirliliğini azaltmak için birleştirilen filtreleme metodu gösteriyor. Elektrik tasarımı filtrü enerji tasarımından giriş sesini önemli olarak azaltır. Çıkış filtrü, I'nin Q ve 50kHz'in 3dB frekansı olan iki pol Sallen-anahtar sahnesidir. Bu, çıkış çizgisini 5 kere azaltır.

Bölüm voltasyonuyla ilgili başka bir sorun, giriş sahnesi tarafından gereken güç. Çıkış sahnesi genelde şasis ya da toprak üzerinde dayanıyor ve giriş genelde başka bir potansiyel üzerinde yüzüyor. Bu yüzden girdi sahnesinin güç tasarımı da ayrılmalı. Genelde ideal +15V ve -15V elektrik temsilleri yerine tek elektrik temsili kullanılır.

Şekil 5, ISO124 girdi sahnesindeki tek voltaj enerjisinin 1NA2132 çift farklı amplifikatörü ile birleştirildiğini gösteriyor ki, girdi sinyal seviyesinin tam menziline dönüşünü arttırabilir. Tek ihtiyacı, girdi güç teslimatı voltajı, ISO124 girdi voltajı için gerekli 9V'den daha büyük kalır.

INA2132'nin düşük yarısı VS+ elektrik tasarımının yarısını üretir. Bu voltaj INA2132'nin diğer yarısı ve ISO124'nin GND girişi için pseudo toprak olarak kullanılır. INA2132'nin farklı girdi sinyalinin dönüşü yeni referans seviyesinden daha yüksek veya daha düşük olabilir. İçeri gibi ISO124 çıkışı tamamen bipolar olacak.

3. Isolatlanmış paralel veri otobüs sistemi

Parallel dijital veri otobusların izolasyonu üç daha önemli tasarım parametrolarını arttıracak:

• Otobüs küçük genişliği

• İzin verilebilir dönüşüm

Saat hızlı ihtiyaçları

Bu görev optoküplerle başarılabilir, ama destek devreler çok karmaşık olabilir. Optoküpler arasındaki propagasyon zamanının uyuşması veri değiştirmesini sağlayacak, bu da veri hatalarının sonunda veri hatalarını sağlayacak. Bu problemi küçültmek için ISO508 ayrılmış dijital koplayıcı (3. Şekil) girdi ve çıkışta iki buferli veri buferini destekliyor. Bu yapılandırma verileri 2MB hızla gönderecek.

ISO508'de iki çalışma modi var. CONT pin düşük bir duruma ayarlandığında, LE1 sinyalinin kontrolü altında veriler eşzamanlı bir modunda barrier üzerinde yayılır. LE1 yüksek durumda olduğunda, veriler girdi pıntıdan girdi pıntısına aktarılır. LE1 düşük olduğunda, veri bytes barirden geçmeye başlar. Bu sırada, girdi pin gelecek nesil veri bytes için kullanılabilir. Bu modunda, taşınabilir veri hızı 2MB'ye ulaşabilir.

CONT pin yüksek bir duruma ayarlandığında, veriler aletin iç 20MHz saatinin kontrolünün altında bariyerin üzerinde gönderilir. Veri yayınlaması dışarıdaki çarpma sinyali etkinleştirmeye asynchronous. Veriler seri şeklinde girdi çatısından çıkış çatısına doğrultılır. Bir bajt aktarıldıktan sonra, tüm bajt çıkış çatısına taşınır ve çıkış çatısı dağıtılan veri bajtını taşıyacak. Tam 8 bitlik bir bayte için propagasyon gecikmesi 1m'den az olacak.

4. Bölüm için çok fonksiyonel IC

Yeni çoklu fonksiyonel veri alması IC, izolasyon ekranını geçerken çoklu görevleri tamamlamak için tasarımcılara fırsat verir. Tam bir veri alma aygıtı çoklu analog değişiklikleri, programlanabilen kazanç aletlerini arttırıcı, A/D dönüştürücüleri ve bir ya da daha dijital I/O kanalları dahil edebilir. Bütün bu fonksiyonlar seri veri limanı aracılığıyla kontrol edilir. Burr-Brown'ın ADS7870 böyle bir cihazdır. ADS7870 ISO150 ile çok iyi çalışıyor ve 6. figürde gösterilir.

Bu uygulamalarda, ADS7870'in her programlı fonksiyonu ana mikroprocessörün kontrolü altında yerleştirilir ve mikroprocessörün kontrolü kendisi seri iletişim limanı aracılığıyla kayıtlara komutlar yazarak gerçekleştirilir. Kontrol özellikleri de dahil:

• multiplexer seçimi

• 4 farklı kanallar ya da 8 tek kanallar

• Programlanabilen kazanç ayarlaması, 1 ～20

• 12-bit A/D dönüşünün başlangıç

Bu cihazın 4 dijital I/O hatları da faydalı ve dijital sinyallerin durumunu veya çıkış dijital sinyallerin durumunu bildirmek için birbirine belirtilebilir. Bu, seviye veya hata bayrağı aynı ISO150 uzantı sinyal çarpıcı kullanarak belirli destek fonksiyonlarının izolasyonu sağlar.

İşaretler dahil

Sistemin toprak potansiyeli çok farklı olduğu tasarımlarda tasarımcılar için kullanılabilecek ve kullanabilecek birçok cihaz var. Her aygıt eşsiz sistem ihtiyaçları için tasarlanmış. Yeni aygıtların yüksek performans integrasyonu, daha önce izolasyon barrierinde ulaşamaya imkansız olan karmaşık operasyonları sağlayabilir.