eng
На основе унифицированной библиотеки ячеек серии БК 5521 показана разработка микросхемы двухканальной трансформаторной гальванической развязки, приводится описание основных блоков и принципов работы.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.42.47
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.42.47
Внастоящее время при разработке систем передачи сигналов управления, приема данных измерительного и медицинского оборудования инженеры сталкиваются с необходимостью использования гальванической развязки, которая позволяет осуществить передачу энергии между электрическими цепями без электрического контакта.
Гальваническая развязка позволяет решить следующие задачи:
защитить оборудование и людей от поражения электрическим током;
повысить помехоустойчивость систем;
осуществить сопряжение электрических цепей с разными питающими напряжениями.
Наиболее широкое распространение получили три основных метода реализации гальванической развязки [1]:
оптический;
емкостной;
трансформаторный.
В основе оптической гальванической развязки (оптрона) лежит принцип передачи информации через изолирующий барьер световым потоком с помощью светодиодов и фотоприемников. Пример конструкции оптрона приведен на рис.1.
Оптическая гальваническая развязка имеет большое напряжение изоляции (до 7 000 В) и высокую устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом (около 15 кВ/мкс). Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает нескольких десятков МГц, например 100 Мбит/с в микросхеме HCPL-090J-000E фирмы Avago Technologies. Оптроны устойчивы к электрическим и магнитным полям. Недостатками оптронов являются высокая рассеиваемая мощность (150–200 мВт на канал), относительно низкая скорость передачи, деградация структуры светодиодов с течением времени. При изготовлении светодиодов используются материалы (GaAs), которые не позволяют напрямую интегрировать их в рамках одного технологического процесса с микроконтроллером или драйвером.
В основе емкостной гальванической развязки (рис.2) лежит принцип работы электрического конденсатора. Емкостные изоляторы блокируют постоянный ток с помощью диэлектрика между двумя проводниками. Переменное электрическое поле высокой частоты позволяет передать сигналы через диэлектрический барьер. К достоинствам емкостных гальванических развязок можно отнести высокую скорость передачи (например, 150 Мбит/с у микросхемы SI84xx фирмы Silicon Labs), низкую рассеиваемую мощность (примерно 30 мВт/канал), высокую устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом (около 25 кВ/мкс) и невосприимчивость к магнитным полям. Напряжение изоляции у емкостной гальванической развязки не превышает 4 000 В. К особенностям емкостной гальванической развязки можно отнести технологическую сложность изготовления конструкции конденсаторов.
Трансформаторный метод обеспечивает развязку с помощью изоляции между двумя катушками индуктивности. Требуемый сигнал переменного тока передается через взаимную индуктивность обмоток трансформатора. Традиционные трансформаторы имеют большие размеры, но с увеличением частоты сигнала появляется возможность уменьшения их габаритов. Так поступила фирма Analog Devices в своих гальванических развязках серии ADuM [2]. Развязка состоит из двух кристаллов, размещенных в одном корпусе. Кристаллы изготавливаются по обычной КМОП-технологии, на одном из кристаллов размещается трансформатор на полиимидных слоях, как показано на рис.3.
Трансформаторная развязка позволяет работать со скоростью до 100 Мбит/с. Напряжение изоляции достигает 4 000 В. Из-за отсутствия магнитного сердечника развязка невосприимчива к постоянным магнитным полям,
а малый размер способствует низкой восприимчивости к переменным магнитным полям.
При реализации микросхемы трансформаторной гальванической развязки, выполненной на КМОП-технологии, можно использовать три основных принципа передачи информации:
"установка / сброс";
амплитудная модуляция;
полярность импульсов.
Схема передачи информации "установка / сброс" с двойным трансформатором приведена на рис.4. Достоинством этой схемы является простота реализации, недостатком – большая занимаемая площадь на кристалле, поскольку для одного канала требуется два трансформатора.
Схема передачи на основе амплитудной модуляции (рис.5) является несколько сложнее в реализации, но занимает меньшую площадь, поскольку использует один трансформатор.
В схеме передачи информации на основе полярных импульсов (рис.6) также используется один трансформатор. Достоинством этой схемы является низкая потребляемая мощность.
В рамках одного КМОП-технологического процесса возможно изготовление трансформаторной гальванической развязки и схемы управления на двух кристаллах. Это позволяет достичь значения напряжений изоляции порядка 4 000 В и обеспечить устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом, на уровне 15 кВ/мкс.
В НПК "Технологический центр" на основе унифицированной библиотеки ячеек серии базовых кристаллов 5521 была разработана заказная микросхема двухканальной гальванической развязки. Микросхема изготавливается по радиационно-стойкой КМОП-технологии с нормами 0,18 мкм на объемном кремнии. Напряжение питания составляет 3 В ± 10% или 3,3 В ± 10% [3, 4]. Микросхема выполнена в корпусе 5123.28-1 в виде микросборки из двух кристаллов: передатчика и приемника.
При передаче информации используется амплитудная модуляция в связи с простотой ее реализации и высокой скоростью, около 100 Мбит/с. Структурная схема одного канала микросхемы трансформаторной гальванической развязки показана на рис.7. Передатчик содержит LC-генератор и два модулятора. Схема приемника включает два компаратора, блок формирования уровней сравнения для компараторов, комбинационную логику и выходной цифровой драйвер.
LC-генератор формирует для двух модуляторов несущую частоту 800 МГц. Выходные сигналы модуляторов являются функцией умножения входного сигнала и несущей частоты, которая подается на модуляторы со сдвигом по фазе 180°. Сигналы с модуляторов поступают на первичную обмотку первого трансформатора.
На вход приемника поступает сигнал со вторичной обмотки второго трансформатора. Детектирование сигнала осуществляется с помощью высокочастотных компараторов и схемы на комбинационной логике.
Трансформаторы в микросхемах приемника и передатчика выполнены в верхних слоях металлизации (рис.8). Для увеличения значения напряжения изоляции в одном канале используется два трансформатора, последовательно соединенные проволочными проводниками. Подложки микросхем передатчика и приемника при этом изолированы друг от друга.
В таблице указаны основные параметры разработанной в НПК "Технологический центр" микросхемы гальванической развязки в сравнении с микросхемой-аналогом ADUM1100 фирмы Analog Devices.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания 8.537.2016/БЧ.
ЛИТЕРАТУРА
Cory Lynn Fandrich. An On-Chip Transformer-Based Digital Isolator System. University of Tennessee, Knoxville 2013.
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/MS-2234.pdf
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практическое пособие / Под общ.ред.Саурова А.Н. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных кристаллов // Известия ВУЗов. Электроника. 2015. № 5(101). С. 497–504.
Гальваническая развязка позволяет решить следующие задачи:
защитить оборудование и людей от поражения электрическим током;
повысить помехоустойчивость систем;
осуществить сопряжение электрических цепей с разными питающими напряжениями.
Наиболее широкое распространение получили три основных метода реализации гальванической развязки [1]:
оптический;
емкостной;
трансформаторный.
В основе оптической гальванической развязки (оптрона) лежит принцип передачи информации через изолирующий барьер световым потоком с помощью светодиодов и фотоприемников. Пример конструкции оптрона приведен на рис.1.
Оптическая гальваническая развязка имеет большое напряжение изоляции (до 7 000 В) и высокую устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом (около 15 кВ/мкс). Верхняя рабочая частота оптронов, оптимизированных под высокочастотную передачу цифровых сигналов, достигает нескольких десятков МГц, например 100 Мбит/с в микросхеме HCPL-090J-000E фирмы Avago Technologies. Оптроны устойчивы к электрическим и магнитным полям. Недостатками оптронов являются высокая рассеиваемая мощность (150–200 мВт на канал), относительно низкая скорость передачи, деградация структуры светодиодов с течением времени. При изготовлении светодиодов используются материалы (GaAs), которые не позволяют напрямую интегрировать их в рамках одного технологического процесса с микроконтроллером или драйвером.
В основе емкостной гальванической развязки (рис.2) лежит принцип работы электрического конденсатора. Емкостные изоляторы блокируют постоянный ток с помощью диэлектрика между двумя проводниками. Переменное электрическое поле высокой частоты позволяет передать сигналы через диэлектрический барьер. К достоинствам емкостных гальванических развязок можно отнести высокую скорость передачи (например, 150 Мбит/с у микросхемы SI84xx фирмы Silicon Labs), низкую рассеиваемую мощность (примерно 30 мВт/канал), высокую устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом (около 25 кВ/мкс) и невосприимчивость к магнитным полям. Напряжение изоляции у емкостной гальванической развязки не превышает 4 000 В. К особенностям емкостной гальванической развязки можно отнести технологическую сложность изготовления конструкции конденсаторов.
Трансформаторный метод обеспечивает развязку с помощью изоляции между двумя катушками индуктивности. Требуемый сигнал переменного тока передается через взаимную индуктивность обмоток трансформатора. Традиционные трансформаторы имеют большие размеры, но с увеличением частоты сигнала появляется возможность уменьшения их габаритов. Так поступила фирма Analog Devices в своих гальванических развязках серии ADuM [2]. Развязка состоит из двух кристаллов, размещенных в одном корпусе. Кристаллы изготавливаются по обычной КМОП-технологии, на одном из кристаллов размещается трансформатор на полиимидных слоях, как показано на рис.3.
Трансформаторная развязка позволяет работать со скоростью до 100 Мбит/с. Напряжение изоляции достигает 4 000 В. Из-за отсутствия магнитного сердечника развязка невосприимчива к постоянным магнитным полям,
а малый размер способствует низкой восприимчивости к переменным магнитным полям.
При реализации микросхемы трансформаторной гальванической развязки, выполненной на КМОП-технологии, можно использовать три основных принципа передачи информации:
"установка / сброс";
амплитудная модуляция;
полярность импульсов.
Схема передачи информации "установка / сброс" с двойным трансформатором приведена на рис.4. Достоинством этой схемы является простота реализации, недостатком – большая занимаемая площадь на кристалле, поскольку для одного канала требуется два трансформатора.
Схема передачи на основе амплитудной модуляции (рис.5) является несколько сложнее в реализации, но занимает меньшую площадь, поскольку использует один трансформатор.
В схеме передачи информации на основе полярных импульсов (рис.6) также используется один трансформатор. Достоинством этой схемы является низкая потребляемая мощность.
В рамках одного КМОП-технологического процесса возможно изготовление трансформаторной гальванической развязки и схемы управления на двух кристаллах. Это позволяет достичь значения напряжений изоляции порядка 4 000 В и обеспечить устойчивость к воздействию синфазных помех между входом и выходом, на уровне 15 кВ/мкс.
В НПК "Технологический центр" на основе унифицированной библиотеки ячеек серии базовых кристаллов 5521 была разработана заказная микросхема двухканальной гальванической развязки. Микросхема изготавливается по радиационно-стойкой КМОП-технологии с нормами 0,18 мкм на объемном кремнии. Напряжение питания составляет 3 В ± 10% или 3,3 В ± 10% [3, 4]. Микросхема выполнена в корпусе 5123.28-1 в виде микросборки из двух кристаллов: передатчика и приемника.
При передаче информации используется амплитудная модуляция в связи с простотой ее реализации и высокой скоростью, около 100 Мбит/с. Структурная схема одного канала микросхемы трансформаторной гальванической развязки показана на рис.7. Передатчик содержит LC-генератор и два модулятора. Схема приемника включает два компаратора, блок формирования уровней сравнения для компараторов, комбинационную логику и выходной цифровой драйвер.
LC-генератор формирует для двух модуляторов несущую частоту 800 МГц. Выходные сигналы модуляторов являются функцией умножения входного сигнала и несущей частоты, которая подается на модуляторы со сдвигом по фазе 180°. Сигналы с модуляторов поступают на первичную обмотку первого трансформатора.
На вход приемника поступает сигнал со вторичной обмотки второго трансформатора. Детектирование сигнала осуществляется с помощью высокочастотных компараторов и схемы на комбинационной логике.
Трансформаторы в микросхемах приемника и передатчика выполнены в верхних слоях металлизации (рис.8). Для увеличения значения напряжения изоляции в одном канале используется два трансформатора, последовательно соединенные проволочными проводниками. Подложки микросхем передатчика и приемника при этом изолированы друг от друга.
В таблице указаны основные параметры разработанной в НПК "Технологический центр" микросхемы гальванической развязки в сравнении с микросхемой-аналогом ADUM1100 фирмы Analog Devices.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания 8.537.2016/БЧ.
ЛИТЕРАТУРА
Cory Lynn Fandrich. An On-Chip Transformer-Based Digital Isolator System. University of Tennessee, Knoxville 2013.
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/MS-2234.pdf
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практическое пособие / Под общ.ред.Саурова А.Н. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных кристаллов // Известия ВУЗов. Электроника. 2015. № 5(101). С. 497–504.
Отзывы читателей
