כיצד לבצע אופטימיזציה עבור בידוד וביצועים באמצעות מבודדים דיגיטליים מתקדמים

מתכנני מערכות אלקטרוניות צריכים לשלב בידוד הספקת-כוח ואותות כדי לעמוד בדרישות הביצועים תוך עמידה בדרישות הרגולטוריות עבור בטיחות המשתמש וההתקן. הבידוד של נתיב הספקת-כוח AC מתבצע בקלות באמצעות שנאי. הבידוד של פס הספקת-כוח DC מסתמך בסופו של דבר גם על שנאי, אם כי הוא דורש יותר מעגלים. עם זאת, בידוד עבור אותות אנלוגיים שעברו דיגיטציה, כמו גם עבור זרמי נתונים טוריים דיגיטליים, מציג אתגרים וסיבוכים שונים.

במקרה זה, טכניקת העברת האנרגיה המשמשת לבידוד חייבת לשמור על שלמות האות על פני מחסום הבידוד כדי לשמור על ביצועי המערכת. למרות שישנן דרכים רבות ליישם בידוד, המתכננים חייבים להבטיח את שלמות האות בקצבי נתונים גבוהים יותר ובסביבות מאתגרות יותר. כתוצאה מכך, הם פונים יותר ויותר למבודדים דיגיטליים היכולים להעביר נתונים במהירות של 150 מגה-ביט לשנייה (Mbps).

מאמר זה בוחן בקצרה מדוע נדרש בידוד, תוך הדגשת הצורך במעגלים מבוססי חיישנים. לאחר מכן הוא בוחן היבטים שונים של בידוד באמצעות מבודדים דיגיטליים מתקדמים ביותר של Analog Devices‏ ומראה כיצד ניתן ליישם אותם.

בידוד: מדוע והיכן

ישנן מספר סיבות מדוע יש צורך בבידוד במעגלים מבוססי חיישנים:

1. בידוד יכול לבטל שינויים במתח אופן-משותף (CM‏) ולמזער סוגים מסוימים של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הוא מבטיח מדידות נקיות ומדויקות יותר על ידי מניעת מקורות רעש חיצוניים מלפגום באות הנקלט. הוא גם מאפשר מדידה של אותות קטנים שיש להם מתח אופן-משותף גבוה.
2. עקב הבדלים בפוטנציאלים בין הארקות המעגל, חוגי הארקה יכולים להכניס הפרשי מתח המעוותים את האות הנמדד. הבידוד מנתק את חוג ההארקה.
3. הבידוד מונע משיאי מתח, טרנזיינטים או נחשולים מסוכנים מלהגיע לרכיבי מדידה רגישים. זה מגן על מעגלי המדידה, על כל ההתקנים המחוברים ועל המשתמש.
4. הבידוד תומך בתרגום רמה בטוח בין פונקציות מעגל שונות. מעגלים בצד אחד של מחסום הבידוד יכולים להיות במתח המתמר, בעוד שהמעגלים בצד השני יכולים להיות ב-3.3 או 5 וולט עבור אותות ברמת-לוגיקה.

לדוגמה, במערך סוללות במתח גבוה, לעתים קרובות יש צורך לדעת את מתחי התא הבודד כדי להבטיח שהמערכת פועלת בבטחה ומשיגה את חיי הסוללה הארוכים ביותר. יש למדוד את המתח על פני תא בודד למרות נוכחותם של עד כמה מאות וולט של מתח אופן-משותף (CM‏) על פני מערך סוללות המחוברות בטור.

אמנם ניתן להשתמש במעגלים אנלוגיים ובמגברי בידוד כדי להתגבר על בעיה זו, אך גישות אלה אינן עונות על הצורך במדידות עם רוחב פס ורזולוציה גבוהים יותר תוך שמירה על דיוק המערכת, ליניאריות ועקביות.

במקום זאת, הטכניקה המדויקת, החסכונית והיעילה ביותר לביצוע מדידות אלו היא לבודד את כל הקצה-קדמי למדידה, כולל הממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC), ולאחר מכן להשתמש בקישור טורי מבודד עבור הנתונים הדיגיטליים ליתר המערכת (איור 1).

איור 1: שימוש בקצה-קדמי מבודד בעת מדידת המתח של תא בודד במערך סוללות מתח גבוה מתגבר על האתגר של מתחי אופן-משותף (CM‏). (מקור התמונה: Analog Devices)

גישה זו מבודדת את מתח אופן-משותף של מערך הסוללות תוך מניעת נדידה של מתח גבוה מסוכן לצד קישור-הנתונים או למשתמש במקרה של תקלה.

שימו לב שבכל פעם שיש צורך בבידוד אותות, ישנה גם דרישה להספקת-כוח מבודדת, שכן פסי הספקת-כוח לא-מבודדים הם בניגוד ובשלילה לבידוד אותות. ניתן ליישם את בידוד הספקת-כוח הדרוש באמצעות מעגל בידוד הספקת-כוח נפרד או באמצעות סוללה כמקור הספקת-כוח עצמאי ומבודד.

כיצד לספק בידוד

פרמטרים רבים מגדירים את ביצועי הבידוד. בין אלה הוא המתח המקסימלי שמחסום הבידוד יכול לעמוד בו לפני שהוא נכשל. התקנות מסדירות את המקסימום הנדרש, בדרך כלל כמה אלפי וולט, בהתאם ליישום.

ניתן להשתמש במספר טכנולוגיות שונות כדי להשיג בידוד של אותות דיגיטליים. אלו כוללות צימוד קיבולי, צימוד אופטי (LED ופוטו-טרנזיסטור), שידור RF בקנה מידה "מיקרו" וצימוד מגנטי.

זה האחרון הוא טכניקה אמינה עם תכונות חיוביות רבות, אך דרשה בעבר שנאי אותות גדול ויקר יחסית. מצב זה השתנה עם הצגת טכנולוגיית Coupler‏i‏ של Analog Devices. גישה זו משתמשת בסלילי שנאי ראשוני ושניוני בגודל-שבב המופרדים על ידי מחסום בידוד שנוצר על ידי שכבות של בידוד פוליאמיד (איור 2). גל-נושא בתדר גבוה משדר נתונים על פני מחסום הבידוד לסליל השניוני.

איור 2: טכנולוגיית iCoupler משתמשת בגל-נושא בתדר גבוה כדי להעביר נתונים מהסליל הראשוני לסליל השניוני על פני בידוד פוליאמיד עבה. (מקור התמונה: Analog Devices)

בפעולה, השנאי הראשוני נדחף על ידי זרם בפולסים דרך הסליל הראשוני שלו כדי ליצור שדה מגנטי קטן ומקומי המשרה זרם בסליל השניוני. פולסי הזרם הם קצרים, בערך של ננו-שנייה אחת (ns‏ 1‏), כך שהזרם הממוצע נמוך כדי להבטיח צריכת הספק נמוכה. כמו כן, טכניקת קידוד On/Off‏ (OOK‏) המשמשת עבור פולסים והארכיטקטורה הדיפרנציאלית מספקות שיהוי התפשטות קצר מאוד ויכולת מהירות גבוהה.

החומרים הפולימריים המשמשים ב-Coupler‏i‏ מציעים בידוד חסון, מכיוון שהחומר מורשה לכמעט כל היישומים. מקרי השימוש המאתגרים ביותר, כגון מכשור רפואי וציוד תעשייתי כבד, נהנים בעיקר מיכולת ביצועים זו.

לפולימיד יש גם מאמצים נמוכים יותר לעומת סיליקון דו-חמצני (_2‏SiO‏), חומר מחסום חלופי, וניתן להגדיל את עוביו לפי הצורך. לעומת זאת, עובי ה-_2‏SiO‏, ולכן יכולת הבידוד, הם מוגבלים; והמאמצים על עוביים הגדולים מ-15 מיקרומטר (μm‏) עלולים לגרום לפרוסות סדוקות במהלך העיבוד, או התקלפות-הלמינציה לאורך חיי המבודד. מבודדים דיגיטליים מפוליאימיד משתמשים בשכבות בידוד בעובי של עד μm‏ 26‏.

Analog Devices מציעה מגוון של מבודדים דיגיטליים Coupler‏i‏ מבוססי שנאי. ביניהם ניתן למצוא את ה-ADUM340E0BRWZ-RL ,ADUM341E0BRWZ-RL ו-ADUM342E1WBRWZ‏ 3,000 וולט rms‏, מבודדי Mbps‏ 150‏ עבור ממשקי CAN, RS-485 ו-SPI.

שלושת המבודדים הדיגיטליים הללו נקראים ביחד התקני ADuM34xE‏, הנבדלים בעיקר בכיווניות הערוץ שלהם. ל-ADuM340E‏ יש ארבעה ערוצים קדימה, ל-ADuM341E‏ יש שלושה ערוצים קדימה ואחד אחורה, ול-ADuM3421‏ שני ערוצים קדימה ושני ערוצים אחורה (איור 3).

איור 3: לשלושת המבודדים הדיגיטליים בעלי ארבעה ערוצים בסדרת ADuM34xE יש מפרטים דומים אך הם שונים בכיווניות הערוץ. (מקור התמונה: Analog Devices)

שלושת המבודדים מוצעים כל אחד עם בחירה בין שני אופני אל-כשל (Fail-Safe‏) (איור 4): מצב היציאה מוגדר לנמוך אם צד הכניסה כבוי או אינו פועל (אל-כשל נמוך), או מצב היציאה מוגדר לגבוה אם צד הכניסה כבוי או אינו פועל (אל-כשל גבוה). זה מאפשר למבודדים לחזור למצב ידוע בעת שימוש ביישומים קריטיים.

איור 4: מוצגות דיאגרמות בלוקים תפעוליות של ערוץ יחיד של התקן ADuM34xE הממחישות את אפשרויות אל-כשל נמוך (למעלה) ואל-כשל גבוה (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

שימו לב שאין קשר בין הספקות צד-כניסה (פין _DD1‏V‏ באיור 3 וצד-יציאה (_DD2‏V‏). הם יכולים לפעול בו-זמנית בכל מתח בתוך תחומי הפעולה והרצף שצוינו בכל סדר. תכונה זו מאפשרת למבודד לבצע תרגומי מתח של לוגיקה של 2.5 וולט, 3.3 וולט ו-5 וולט, בין היתר.

ניואנסים של מאפייני הביצועים של ADuM34xE

למתח הבידוד הגבוה, המהירות הגבוהה, ההספק הנמוך ושיהוי ההתפשטות הקצר של המבודדים ADuM34xE יש ישימות ישירה, אך לארכיטקטורה שלהם יש יתרונות עם יותר ניואנסים שהמתכננים יכולים להשתמש בהם. לדוגמה, צריכת ההספק המצרפית היא מידרגית עם תדר הפעולה, ודרישות ההספק הן בערך פרופורציונליות למהירות שבה ההתקנים פועלים. לכן, ערוצים שאינם פעילים או ממותגים במהירויות נמוכות מאוד צורכים מעט מאוד הספק. התוצאה היא הפחתה יחסית בצריכת ההספק של סדר גודל אחד עד שניים בהשוואה לטכניקות בידוד חלופיות.

כמו כן, לאחר שהמתכננים קבעו את קצב השעון הטורי המקסימלי עבור היישום, ניתן לבחור את ספק הכוח המבודד המתאים כדי לספק די זרם לתמיכה רק בקצב זה, ולחסוך את הצורך במפרט-יתר מעבר לערך המקסימלי של המבודד.

עקב החשיבות של שיהוי התזמון וההתפשטות בקישורים טוריים במהירות גבוהה, חשוב לציין שביצועי המבודד הדיגיטלי אינם יורדים או משתנים על-פני הזמן והטמפרטורה. בעוד שהריצוד הוא פחות בעייתי בקצבי איתות נמוכים שבהם השגיאה שלו היא קטנה בהשוואה למחזור צורת-הגל, בקצבי נתונים גבוהים יותר, ריצוד התזמון הופך לאחוז משמעותי באינטרוול האות. בחירת מבודד עם הריצוד הנמוך ביותר יכולה להגביר את יחס האות-לרעש (SNR) ואת הנצילות של המעגל המבודד.

בשל מאפיינים אלה של ארכיטקטורת Coupler‏i‏, גיליונות הנתונים של ההתקן מגדירים צריכת הספק מינימלית ומקסימלית, שיהויי התפשטות ומפרטי עיוות-פולסים מובטחים על פני מלוא תחום טמפרטורת הפעולה שלהם של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+. עבור המתכננים, מפרט שלם זה מפשט את החישובים הקשורים לביצועי המערכת במקרה הגרוע ביותר.

עם המספרים המובטחים של המבודדים הדיגיטליים הקשורים לשיהוי ההתפשטות (מקסימום של ns‏ 10‏), Skew‏ ותיאום ערוץ-לערוץ, ניתן לבנות מודל ולהעריך את מפרטי תזמון המערכת ברמה-העליונה כמו עם ICs דיגיטליים אחרים.

איור 5: טכנולוגיית iCoupler היוצרת שיהוי התפשטות קצר ביותר ומאופיין במלואו של פחות מ-ns‏ 10‏ על פני מלוא תחום טמפרטורת הפעולה. (מקור התמונה: Analog Devices)

חסינות טרנזיינטי אופן-משותף (CMTI‏) היא מפרט פחות מוכר שבקלות יכול לחמוק מן העין. המיתוג הקבוע ביישומי מתח גבוה כגון מעגלי טעינה ברכבים חשמליים (EV) והיברידיים (HEV‏), מערכות אנרגיה סולארית ודוחפי מנועים מציגים טרנזיינטי אופן-משותף (CM‏) כגון Ringing‏ ורעש. טכנולוגיית הבידוד בהתקני ADuM34xE ממנפת את ארכיטקטורת שנאי עם סעף (Tap‏)-מרכזי גב-לגב המספקת נתיב עם אימפדנס נמוך להארקה עבור רעש בכל צד של מחסום הבידוד. זה מאפשר להם להשיג דירוג CMTI של 100 קילו-וולט למיקרו-שנייה (kV/µs) (מינימום), המשפר משמעותית את שלמות האות המבודד.

מתכננים הבקיאים במגנטיות עשויים לחשוש מכך שמבודדים אלה עלולים להיות מושפעים מהפרעות מגנטיות העלולות לפגום בפולסי השידור על פני מחסום הבידוד, ולגרום לשגיאות. חשש זה אינו במקומו, מכיוון שהרדיוס הקטן של השנאי וליבת האוויר משמעותם שנדרש שדה מגנטי גדול ביותר או תדר גבוה ביותר כדי להשרות תקלה. מבודדים דיגיטליים אינם מושפעים מ-500 אמפר (A) ב-1 מגה-הרץ (MHz) בחוט במרחק של 5 מילימטרים (מ"מ) בלבד מההתקן.

הערכת מבודדים דיגיטליים

בעוד שהפונקציונליות של מבודדים אלו היא פשוטה, יישומם דורש תשומת לב לפרטים, כגון פריסת הלוח, כדי להבטיח שלא ייפגעו יכולות בידוד המתח הגבוה והפעולה המהירה שלהם.

כדי לסייע למתכננים בשימוש והערכת ההתקנים, Analog Devices מציעה את לוח הערכת ממשק המבודד הדיגיטלי Coupler‏i‏ EVAL-ADUM34XEEBZ‏ (איור 6). ללוח זה יש מיקומים ופריסות עבור אחד מכל אחד מהמבודדים, בתוספת מיקום רביעי לא מחייב. הלוח כולל חריצים בצורת V בין כל רכיב (U1 עד U4) כדי לאפשר למשתמשים לפצל את הלוח למקטעים ולבחון התקן ספציפי על לוח אב-טיפוס או מתקן בדיקה דומה.

איור 6: לוח ההערכה EVAL-ADuM34XEEBZ תומך בכל שלושת התקני ADuM34xE ויש לו מיקום פתוח עבור בחירת התקן תואם-מערך-הפינים של המשתמש. (מקור התמונה: Analog Devices)

לוח ה-EVAL-ADuM34XEEBZ עוקב אחר נוהלי התכנון המתאימים של לוח המעגלים המודפסים (לוח PCB‏), כולל משטח הארקה בכל צד של מחסום הבידוד. הערכת התקן Coupler‏i‏ באמצעות לוח זה דורשת רק אוסצילוסקופ, מחולל אותות וספק-כוח של V‏ 2.25‏ עד V‏ 5.5‏.

מסקנות

יש צורך בבידוד בתכנים רבים כדי לשמור על שלמות האות, להבטיח את בטיחות המשתמש וההתקן, ולעמוד בדרישות הרגולטוריות. התקני בידוד דיגיטליים המבוססים על טכנולוגיית צימוד מגנטי Coupler‏i‏ של Analog Devices מציעים פתרון במהירות גבוהה קל לשימוש ואמין. מפרטי הליבה שלהם, כולל דגרדציה מינימלית על-פני הזמן והטמפרטורה, מבטיחים ביצועים מעולים לטווח ארוך.