Изоляторы μMODULE: высокоинтегрированные изолированные интерфейсы для ответственных применений от Linear Technology (LTC)

2 Фев 2017

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 2016)

Скачать статью в формате PDF (2 МБ)

---

Изолированные интерфейсы μModule производства компании Linear Technology представляют собой комплексные, полностью законченные решения типа система-в-корпусе (англ. SiP — system-in-package), которые обеспечивают устойчивость изоляции по пробивному напряжению до 7,5 кВ для самых популярных последовательных интерфейсов и устройств, включая: USB, RS485, RS232, SPI/Digital, I²C, АЦП, ЦАП и ключи. Кроме того, большая часть интерфейсов имеет интегрированный в корпус, изолированный DC/DC-преобразователь, обеспечивающий внешние вспомогательные компоненты и устройства изолированной линией питания, мощностью до 1 Вт. Внешних компонентов не требуется, вся необходимая обвязка уже интегрирована в корпус.

 

Преимущества изоляторов uModule

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка в модулях изолированных интерфейсов основана на использовании встроенных, индукционно соединенных катушек, где данные передаются дифференцированно через границу изоляции. Такой режим передачи отличается чрезвычайно высокой устойчивостью и надежностью общей схемы в части передачи и приема данных. Простые, обеспечивающие необходимый изоляционный барьер решения, выполнены путем интеграции в одном корпусе модуля не только непосредственно изолированной схемы передачи данных, но и изолированного источника питания, а также всех необходимых пассивных компонентов обвязки, включая развязывающие конденсаторы.

Достигнутый изоляционный барьер в конечном счете приводит к более высокой степени надежности и защиты от воздействия статического электричества (ESD).

 

Устойчивость к синфазным помехам от переходных процессов

Использованная дифференциальная схема передачи сигналов обеспечивает устойчивый обмен данными даже при наличии синфазных переходных помех, имеющих скорость нарастания до 70 кВ/мкс, при этом подобное воздействие не оказывает влияние на передаваемый сигнал. Для дополнительного обеспечения надежной цифровой связи система включает также обновление данных, алгоритм проверки на наличие ошибок и функцию безопасного отключения.

 

Наличие интегрированного изолированного DC/DC-преобразователя

Все модули изолированных интерфейсов, за исключением LTM2892 / LTM2893 / LTM2894 / LTM2895, имеют по крайней мере один изолированный DC/DC-преобразователь для питания прилегающих компонентов, например преобразователей данных. Интегрированный преобразователь является стабилизированным и отказоустойчивым, а его КПД составляет около 65%, при этом в ряде наименований имеется функция подстройки выходных параметров с помощью одного внешнего резистора.

 

Рис. 4. График работы LTM2892 при воздействии синфазных помех

Рис. 5. График зависимости выходной мощности от входного напряжения для версий с выходом на 3 В и 5 В, соответственно

Безопасность, ЭMC и ЭМИ

Изоляторы μModule имеют все необходимые сертификаты электромагнитной совместимости (ЭМС) и соответствия стандартам по уровню излучаемых электромагнитных помех (ЭМП). Более того, компоненты сертифицированы и на соответствие требованиям безопасности. Так, все изолированные интерфейсы μModule проходят поверку на соответствие общепринятым стандартам безопасности, включая стандарты типа UL1577 и CSA Component Acceptance Notice #5A. В соответствии с ними испытания устойчивости изоляционного барьера к пробою проводятся при различных условиях окружающей среды, кроме того, они требуют проведения приемо-сдаточных испытаний для 100% изделий. Дополнительно все устройства тестируются на чувствительность их изоляционного барьера к частичным разрядам.

ЭМС подразумевает, что изделия будут сохранять свою работоспособность в условиях внешних электромагнитных помех. Все изолированные интерфейсы μModule проходят испытания на ЭМС согласно требованиям IEC 61000-4-3/-8/-9, при воздействии на устройства внешних электромагнитных полей с заданными частотами и различными уровнями напряженности электромагнитного поля.

ЭМИ относится уже не к стороннему воздействию, а к реальному излучению электромагнитных помех непосредственно самим устройством. Все изолированные интерфейсы μModule являются малошумными и имеют уровни собственного излучения электромагнитных помех ниже пределов, установленных по стандарту CISPR 22 класса А и В, а также ниже предела установленного Федеральной комиссия по связи США (FCC) для класса A (рис. 6).

Рассмотрим более подробно характеристики и преимущества изолированных трансиверов, предлагаемых компанией Linear Technology.

 

RS485 трансивер

• Одиночный TIA/EIA-485-A (и PROFIBUS) совместимый трансивер;
• полудуплексный или полный дуплексный режим;
• интегрированный DC/DC-преобразователь и блокировочные конденсаторы;
• напряжение для питания цифровой логики от 1,62 В до 5,5 В;
• устанавливаемая скорость передачи данных 20 Мбит/с или 250 кбит/с;
• устойчивость к синфазным переходным помехам 30 кВ/мкс;
• устойчивость к разряду статического электричества до ±15 кВ;
• длина пути тока утечки 14,6 мм (LTM2885).

 

Ключевая особенность – интегрированная, подключаемая при необходимости, оконечная нагрузка 120 Ом

Предусмотренные в структуре модуля подключаемые при необходимости на выводы резисторы номиналом в 120 Ом предназначены для минимизации отражений импульсных сигналов, которые могут присутствовать на разомкнутых линиях передачи. Локальные сети, основанные на интерфейсе RS485, требуют наличия нагрузочных резисторов номиналом в 120 Ом, которые устанавливаются конечным пользователем на основе фактического физического размещения витой пары и размещения узлов. Интегрированные в модули и подключаемые по необходимости резисторы позволяют организовывать такую нагрузку на соответствующие узлы путем программно выбираемого варианта – подключения или отключения оконечной нагрузки уже без необходимости физического вмешательства со стороны пользователя сети.

RS232 трансивер

• Сдвоенный TIA/EIA-485-A (и PROFIBUS) совместимый трансивер;
• полудуплексный или полный дуплексный режим;
• интегрированный DC/DC-преобразователь и блокировочные конденсаторы;
• напряжение для питания цифровой логики от 1,62 В до 5,5 В;
• скорость передачи данных до 1 Мбит/с;
• устойчивость к синфазным переходным помехам 30 кВ/мкс;
• устойчивость к разряду статического электричества до ±10 кВ.

Рис. 9. Блок-схема RS232 трансивера – LTM2882

Рис. 10. Наличие дополнительного цифрового канала

Ключевая особенность – «гибкий» дополнительный канал

Трансивер имеет вспомогательный изолированный цифровой канал, который при необходимости можно использовать как канал передачи данных или дополнительный функциональный канал, например, для контроля включения передатчика (драйвера) на ведомой стороне в режиме полудуплекса, с малой задержкой активации (вывод DE — Driver Enable). При переключении каждый передатчик включается и выключается за время менее чем в 2 мкс, в то время как каждый приемник остается постоянно активным.

 

 

SPI/I²C трансиверы

• 6-ти канальный SPI/Digital или I²C трансивер
• интегрированный DC/DC-преобразователь (LTM2883, LTM2886 & LTM2887)
• напряжение для питания цифровой логики от 1,62 В до 5,5 В
• скорость передачи данных 10 МГц SPI или 400 кГц I²C Data Rate
• устойчивость к синфазным переходным помехам 50 кВ/мкс
• устойчивость к разряду статического электричества до ±15 кВ.

 

Ключевая особенность – наличие нескольких изолированных выходов для питания прилегающих компонентов

За исключением модуля LTM2892 интерфейсы данного типа имеют до трех стабилизированных изолированных выходов с током нагрузки до 100 мА, которые могут использоваться для питания компонентов обвязки или прочих прилегающих компонентов, устраняя при этом необходимость в использовании отдельных изолированных DC/DC-преобразователей. Некоторые из выходов являются подстраиваемыми, благодаря чему номиналы выходного напряжения можно изменять в соответствии с необходимой задачей с помощью одного внешнего резистора.

 

SPI контроллеры устройств преобразования данных

• Скорость передачи данных SPI интерфейса с преобразователем и контролем данных до 100 МГц;
• конфигурированная длина пакета (Word Length) SPI: от 8 до 32 бит;
• низкий, не более 30 пс (скз.), джиттер при преобразовании сигналов Start и /LOADs;
• выбор три изолированных канала управления или сигнальный мультиплексор;
• напряжение для питания цифровой логики от 1,71 В до 5,5 В.

 

Ключевая особенность – оптимизированы для высокопроизводительных преобразований

До 10 изолированных логических каналов поддерживают самые требовательные АЦП и ЦАП наряду с конфигурациями двойного преобразования, аналоговыми мультиплексорами и усилителями с программируемым коэффициентом усиления. Такие важные характеристики как сигнал/шум и джиттер поддерживаются со скоростью чтения/записи через SPI вплоть до 100 МГц.

 

Рис. 14. Сигнал/шум и джиттер сохраняются на должном уровне вплоть до 100МГц

Таблица 4. Перечень изолированных SPI контроллеров АЦП/ЦАП

USB-трансиверы

• 

  Рис. 15. Блок-схема USB трансивера LTM2894

  Поддержка USB 2,0 в режимах полной скорости (12 Мбит/с) и низкой скорости (1,5 Мбит/с);
• интегрированный DC/DC-преобразователь, с внешним питанием или от шины (LTM2884);
• длина пути тока утечки 17,4 мм (LTM2894);
• устойчивость к синфазным переходным помехам 50 кВ/мкс;
• устойчивость к разряду статического электричества до ±20 кВ.

 

Ключевая особенность – авто-конфигурация скорости шины

Автоматическая подстройка скорости конфигурируется путем использования интегрированных в модуль «подтягивающих» резисторов на входе порта. Подключением резисторов определенного номинала устанавливается максимальная скорость 12 Мбит/с или пониженная скорость 1,5 Мбит/с. Подобная топология позволяет автоматически определять нисходящий порт устройства, избавляя внешнюю шину от «подтягивающих» резисторов и любых связанных ключей, перемычек или манипуляций с программным обеспечением.

Рис. 16. Функция автоконфигурации скорости передачи данных

Таблица 5. Перечень изолированных USB трансиверов

 

CAN-трансивер

• 

  Рис. 17. Блок-схема CAN трансивера – LTM2889

  Соответствует спецификации CAN FD;
• скорость передачи данных до 4 Мбит/с;
• интегрированный DC/DC-преобразователь и блокировочные конденсаторы;
• напряжение для питания цифровой логики от 1,62 В до 5,5 В;
• отказоустойчивость до ±60В;
• устойчивость к синфазным переходным помехам 30 кВ/мкс ;
• устойчивость к разряду статического электричества до ±25 кВ.

 

Ключевая особенность – совместимость с стандартами ISO 11898-2 и DeviceNet

Стандарт ISO 11898-2:2003, определяющий физические уровни и уровни линии передачи данных CAN шины, требует от трансиверов поддержку скорости передачи данных в 1 Мбит/с, более того, трансиверы должны удовлетворять требованиями, приведенным в таблице 6. CAN-трансивер LTM2889 отвечает всем этим требованиям, а в дополнение еще и более жестким требованиям стандарта DeviceNet (протокол для промышленной сети CAN), который обычно используется для связи датчиков, исполнительных механизмов и программируемых логических контроллеров между собой.

 

Таблица 6. Требования, предъявляемые к CAN-трансиверам

Таблица 7. Перечень изолированных CAN-трансиверов

 

Контроллер ключа

• 

  Рис. 18. Блок-схема контроллера ключа – LTM9100

  Коммутатор нагрузки или контроллер быстрой замены (Hot Swap) с I²C телеметрией;
• 10-битный АЦП для мониторинга тока и двух напряжений;
• интегрированный DC/DC-преобразователь и развязывающие конденсаторы;
• напряжение логики от 3 В до 5,5 В;
• устойчивость к синфазным переходным помехам 30 кВ/мкс;
• устойчивость к разряду статического электричества до ±20 кВ;
• длина пути тока утечки 14,6 мм.

 

Ключевая особенность – решение типа все-в-одном

LTM9100 представляет собой решение типа все-в-одном, предназначенное для управления, защиты и мониторинга высоковольтных источников питания с напряжением до 1000 В постоянного тока. Изоляционный барьер модуля обеспечивает гальваническую развязку с устойчивостью изоляции до 5 кВ (скз.), которая отделяет цифровой интерфейс от контроллера драйвера ключа в виде внешнего N-канального МОП-транзистора или IGBT-ключа. Изолированное цифровое измерения тока нагрузки, напряжения на шине и температуры доступно через интерфейс I²C/SMBus, которое позволяет осуществлять полный мониторинг параметров высоковольтной шины. Модуль LTM9100 экономит время на разработку, затраты на сертификацию и уменьшает площадь печатной платы благодаря высокому уровню функциональной интеграции, включая цифровую телеметрию и изолированное питание в одном компактном BGA-корпусе.

Благодаря использованной изолированной технологии, обеспечивающей эффективную гальваническую развязку, модуль LTM9100 легко конфигурируется как для высокой стороны, так и низкой (через возврат тока через землю), а также для приложений с плавающей землей. Пусковой ток минимизируется мягким включением нагрузки, а шина питания защищается от перегрузки и короткого замыкания при помощи схемы токоограничивающего автоматического предохранителя. Модуль LTM9100 достаточно универсален, чтобы контролировать пусковой ток не только в режиме горячей замены плат, но и может найти применение для трансформаторов переменного тока, приводов и схем управления индуктивными нагрузками.

 

Заключение

Изолированные трансиверы производства компании Linear Technology обеспечивают надежную гальваническую изоляцию для различных цифровых последовательных интерфейсов и устройств связи, включая SPI, I²C, RS485/RS422, RS232, USB, CAN, преобразователи данных и коммутирующие устройства / ключи. Изоляция реализуется с использованием либо недорогих Ethernet трансформаторов, либо развязывающих конденсаторов или встроенных катушек индуктивности. Все устройства просты в настройке, малошумны и имеют очень низкую подверженность электромагнитному излучению, а также высокую помехоустойчивость, что полностью обеспечивает сохранность и целостность передаваемого сигнала.

По вопросам получения образцов и отладочных плат, вы можете обратиться к одному из авторов статьи – Башмакову Павлу (pavel.bashmakov@ptelectronics.ru)

 

*По материалам Linear Technology