Cómo optimizar el aislamiento y el rendimiento con aisladores digitales avanzados

Los diseñadores de sistemas electrónicos tienen que incorporar el aislamiento de la alimentación y las señales para cumplir los requisitos de rendimiento y, al mismo tiempo, satisfacer los mandatos normativos de seguridad de usuarios y dispositivos. El aislamiento de una ruta de alimentación de CA se consigue fácilmente con un transformador. El aislamiento de un carril de alimentación de CC también depende en última instancia de un transformador, aunque requiere más circuitos. Sin embargo, el aislamiento de señales analógicas que han sido digitalizadas, así como de flujos de datos digitales en serie, presenta desafíos y complicaciones diferentes.

En este caso, la técnica de transferencia de energía utilizada para el aislamiento debe preservar la integridad de la señal a través de la barrera de aislamiento para mantener el rendimiento del sistema. Aunque hay muchas formas de aplicar el aislamiento, los diseñadores deben garantizar la integridad de la señal a velocidades de datos más altas y en entornos más difíciles. Por eso, recurren cada vez más a aisladores digitales capaces de transferir datos a 150 megabits por segundo (Mbps).

Este artículo examina brevemente por qué es necesario el aislamiento, haciendo hincapié en la necesidad en los circuitos basados en sensores. A continuación, examina diversos aspectos del aislamiento mediante aisladores digitales de última generación de Analog Devices y muestra cómo pueden aplicarse.

Aislamiento: por qué y dónde

Hay múltiples razones por las que es necesario el aislamiento en los circuitos basados en sensores:

1. El aislamiento puede eliminar las variaciones de tensión en modo común y minimizar algunos tipos de interferencias electromagnéticas (EMI). Garantiza mediciones más limpias y precisas al evitar que fuentes externas de ruido corrompan la señal adquirida. También, permite medir pequeñas señales que tienen altas tensiones en modo común.
2. Debido a las diferencias de potencial entre las masas de los circuitos, los bucles de masa pueden introducir diferenciales de tensión que distorsionan la señal medida. El aislamiento rompe el bucle de tierra.
3. El aislamiento evita que picos de tensión, transitorios o sobretensiones peligrosas alcancen componentes de medición sensibles. Esto protege los circuitos de medición, los dispositivos conectados y al usuario.
4. El aislamiento permite la traducción segura de niveles entre diferentes funciones del circuito. Los circuitos de un lado de la barrera de aislamiento pueden estar a la tensión del transductor, mientras que los del otro lado pueden estar a 3.3 ó 5 voltios para señales de nivel lógico.

Por ejemplo, en una pila de baterías de alto voltaje, a menudo es necesario conocer los voltajes individuales de las celdas para garantizar que el sistema funciona de forma segura y logra la mayor duración posible de la batería. La tensión a través de una sola célula debe medirse a pesar de la presencia de hasta varios cientos de voltios de tensión en modo común a lo largo de la pila de baterías conectadas en serie.

Aunque es posible utilizar circuitos analógicos y amplificadores de aislamiento para superar este problema, estos enfoques no satisfacen la necesidad de realizar mediciones con mayor ancho de banda y resolución, manteniendo al mismo tiempo la precisión, linealidad y coherencia del sistema.

En su lugar, la técnica más precisa, económica y eficiente para realizar estas mediciones es aislar todo el front-end de medición, incluido el convertidor analógico-digital (ADC), y luego utilizar un enlace serie aislado para los datos digitalizados al resto del sistema (Figura 1).

Figura 1: El uso de un front-end aislado al medir la tensión de una sola célula en una pila de alta tensión supera el reto de las tensiones en modo común. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este método aísla la tensión en modo común de la pila de baterías y evita que, en caso de avería, se transmitan altas tensiones peligrosas al lado del enlace de datos o al usuario.

Tenga en cuenta que siempre que sea necesario aislar la señal, también es necesario proporcionar alimentación aislada, ya que los raíles de alimentación no aislados contradecirían y anularían el aislamiento de la señal. El aislamiento de alimentación necesario puede realizarse mediante un circuito de aislamiento de alimentación independiente o utilizando una batería como fuente de alimentación independiente y aislada.

Cómo proporcionar aislamiento

Muchos parámetros definen el rendimiento del aislamiento. Entre ellas está la tensión máxima que puede soportar la barrera de aislamiento antes de fallar. La normativa regula el máximo exigido, que suele ser de varios miles de voltios, según la aplicación.

Para aislar las señales digitales pueden utilizarse varias tecnologías distintas. Entre ellos figuran el acoplamiento capacitivo, el acoplamiento óptico (LED y fototransistor), la transmisión de radiofrecuencia a escala "micro" y el acoplamiento magnético.

Esta última es una técnica fiable con muchos atributos positivos, pero históricamente ha requerido un transformador de señal relativamente grande y costoso. Esta situación cambió con la introducción de la tecnología iCoupler de Analog Devices. Este enfoque utiliza bobinas de transformador primario y secundario a escala de chip separadas por una barrera de aislamiento creada por capas de aislamiento de poliimida (Figura 2). Una portadora de alta frecuencia transmite los datos a través de la barrera de aislamiento hasta la bobina secundaria.

Figura 2: La tecnología iCoupler utiliza una portadora de alta frecuencia para transmitir datos de la bobina primaria a la secundaria a través de un aislamiento grueso de poliimida. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En funcionamiento, el transformador principal es accionado por una corriente pulsada a través de su bobina primaria para crear un pequeño campo magnético localizado que induce corriente en la bobina secundaria. Los pulsos de corriente son cortos, de aproximadamente 1 nanosegundo (1 ns), por lo que la corriente media es baja para garantizar un bajo consumo. Además, la técnica on/off keying (OOK) utilizada para la pulsación y la arquitectura diferencial proporcionan un retardo de propagación muy bajo y capacidad de alta velocidad.

Los materiales poliméricos utilizados en iCoupler ofrecen un aislamiento resistente, ya que el material está cualificado en casi todas las aplicaciones. Los casos de uso más exigentes, como los dispositivos médicos y los equipos industriales pesados, son los que más se benefician de esta capacidad de rendimiento.

La poliimida también tiene menor tensión que el dióxido de silicio (SiO₂), un material de barrera alternativo, y puede aumentarse su grosor según sea necesario. En cambio, el grosor del SiO₂, y por tanto la capacidad de aislamiento, es limitado; la tensión en grosores superiores a 15 micrómetros (μm) puede inducir obleas agrietadas durante el procesamiento, o deslaminación a lo largo de la vida útil del aislador. Los aislantes digitales de poliimida utilizan capas de aislamiento de hasta 26 μm de grosor.

Analog Devices ofrece una variedad de aisladores digitales iCoupler basados en transformador. Entre ellos, se encuentran los aisladores ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL y ADUM342E1WBRWZ de 3000 voltios rms y 150 Mbps para interfaces CAN, RS-485 y SPI.

Estos tres aisladores digitales se denominan colectivamente dispositivos ADuM34xE y difieren principalmente en la direccionalidad de sus canales. El ADuM340E tiene cuatro canales de avance, el ADuM341E tiene tres canales de avance y uno de retroceso, y el ADuM3421 tiene dos canales de avance y dos de retroceso (Figura 3).

Figura 3: Los tres aisladores digitales de cuatro canales de la serie ADuM34xE tienen especificaciones similares, pero difieren en la direccionalidad de los canales. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cada uno de los tres aisladores permite elegir entre dos modos a prueba de fallos (Figura 4): el estado de salida se establece en bajo si el lado de entrada está apagado o no funciona (a prueba de fallos bajo), o el estado de salida se establece en alto si el lado de entrada está apagado o no funciona (a prueba de fallos alto). Esto permite que los aisladores vuelvan a un estado conocido cuando se utilizan en aplicaciones críticas.

Figura 4: Se muestran los diagramas de bloques operativos de un solo canal de un dispositivo ADuM34xE que ilustran las opciones de seguridad baja (arriba) y alta (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Tenga en cuenta que no hay relación entre los suministros del lado de entrada (pin V_DD1 en la Figura 3) y del lado de salida (V_DD2). Pueden funcionar simultáneamente a cualquier tensión dentro de sus rangos de funcionamiento especificados y secuenciarse en cualquier orden. Esta característica permite al aislador realizar conversiones de tensión de 2.5 V, 3.3 V y 5 V lógicos, entre otras.

Matices de las características de rendimiento de ADuM34xE

La alta tensión de aislamiento, la alta velocidad, el bajo consumo y el bajo retardo de propagación de los aisladores ADuM34xE tienen una aplicabilidad directa, pero su arquitectura presenta ventajas más matizadas que los diseñadores pueden aprovechar. Por ejemplo, el consumo total de energía aumenta con la frecuencia de funcionamiento y las necesidades de energía son aproximadamente proporcionales a la velocidad a la que funcionan los dispositivos. Por lo tanto, los canales que están inactivos o que conmutan a velocidades muy bajas consumen muy poca energía. El resultado es una reducción relativa en el consumo de energía de uno a dos órdenes de magnitud en comparación con las técnicas de aislamiento alternativas.

Además, una vez que el diseñador ha determinado la velocidad de reloj serie máxima para la aplicación, la fuente de alimentación aislada asociada puede seleccionarse para proporcionar la corriente suficiente para soportar solo esta velocidad, eliminando la necesidad de sobreespecificar más allá del valor máximo del aislador.

Dada la importancia de la temporización y el retardo de propagación en los enlaces serie de alta velocidad, es importante señalar que el rendimiento del aislador digital no se degrada ni cambia con el tiempo y la temperatura. Mientras que el jitter es menos problemático a velocidades de señalización bajas, donde su error es pequeño en comparación con el periodo de la forma de onda, a velocidades de datos más altas, el jitter de temporización se convierte en un porcentaje significativo del intervalo de la señal. Elegir un aislador con el menor jitter puede aumentar la relación señal-ruido (SNR) y la eficiencia del circuito aislado.

Debido a estas características de la arquitectura iCoupler, las hojas de datos del dispositivo definen las especificaciones mínimas y máximas garantizadas de consumo de energía, retardos de propagación y distorsión de impulsos en todo su rango de temperaturas de funcionamiento de -40 °C a +125 °C. Para los diseñadores, disponer de estas especificaciones completas simplifica los cálculos relacionados con el rendimiento del sistema en el peor de los casos.

Con los números garantizados de los aisladores digitales relacionados con el retardo de propagación (máximo de 10 ns) (Figura 5), la desviación y la adaptación de canal a canal, las especificaciones de temporización del sistema de nivel superior pueden modelarse y evaluarse como con otros circuitos integrados digitales.

Figura 5: La tecnología iCoupler da como resultado un retardo de propagación muy bajo y totalmente caracterizado de menos de 10 ns en todo el rango de temperaturas de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La inmunidad transitoria en modo común (CMTI) es una especificación menos conocida y que se pasa por alto con facilidad. La conmutación constante en aplicaciones de alta tensión, como los circuitos de carga de vehículos eléctricos (VE) e híbridos (VEH), los sistemas de energía solar y los accionamientos de motores, introduce transitorios de modo común, como zumbidos y ruido. La tecnología de aislamiento de los dispositivos ADuM34xE aprovecha una arquitectura de transformador de toma central espalda con espalda que proporciona una ruta de baja impedancia a tierra para el ruido a cada lado de la barrera de aislamiento. Esto les permite alcanzar una clasificación CMTI de 100 kilovoltios por microsegundo (kV/µs) (mínimo), lo que mejora significativamente la integridad de la señal aislada.

A los diseñadores familiarizados con la magnética puede preocuparles que estos aisladores puedan verse afectados por interferencias magnéticas que corrompan los impulsos de transmisión a través de la barrera de aislamiento, provocando errores. Esta preocupación está fuera de lugar, ya que el pequeño radio y el núcleo de aire de los transformadores hacen necesario un campo magnético extremadamente grande o una frecuencia muy alta para inducir un fallo. Los aisladores digitales no se ven afectados por 500 amperios (A) a 1 megahercio (MHz) en un cable a solo 5 milímetros (mm) del dispositivo.

Evaluación de aisladores digitales

Aunque la funcionalidad de estos aisladores es sencilla, su aplicación requiere prestar atención a los detalles, como la disposición de la placa, para garantizar que no se vean comprometidas sus capacidades de aislamiento de alta tensión ni su funcionamiento a alta velocidad.

Para ayudar a los diseñadores a utilizar y evaluar los dispositivos, Analog Devices ofrece la tarjeta de evaluación de la interfaz del aislador digital EVAL-ADUM34XEEBZ de iCoupler (Figura 6). Esta placa tiene ubicaciones y diseños para uno de cada uno de los aisladores, además de una cuarta ubicación no comprometida. La placa presenta ranuras en forma de V entre cada componente (U1 a U4) para permitir a los usuarios dividir la placa en secciones y examinar un dispositivo específico en un tablero de prueba o un dispositivo de prueba similar.

Figura 6: La placa de evaluación EVAL-ADuM34XEEBZ admite los tres dispositivos ADuM34xE y tiene una ubicación abierta para que el usuario elija un dispositivo compatible con la configuración de pines. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La placa EVAL-ADuM34XEEBZ sigue las prácticas adecuadas de diseño de placas de circuito impreso (placa ci), incluyendo un plano de tierra a cada lado de la barrera de aislamiento. La evaluación de dispositivos iCoupler mediante esta placa solo requiere un osciloscopio, un generador de señales y una fuente de alimentación de 2.25 V a 5.5 V.

Conclusión:

El aislamiento es necesario en muchos diseños para mantener la integridad de la señal, garantizar la seguridad del usuario y del dispositivo y cumplir las normativas. Los dispositivos de aislamiento digital basados en la tecnología de acoplamiento magnético iCoupler de Analog Devices ofrecen una solución de alta velocidad fácil de usar y fiable. Sus especificaciones básicas, incluida una degradación mínima con el tiempo y la temperatura, garantizan un rendimiento superior a largo plazo.