Галванично разделяне в електрониката

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2010

Стефан Куцаров

     Прехвърлянето на електрически сигнали между две електронни устройства, блокове на едно устройство или части на интегрални схеми и едновременно с това изолиране едно от друго на различаващите се напрежения на свързваните възли се осъществява чрез галванично разделяне, наричано също галванична изолация (Galvanic Isolation) GI. Използват се оптрони и по-рядко трансформатори, които благодарение на развитието на технологиите във все повече случаи образуват една ИС със свързваните блокове, като последните могат да бъдат аналогови и цифрови.

Оптрони
В микроелектрониката и електронните устройства оптроните (Optocoupler, Photocoupler) са най-разпространеният елемент за галванично разделяне и се използват както като самостоятелни ИС, така и като части на по-сложни ИС. Входното им постоянно или променливо напрежение Ui създава ток Ii през техния инфрачервен (обикновено GaAs с дължина на вълната 890 nm) светодиод (фиг. 1а), излъчената от него светлина преминава през прозрачен изолационен слой и попада върху фотоприемника PR, който я превръща в изходен ток Io. Чрез резистора R на фиг. 1б или по друг начин той определя изходното напрежение Uo. Протичането на входен ток само в една посока определя наименованието постояннотокови оптрони (DC Optocoupler). Двата успоредно и противопосочно свързани еднакви светодиоди в променливотоковите оптрони (AC Optocoupler) позволяват прилагането на променливо входно напрежение Ui и протичането на променлив входен ток Ii.
Част от общите параметри на всички видове оптрони са тези на светодиода - токът му в права посока (Forward Current) IF, напрежението в права посока (Forward Voltage) VF върху него и дифузният капацитет (Capacitance) CT. Също обща група са изолационните характеристики между входа и изхода – изолационно съпротивление (Isolation Resistance) RS, капацитет вход-изход CS и изолационно напрежение (Isolation Voltage) BVS. Последното е между свързания накъсо вход и свързания накъсо изход, обикновено е променливо и средноквадратичната му стойност, давана в каталозите, е в сила при прилагане в продължение на 1 минута.
При скокообразно нарастване на Ui се дава времето на включване tON, за което изходното напрежение Uo се променя от максималната до минималната си стойност. Аналогично е времето на изключване tOFF при скокообразно намаляване на Ui, когато Uo се променя от минималната до максималната си стойност.
За оптроните с цифров изход е в сила параметърът устойчивост на преходни синфазни сигнали (Common Mode Transient Immunity - CMTI; Common Mode Transient Rejection - CMTR; Common Mode Rejection - CMR). Той представлява максималната стръмност на фронтовете на напрежение (измервана в kV/ms) между входа и изхода, при което все още не настъпва промяна на логическите нива – стойността й при високо логическо ниво е прието да се отбелязва като положителна, а тази при ниско ниво - като отрицателна. Обикновено двете са равни по абсолютна стойност.

Фотодиодни оптрони
Техният PR е фотодиод с основни параметри максимално обратно напрежение (Reverse Voltage) VR, ток на тъмно (Dark Current, Reverse Current) ID, получаван при IF=0, изходно напрежение на празен ход (Open Circuit Voltage) Voc, получавано върху несвързания фотодиод и изходен ток на късо съединение ISC през свързания накъсо фотодиод. Първата разновидност са оптроните, използвани за управление на MOS транзистори, пример за която е даденият в ред 1 на табл. 1. С по-голямо приложение са линейните фотодиодни оптрони (Linear Optocoupler), използвани за галванично разделяне на сензори, в захранващи блокове, медицински устройства и др. Принципът на работата им е изяснен чрез типичната схема на свързване от фиг. 2, известна като фотопроводящ режим. В нея е използван оптронът от ред 2 на табл. 1, но действието се отнася за произволен линеен оптрон. Светодиодът е с ток IF, а токът на обратния фотодиод между изводи 3 и 4 е Ip1. Отношението K1=Ip1/IF е параметърът обратен коефициент на предаване по ток (Servo Gain). Наличието на операционен усилвател (ОУ) във входа обуславя Va=Vb и съответно Vin=Ip1R1=K1IFR1. Токът на фотодиода между изводи 5 и 6 е Ip2=K2IF, където К2 е правият коефициент на предаване по ток (Forward Gain) и той обуславя изходно напрежение Vout=R2Ip2=K2IFR2, тъй като ОУ в изхода работи като повторител на напрежение. Оказва се, че отношението Vout/Vin = (K2/K1)(R2/R1) = K3(R2/R1) не зависи от тока IF и съответно съществува линейна зависимост на Vout от Vin. Величината К3=К2/К1 е параметърът коефициент на предаване (Transfer Gain) на оптрона. При дадено напрежение Vin желаната стойност на тока IF се установява чрез R1, а желано Vout – чрез R2. Основното предимство на фотопроводящия режим е сравнително голямата горна гранична честота (за схемата на фиг. 2 тя е 200 kHz), а недостатък – реално съществуващата нелинейност (Тransfer Gain Linearity) между няколко стотни и няколко десети от %.
Особеност на оптрона в последния ред на табл. 1 е, че е двоен - съдържа два еднакви елемента в един корпус.

Тиристорни оптрони
Фотоприемникът им е тиристор, а основните приложения са за реализация на полупроводникови релета (SSR), в електроуреди, офисмашини и др. Пример е TLP148G на Toshiba, чийто обикновен тиристор е за максимално напрежение 400 V и има ток със средноквадратична стойност 150 mA при BVS=2500 V. Със симетричен тиристор е TLP3082(S) с напрежение 800 V, ток 100 mA и BVS=5000 V.

Оптрони с един биполярен транзистор
Техният PR използва един биполярен транзистор, благодарение на чието усилване се получава даден изходен ток (Collector Current) Io със значително по-малък IF. Отношението им Io/IF е коефициентът на предаване по ток (Current Transfer Ratio) CTR. Когато се предават аналогови сигнали, параметър е горната гранична честота BW, при която CTR намалява с 30%. При предаване на цифрови сигнали параметри са времето на включване tON и на изключване tOFF и консумираният ток при ниско и високо логическо ниво на изхода съответно ICCL и ICCH, а вместо BW се използва максималната скорост на предаване (Transmission Rate) TR.
Схемите на четирите разновидности са дадени на фиг. 3, като PR в тези на фиг. 3 а, б представлява фотодиод, чийто ток влиза в базата на транзистор. Наличието на извод от базата (фиг. 3б) позволява чрез външна верига да се установи допълнителен базов ток, който да транслира колекторния. Основните параметри на такъв оптрон са дадени в ред 2 на табл. 2. Значително по-разпространени са оптроните с фототранзистор, чийто колекторен преход се използва като фотодиод. От тях с най-малко изводи е структурата на фиг. 3в, която имат оптроните в редове 3-8 на табл. 2. Типични техни приложения са в телекомуникациите, на входа на логически схеми и микропроцесори, терминали, измервателни и управляващи системи, постояннотокови захранвания и др. В редове 9 и 10 са дадени два примера за променливотокови оптрони със структурата на фиг. 3 г, като поради естеството на входната им верига те нямат като параметър VR. Като параметър на тези оптрони някои производители дават отношението на CTR на двата светодиода с типични стойности между 0,5 и 2.
Не са редки приложенията, използващи два или повече еднакви оптрона, поради което съществуват дву- и четириканални оптрони. В ред 11 на табл. 2 са параметрите на двуканален оптрон със структурата на фиг. 3в, а на редове 12 и 13 - на четириканални съответно със структурата на фиг. 3в и 3г.

Оптрони със съставен транзистор
Тези оптрони (Darlington Transistor Optocoupler) практически винаги са с два биполярни транзистора (Split Darlington Configuration), чието свързване е с много голям коефициент на усилване по ток. Резултатът е значително увеличаване на CTR и съответно работа с по-малък IF (обикновено под 1mA), по-малко напрежение на насищане на изходния транзистор, но и намалена BW. Освен за приложенията на оптроните с един биполярен транзистор, тези оптрони са подходящи за управление на MOS транзистори и цифрови ИС с малък входен ток (например CMOS и LVTTL).
Основните схеми на оптроните са показани на фиг. 4, като допълнителният извод от базите в тези на фиг. 4 а, в има вече описаното предназначение. Оптроните в редове 2-4 на табл. 3 са с минимално проста структура, като този в ред 2 се произвежда и като четириканален (PS2802-4). Резисторът в оптроните на фиг. 4 г, д подобрява температурната стабилност, а диодът на фиг. 4 г е предпазен срещу отрицателни напрежения в изхода. Оптронът от ред 8 се предлага и като двуканален (ACPL-5730L) и четириканален (ACPL-1770L), докато този в ред 9 е само двуканален. Характерно за оптрона в ред 10 е, че отношението на CTR на двата светодиода е между 0,3 и 3 и че има четириканална разновидност (PS2506L-4).

Оптрони с полеви транзистори
Основното им приложение е като управляемо съпротивление с галванично разделяне. Оптронът H11F1M e с полеви фототранзистор с PN преход (Photo FET Optocoupler) и се използва като променливо съпротивление за регулиране на параметрите на постояннотокови и променливотокови схеми – омичното му съпротивление дрейн-сорс се променя между 2 kW и 200 W чрез ток на светодиода 1-10 mA, като зависимостта е линейна. За разлика от него HSSR-7110 е реализиран с MOS фототранзистор (MOSFET Optocoupler) и се използва за включване и изключване към напрежение до 90 V на постояннотокови товари с ток до 1,6 А (съпротивлението на ключа е 0,25 W) и променливотокови до 0,8 А (съпротивление 1 W) чрез ток на светодиода 10-20 mA. Последният пример също на MOS фототранзистор е PS7241S-1A, който с ток на светодиода 1 mA включва и изключва товари с напрежение до 400 V и ток до 120 mA, като е със съпротивление 24 W.

Драйвери
Основното им предназначение е осигуряване на тока в гейта на мощни IGBT и MOSFET в индустриални инвертори, за управление на електродвигатели, в ключови стабилизатори, непрекъсваеми захранвания и индукционни пещи. Галваничното разделяне в повечето случаи се извършва с вграден оптрон, а идея за структурата на драйвер е дадена на фиг. 5а. Блокът след фотодиода усилва тока му и управлява изходните транзистори, които освен биполярен и MOS (драйверите в редове 1 и 2 на табл. 4) могат да са два MOS (ред 3) и два биполярни (редове 4 и 5). Токът на управляваните товари се променя чрез коефициента на запълване на входните и изходните импулси. Специфични параметри са токът IFON на светодиода за получаване на изходен ток IoH и включване на IGBT и напрежението VROFF за ток IoL и изключване на IGBT. С VR се отбелязва максимално допустимото обратно напрежение на светодиода. Захранването на PR се осигурява от напрежението VCC, от което при ниско логическо ниво в изхода се консумира ток ICCL, а при високо – ICCH. Драйверите започват да работят, когато при нарастване на това напрежение то достигне VUVLO+ и спират при намаляването му на VUVLO. Времената tPLH и tPHL са за преминаване през драйвера съответно на предния и задния фронт на импулсите. Последният специфичен параметър е максималната честота на входните и изходните импулси с типични стойности няколко десетки kHz.
Няколко примера за драйвери с оптрони са дадени в споменатата табл. 4, като тези в редове 1 и 4 могат да управляват IGBT съответно до 1200V/100А и 800V/50А. Типично приложение  е схемата на еднофазен полумостов инвертор (фиг. 5б).
Съществуват и драйвери с трансформатор вместо оптрон, примери за каквито са ADuM6132 и двойният ADuM1234. Компактните им габарити се дължат на технологията за изготвяне на трансформатора и работата му на честота 10 MHz - чрез блок в драйвера входното напрежение се преобразува в друго с тази честота, а в изхода с друг блок се прави обратното преобразуване. Според производителите използването на трансформатор осигурява по-голяма надеждност, по-стабилна работа и по-прецизно фиксиране на времената на включване и изключване на управлявания транзистор поради средно десетина пъти по-малките tPLH и tPHL. Освен това първият драйвер е с галванично изолиран стабилизатор за осигуряване на VCC за захранване на приемната част.

Цифрови изолатори
Тяхното наименование (Digital Isolator) DI e заради основната им функция да съчетават галваничното разделяне с прехвърляне на импулсни сигнали. Два са начините за осъществяване на галваничното разделяне, първият от които е чрез оптрон. Специфични параметри на тази група DI са изходното напрежение при ниско логическо ниво VoL, изходният ток при високо логическо ниво IoH, захранващото напрежение VСС и консумираният от него ток при високо (ICCH) и ниско (ICCL) логическо ниво в изхода, максималната скорост SP на преминаващите данни през DI (тя е право пропорционална на VСС и е най-голяма, когато то е стабилизирано), минималната продължителност на импулсите (Minimal Pulse Width) PW, времената на преминаване през DI на нарастващ фронт (Propagation Delay Time to Logic High Output) tPLH и намаляващ фронт (Propagation Delay Time to Logic Low Output) tPHL и тяхната разлика |tPLH - tPHL| с наименование изкривяване на продължителността на импулсите (Pulse Width Distortion) PWD.
Трите основни структури на DI от групата са представени на фиг. 6. Тази с отворен колектор на фиг. 6а се реализира с обикновен или Шотки биполярен транзистор, а примери за DI с нея са в редове 1-3 на табл. 5 – тези в редове 2 и 3 имат и разновидност като двуканални. Изолаторите с противотактно изходно стъпало на фиг. 6б са реализирани по CMOS технология и примери за тях са в редове 4-5 на табл. 5, като този в ред 4 има двуканален вариант. Характерни приложения на тези DI са в приемници и интерфейси на комуникационни мрежи, управление на електродвигатели, измервателни устройства и ключови стабилизатори.
Във втората група DI вместо чрез оптрон сигналите се прехвърлят през изолационен слой чрез магнитно поле (производителите не дават подробности за него), благодарение на което се получава SP до 150 Mbps. Освен едно- и двуканални DI съществуват и такива с по един канал във всяка посока (Dual Bi-Directional) и наименование двуканални 1/1 DI, триканални еднопосочни (Triple-Channel Isolator) с означение 3/0 и триканални 2/1 с два канала в едната посока и един в другата, четириканални от видовете 4/0 (Quad), 2/2 (Quad 2/2) и 3/1 (Quad 3/1), петканални 5/0, 4/1 и 3/2 и шестканални 6/0, 5/1, 4/2 и 3/3. Примери за тази група DI са дадени в табл. 6. Оригинална е структурата на DI на NVE с вграден източник на магнитно поле и приемник с гигантски магнеторезистор, притежаващ много голяма чувствителност.

Усилватели
Галваничното разделяне е между входа и изхода, като се използват същите методи, както при драйверите и цифровите изолатори. Приложенията на усилвателите са в индустриални системи за управление (включително електродвигатели), за следене на ток и напрежение най-вече в мощни инвертори, в системи за събиране на данни, високоволтови усилватели, комуникационни системи и измервателни прибори.
Усилвателят с параметри в ред 1 на табл. 7 е със структурата на фиг. 7а, т.е. входното напрежение чрез SD аналоговоцифров преобразувател ADC се превръща в импулси, които чрез оптрона постъпват на SD цифровоаналогов преобразувател DAC за възстановяване на аналоговото напрежение. Усилвателят от ред 2 ползва трансформатор за галванично разделяне (фиг. 7б), като Ui се модулира от MOD с честота 25 kHz и се демодулира от DEMOD. Постояннотоковото захранване на MOD и източника на Ui (±7,5V/2mА) се осигурява от генератор CLK (също с 25 kHz), усилвател А и токоизправител RECT. Третата структура (фиг. 7в) е на усилвателя от последния ред на табл. 7, като модулираното Ui се прехвърля през изолационната бариера по капацитивен път.
Параметрите в табл. 7 са: коефициент на усилване (Gain) G=Uo/Ui, неговият толеранс DG/G, нелинейността NL (отклонение от идеалната права линия (Uo/Ui)), максималното входно напрежение Ui, входното съпротивление Ri, коефициентът на потискане на синфазните входни сигнали (Isolation-Mode Rejection Ratio) IMRR, горната гранична честота BW, времето на установяване на изходното напрежение (Settling Time) ts, максималното изходно напрежение Uo, изходното съпротивление Ro, захранващото напрежение VCC и консумираният от него ток ICC.




Top