Гальваническое разделение цепей: принципы, применение и преимущества

Что такое гальваническое разделение цепей. Как оно обеспечивает защиту от помех и повышает помехоустойчивость систем. Какие виды гальванической развязки существуют. Где применяется гальваническая изоляция.

Что такое гальваническое разделение цепей и зачем оно нужно

Гальваническое разделение цепей (гальваническая развязка) — это метод электрической изоляции различных частей электронной системы друг от друга. Основная цель гальванической развязки — защита входных цепей устройств от помех и повышение общей помехоустойчивости системы.

Гальваническое разделение обеспечивает:

• Изоляцию от земляных и питающих токов
• Проводимость только для информационного сигнала
• Отделение информационного сигнала от среды передачи
• Защиту от ложного заземления в разветвленных системах
• Возможность последовательного соединения потребителей с разными точками заземления

Виды помех и механизмы их воздействия на электронные системы

В электронных системах выделяют два основных вида помех:

1. Поперечные помехи (помехи нормального вида) — действуют между входными зажимами усилителя наряду с полезным сигналом.
2. Продольные помехи (помехи общего вида) — действуют между входными зажимами усилителя и землей.

Продольные помехи возникают из-за:

• Разности потенциалов «земель» в разных частях системы
• Блуждающих токов
• Заземления силовых установок

Механизм преобразования продольной помехи в поперечную заключается в следующем: на входе усилителя возникает напряжение поперечной помехи, пропорциональное отношению сопротивления проводника к сумме комплексных сопротивлений электрических связей с землей, внутреннего сопротивления источника продольной помехи и сопротивления проводника.

Способы гальванического разделения цепей

Существует несколько основных способов гальванического разделения цепей:

1. С помощью модуляции-демодуляции

Принцип работы:

1. В модуляторе сигнал постоянного тока преобразуется в последовательность импульсов
2. Импульсный сигнал проходит через разделительный трансформатор
3. В демодуляторе производится фазочувствительное выпрямление сигнала
4. С помощью фильтра выделяется постоянная составляющая

2. С применением оптоэлектронных преобразователей (оптронов)

Принцип работы оптрона:

1. При появлении управляющего сигнала светодиод излучает свет
2. Свет воздействует на фоторезистор или фототиристор
3. Фоторезистор/фототиристор переходит в проводящее состояние
4. При исчезновении сигнала излучение прекращается, цепь размыкается

3. Трансформаторная развязка

Использует планарные микротрансформаторы на кристалле кремния. Первичная и вторичная обмотки разделены диэлектриком с высокой электрической прочностью.

4. КМОП-развязка

Использует дифференциальный емкостной изолирующий барьер между кристаллами первичной и вторичной части развязки.

Преимущества гальванического разделения цепей

Применение гальванической развязки дает ряд важных преимуществ:

• Повышение помехоустойчивости системы
• Защита входных цепей от перенапряжений
• Снижение влияния электростатических разрядов
• Уменьшение влияния быстрых переходных процессов
• Повышение электробезопасности
• Возможность соединения устройств с разными уровнями заземления

Чем меньше проходная емкость гальванической развязки, тем выше ее эффективность в подавлении помех.

Практическое применение гальванической развязки

Гальваническая развязка широко применяется в различных областях электроники и электротехники:

• Измерительная техника
• Системы сбора данных
• Промышленная автоматизация
• Медицинское оборудование
• Телекоммуникационные системы
• Силовая электроника

Рассмотрим пример использования гальванической развязки ISOW784x от Texas Instruments:

• Напряжение питания: 3,3-5 В
• Выходная мощность DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт
• Максимальный выходной ток: 130 мА
• Скорость передачи данных: до 100 Мбит/с
• Электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ)

Такая развязка позволяет организовать питание и передачу данных для нескольких изолированных каналов, обеспечивая высокую степень защиты от помех.

Особенности проектирования систем с гальванической развязкой

При разработке устройств с гальванической развязкой необходимо учитывать ряд факторов:

1. Паразитные емкости между изолированными частями создают токовые контуры, которые могут излучать помехи.
2. Чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли, тем сильнее излучаемые помехи.
3. Для уменьшения паразитных емкостей следует тщательно прорабатывать топологию печатной платы.
4. Использование Y2-конденсатора между изолированными частями помогает уменьшить токовую петлю.
5. На высоких частотах (выше 200-300 МГц) эффективность Y2-конденсатора снижается из-за паразитной индуктивности выводов.

Одним из решений для высокочастотных схем является использование емкости, образованной слоями печатной платы (stitching capacitance). Это позволяет создать распределенную емкость с минимальной паразитной индуктивностью.

Сравнение различных технологий гальванической развязки

Каждая технология гальванической развязки имеет свои преимущества и недостатки:

Оптронная развязка:

Преимущества:

• Простота реализации
• Низкая стоимость
• Высокая электрическая прочность изоляции

Недостатки:

• Температурная зависимость характеристик
• Ограничение по скорости передачи данных
• Возможная рассинхронизация сигналов в многоканальных системах

Трансформаторная развязка (технология iCoupler):

Преимущества:

• Высокая скорость передачи данных
• Малые задержки распространения сигнала
• Хорошая синхронизация каналов

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с оптронами
• Ограничения по размеру изолирующего барьера

КМОП-развязка:

Преимущества:

• Высокая скорость передачи данных
• Малые задержки распространения сигнала
• Возможность интеграции дополнительных функций на кристалле

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с оптронами
• Меньшая электрическая прочность изоляции по сравнению с оптронами

Выбор конкретной технологии зависит от требований к системе, таких как скорость передачи данных, электрическая прочность изоляции, стоимость и условия эксплуатации.

Перспективы развития технологий гальванической развязки

Развитие технологий гальванической развязки идет по нескольким направлениям:

1. Повышение скорости передачи данных через изолирующий барьер
2. Увеличение электрической прочности изоляции
3. Уменьшение потребляемой мощности
4. Интеграция дополнительных функций (например, DC/DC-преобразователей)
5. Улучшение характеристик электромагнитной совместимости

Ожидается, что в ближайшем будущем будут разработаны новые материалы и технологии, позволяющие создавать более эффективные и компактные решения для гальванической развязки. Это откроет новые возможности для применения гальванической изоляции в различных областях электроники и электротехники.

6.3. Гальваническое разделение цепей

Гальваническое разделение цепей (гальваническая развязка) преследует цель защиты входных цепей УСО от помех. Под этим термином подразумевают семейство технических способов обеспечения изоляции между частями системы, которая обеспечивает непроводимость гальванического барьера для земельных и питающих сквозных токов и проводимость для информационного сигнала  фактически это устройство отделения информационного сигнала от среды, по которой он пришел.

В сложной системе управления с разветвленными каналами связи имеется опасность появления ложного заземления линии, причем земля может появиться на нескольких участках цепи одновременно. Для повышения живучести системы по отношению к подобным нарушениям предусматривается гальваническая изоляция входных и выходных цепей приборов относительно цепи питания, а во многих блоках – также между входными и выходными цепями.

Гальваническая изоляция цепей особенно необходима для обеспечения возможности последовательного соединения нескольких потребителей или источников сигнала, каждый из которых может иметь свою точку заземления.

Принято различать поперечные помехи, называемые также помехами нормального вида (Noise Normal—Mode), и продольные помехи, именуемые помехами общего вида (

Noise Common—Mode). Поперечные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя наряду с входным сигналом. Продольные помехи действуют между входными зажимами измерительного усилителя и землей и в общем случае являются следствием электрической связи источника сигнала и измерительного усилителя с землёй через комплексные сопротивления. Разность потенциалов «земель», обусловленная блуждающими токами, заземлением силовых установок и т.д., и определяет возникновение в измерительном контуре дополнительного источника напряжения продольной помехи, суммируемого с напряжением измеряемых сигналов датчика. Так как проводники, соединяющие датчик и измерительный усилитель, имеют конечное сопротивление, образуется на входе измерительного усилителя напряжение уже поперечной помехи, пропорциональное отношению сопротивления проводника к сумме комплексных сопротивлений электрических связей с землёй, внутреннего сопротивления источника продольной помехи и сопротивления проводника. Таков механизм преобразования продольной помехи в поперечную.

Гальваническое разделение цепей постоянного тока осуществляется обычно по структурной схеме, приведенной на рис. 6.2, а.

а

б

Рис. 6.2. Способы гальванического разделения цепей:

а – с помощью модуляции-демедуляции;

б – с применением оптоэлектронных преобразователей.

В модуляторе М сигнал постоянного тока превращается в последовательность импульсов с использованием амплитудно-импульсной или широтно-импульсной модуляции. Далее импульсный сигнал проходит через разделительный трансформатор Тр, обеспечивающий собственно гальваническое разделение входных и выходных цепей. В демодуляторе

Дм производится фазочувствительное выпрямление сигнала, а с помощью сглаживающего фильтра Ф выделяется постоянная составляющая выпрямленного сигнала.

При передаче дискретных сигналов для осуществления гальванического разделения цепей применяются также оптоэлектронные преобразователи – оптроны (рис. 6.2, б), содержащие светодиод СД и фоторезистор ФР (резисторный оптрон) или фототиристор ФТ (тиристорный оптрон).

При появлении управляющего сигнала U_упр светодиод СД облучает светом фоторезистор ФР или фототиристор ФТ, которые переходят в проводящее состояние и замыкают собой цепь нагрузки z_в. После исчезновений сигнала управления излучение светодиода прекращается. Сопротивление фоторезистора в этот момент резко возрастает, что соответствует отключению цепи нагрузки. Отключение же фототиристора может произойти только тогда, когда не только сигнал управления, но и ток нагрузки снизится до нуля. Поэтому тиристорный оптрон используется обычно для коммутации цепей с пульсирующим до нуля током.

Для обеспечения помехустойчивой передачи как цифровых, так и аналоговых сигналов необходимо каждый сигнал передавать по отдельной перевитой паре проводов, а весь жгут заключать в металлический экран. Экран следует заземлять только с одной стороны – либо у источника, либо у приемника сигнала, там, где имеется общая заземленная точка. Например, прием сигнала на вход дифференциального усилителя или на обмотку реле, запитываемого от УСО, не имеет непосредственной связи с «землей», поэтому экран следует заземлять у источника сигнала (рис. 6.3, а). Если же и приемник сигнала, и источник сигнала имеют каждый свое заземление, то экранирование не защищает от проникновения помехи общего вида Е_п, вызванной разностью потенциалов общих точек питания источника и приемника. В этом случае надо вводить гальваническую развязку цепей источника и приемника с помощью оптронов (в данном случае транзисторным) (рис. 6.3, б). Обычно Z_з<<Z_cп=Z_oп<Z_н, т.е. помеха, проникающая в сигнальную цепь, в основном оказывается на Z_н. Экран защищает от внешних электростатических и электромагнитных наводок.

Рис. 6.3. Обеспечение помехоустойчивости канала:

Е_с, Е_п – ЭДС сигнала и помехи, Z_з – сопротивление цепи заземления между общей точкой ЭВМ и общей точкой объекта, Z_н – сопротивление нагрузки, Z_сп, Z_oп–сопротивления сигнального и обратного проводов, Э–экран, О – транзисторный оптрон

Часто нормализаторы и устройства гальванической развязки совмещают в одном модуле (рис. 6.4). Нормирующий преобразователь построен как развязывающий или изолированный усилитель с трехуровневой изоляцией (3-Way Isolation).

Рис. 6.4. Блок-схема нормализатора с трёхуровневой изоляцией

Блок-схему развязывающего усилителя можно представить как совокупность входного и выходного каскадов питания (рис. 6.4). Отличительной особенностью развязывающих усилителей с трёхуровневой изоляцией является обеспечение раздельного питания входного и выходного каскадов, осуществляемого через разделительный трансформатор. При этом сигнал от входного к выходному каскаду может передаваться тремя способами: через трансформаторную, оптическую или ёмкостную связь. Метод передачи сигнала – это, как правило, модуляция/демодуляция (амплитудная, широтно-импульсная или частотная) и линеаризующая обратная связь. При ёмкостной связи, например, модулированный сигнал передается через ёмкость небольшого номинала (порядка единиц пикофарад) для обеспечения ограничения переменного синфазного напряжения.

Каждый такой модуль поддерживает отдельный канал изолированного аналогового ввода или вывода. Входные модули обеспечивают интерфейс со всеми типами внешних датчиков. Модули фильтруют, изолируют, усиливают и преобразуют входной сигнал к выходному аналоговому сигналу тока/напряжения с диапазонами изменения, принятыми в измерительной технике. Внешнее оформление такого модуля с возможностью монтажа на DIN – направляющих (рельсах) представлено на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Модули входных преобразователей

Для динамично перестраиваемых производств, а также тестового и измерительного оборудования, где требуется высокая гибкость, вызванная частым изменением поддиапазонов измеряемых параметров, заменой датчиков, изменениями измерительного диапазона либо даже типа входного сигнала, фирма Dataforth (США) выпускает нормирующие конфигурируемые преобразователи (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема коммутации оборудования для программирования модуля DSCP20

Использование гальванического разделения цепей для улучшения электромагнитной совместимости

Введение

Электронные системы часто работают в условиях сложной электромагнитной обстановки. Причем это обстоятельство не всегда очевидно: например, проложенный рядом с оборудованием силовой кабель, о наличии которого никто не догадывается, может доставить серьезные неприятности. Прикосновение человека к прибору с плохо обеспеченным защитным заземлением может привести к электростатическому разряду. Сильный грозовой разряд способен вывести из строя входные каскады устройства, если провода, соединяющие компоненты системы, имеют достаточно большую длину.

Стандартные способы защиты устройства от таких нежелательных случаев хорошо известны. К ним относится применение TVS-диодов во всех входных каскадах, в т. ч. на вводе шин питания, экранирование и заземление корпуса, экранирование сигнальных проводов. Мы рассмотрим влияние гальванического разделения цепей на электромагнитную совместимость (ЭМС). Этот способ защиты не так хорошо известен, и им нередко незаслуженно пренебрегают.

 

Гальваническое разделение цепей

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей. На входах и на шине питания установлены защитные TVS-диоды, корпус заземлен. Поскольку современные TVS-диоды имеют очень малую паразитную емкость, их можно подключать к сигнальным линиям с высокоскоростными сигналами. Они способны защитить систему от импульсов мощностью несколько киловатт и длительностью всего несколько пикосекунд.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема электронного устройства без гальванического разделения цепей

Другими словами, эти диоды при превышении порогового напряжения замыкают входную цепь накоротко на землю, удерживая на входе безопасное напряжение. При этом они могут в течение короткого времени длительностью несколько микросекунд (напомним, что стандартный испытательный импульс имеет форму 8/20 или 10/1000) проводить токи величиной несколько сотен ампер. Такие замечательные свойства диодов позволяют хорошо защищать схему от повреждения, но в то же время создают проблемы для помехоустойчивости из-за протекания большого импульсного тока по общей земле.

В значительной степени решить эту проблему можно за счет гальванического разделения цепей. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей показана на рис. 2. В данном случае входные тракты системы и ее питание отделены от центральной части системы гальваническим барьером. Обе части системы имеют разное заземление. Входная часть системы использует «плавающее» заземление ISO GND. Между этими землями существует паразитная емкость, представляющая собой сумму всех паразитных емкостей между изолированными частями.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема устройства с гальваническим разделением цепей

При воздействии всплесков напряжения на входную часть системы это напряжение прикладывается и к изолирующему барьеру. Через проходную емкость этого барьера и паразитную емкость между землями короткие пики напряжения и тока проходят в изолированную часть системы. Избавиться от этого эффекта нельзя, но уменьшить его вполне возможно. Для этого между землями необходимо включить высоковольтный конденсатор С_ISO как это показано на рис. 2.

Рис. 3. Эффект от включения конденсатора С_ISO

Эффект от включения конденсатора С_ISO, иллюстрируется на рис. 3, на котором показаны результаты симулирования в случае приложения к входу электростатических разрядов с формой импульса10/100 и амплитудой 8 кВ (рис.  3а) и амплитудой 4 кВ (рис. 3б). Как и следовало ожидать, дополнительный конденсатор уменьшает амплитуду импульса и «заваливает» его фронт. Причем чем больше емкость этого конденсатора, тем более выражен данный эффект.

Не менее интересны и результаты сравнения неизолированной и изолированной системы при протекании быстрого переходного процесса во входной линии. Результаты моделирования для этого случая при импульсе напряжения 1 кВ показаны на рисунке 4. В этом случае эффект применения конденсатора С_ISO также предсказуем — заметно уменьшается амплитуда тока и длительность его протекания. Более подробно ознакомиться с результатами испытаний и с обсуждением того, как влияет емкость и сопротивление изоляционного барьера, можно, например, в [1–2].

Рис. 4. Результаты моделирования при импульсе напряжения 1 кВ

В любом случае следует иметь в виду, что использование гальванического разделения входных цепей системы от ее центральной части заметно снижает влияние всплесков перенапряжений, возникающих на входе из-за быстрых переходных процессов, электростатических разрядов и мощных помех. Причем чем меньше значение проходной емкости, тем больше эффект от применения гальванической развязки.

Введение дополнительного конденсатора СISO помогает уменьшить влияние внешних воздействий. Выбор величины емкости зависит от условий эксплуатации. В рассмотренных выше случаях (рис. 3–4) емкость конденсатора СISO по-разному влияла на изменение во времени токов и напряжений, протекающих через TVS-диоды, что объясняется разными условиями проведения испытаний на стойкость к электростатическому разряду и к переходным процессам на входных сигнальных линиях.

 

Практическое использование гальванического разделения цепей

Рассмотрим практический пример использования гальванического разделения цепей. Многие компании производят гальванические развязки сигнальных цепей, но далеко не всегда они содержат встроенные DC/DC-преобразователи для разделения цепей питания. Насколько известно автору, среди работающих на нашем рынке компаний гальванические развязки с разделением цепей питания производят Analog Devices, Texas Instruments, Mornsun. К ним можно причислить и компанию SiLabs, но следует учесть, что ее компоненты содержат ключи силового каскада, но не имеют встроенного трансформатора. Применение развязок с встроенными DC/DC-преобразователями позволяет сократить занимаемое на плате место, упрощает топологию и, как следствие, облегчает решение проблем электромагнитной совместимости.

В качестве примера рассмотрим гальваническую развязку ISOW784x компании Texas Instruments. Ее структурная схема показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема ISOW784x

Приведем основные параметры ISOW784x:

• напряжение питания: 3,3–5 В;
• выходная мощность встроенного DC/DC-преобразователя: 0,65 Вт;
• выходной ток встроенного DC/DC-преобразователя (max): 130 мА;
• скорость передачи данных (max): 100 Мбит/с;
• стойкость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс;
• электрическая прочность изолирующего барьера: 5 кВ (СКЗ) и 7,071 кВ в пике;
• диапазон рабочей температуры: –40…125 °C;
• корпус: 16‑выводной SOIC размером 10,3×7,5 мм.

Максимального выходного тока 130 мА встроенного DC/DC-преобра­­зователя, как правило, вполне достаточно для того, чтобы организовать питание четырех трактов входных сигналов. В качестве диэлектрика в развязке используется диоксид кремния SiO₂. Его диэлектрическая прочность достигает 500 В (СКЗ)/мкм, благодаря чему и достигается высокая электрическая прочность изоляции, позволяющая с запасом удовлетворить требования стандартов электробезопасности.

Заметим, что никакое гальваническое разделение цепей не означает полного разделения частей. Проходные емкости собственно развязки, особенно малогабаритного встроенного трансформатора DC/DC-преобразователя, и паразитные емкости платы создают токовый контур, который представляет собой антенну, излучающую помехи. Причем чем выше скорость передачи данных и больше площадь токовой петли из паразитных емкостей, тем больше величина излучаемых помех. На эти обстоятельства следует обратить внимание при разработке топологии платы и постараться уменьшить паразитные емкости между двумя частями системы.

Уменьшить величину токовой петли может Y2‑конденсатор С_ISO (рис. 2). Напомним, что по требованиям стандарта IEC60384-1 максимально допустимое напряжение Y2‑конденсатора должно находиться в диапазоне 150–300 В (АС). Этот конденсатор должен выдерживать пиковое напряжение 5 кВ. Но, к сожалению, такой конденсатор имеет и паразитную индуктивность выводов, которая снижает эффективность его использования в полосе частот выше 200–300 МГц.

Решением этой проблемы может стать емкость, образованная слоями печатной платы (stitching capacitance). На рис. 6 показан пример формирования такой емкости на четырехслойной печатной плате. Изолированные части системы размещаются на верхнем и нижнем слоях, емкость образуется с помощью слоев земли и питания. В данном случае величина емкости составила 30 пФ. Подробный расчет, создаваемой таким образом емкости, изложен в [4].

Рис. 6. Конденсатор, образованный слоями печатной платы (stitching capacitance)

 

Виды гальванической развязки

В микросхемах гальванической развязки используются, в основном, три способа гальванического разделения:

• оптронная развязка;
• трансформаторная развязка;
• КМОП.

Оптронная развязка известна очень давно. Пожалуй, наибольших успехов в производстве гальванических оптронных развязок достигли компании Avago (ныне Broadcom) и Toshiba. Основными ограничивающими факторами в использовании оптронных развязок являются температурная зависимость, временные задержки, из-за которых может происходить рассинхронизация тактовых сигналов и данных, ограничение скорости передачи и довольно большое энерго­потребление. В высокоскоростных интерфейсах оптронная развязка не находит широкого применения.

Трансформаторная развязка наилучшим способом реализована в технологии iCoupler компании Analog Devices, а развязка с использованием КМОП-технологии — в технологиях компаний Texas Instruments и SiLabs. Обе эти технологии позволяют увеличить электрическую прочность изоляции до более чем 5 кВ (АС).

В технологии iCoupler планарный микротрансформатор формируется на кристалле кремния. Первичная и вторичная части этого трансформатора разделены полиимидом с высокой электрической прочностью. В КМОП-технологии кристаллы, образующие первичную и вторичную часть развязки, разделены дифференциальным емкостным изолирующим барьером. С точки зрения автора, трансформаторная развязка и емкостная развязка КМОП-технологии практически равноценны при использовании в сетях передачи данных. Ни одна из них не имеет явных преимуществ над другой.

Несмотря на отмеченные выше недостатки оптронных развязок, следует сказать несколько слов в их защиту. Нередко в специализированных СМИ высказывается мнение о том, что этот вид развязки якобы устарел и она во всех отношениях уступает конкурентам. В качестве доказательства приводятся результаты сравнительных испытаний или моделирования.

Например, в [4] среди прочих характеристик рассматривается важный параметр — стойкость к изменению синфазного напряжения (common-mode transient immunity, CMTI). Сравнивается реакция на изменение синфазного напряжения оптронной развязки HCPL‑4506 (с CMTI = 20 кВ/мкс) и развязки Si8712A (с CMTI свыше 50 кВ/мкс), производимой по КМОП-технологии. Как и следовало ожидать, результаты сравнительных испытаний показали, что Si8712A значительно меньше реагирует на изменение синфазного напряжения, чем HCPL‑4506.

Результат объясняется наличием паразитных емкостей и несовершенством схемы HCPL‑4506 (рис. 7). Действительно, как уже упоминалось, паразитные проходные емкости ухудшают характеристики развязки, но дело в том, что для испытаний был отобран далеко не лучший вариант оптронной развязки. Например, оптронная развязка ACNW3410 от Avago (Broadcom) в драйвере затвора использует улучшенную схему и ее величина CMTI = 100 кВ/мкс та же, что у развязок, производимых по двум другим технологиям.

Рис. 7. Схема HCPL-450 с паразитными емкостями

В заключение отметим, что оптронные развязки имеют свою нишу применения. Прежде всего, это одноканальные развязки сигнальных линий и драйверы затворов. Из-за относительно больших задержек распространения сигналов и возможных рассогласований этих задержек между каналами не рекомендуется использовать их в многоканальных системах передачи данных и в драйверах затвора силовых каскадов с двумя и более силовыми ключами.