Como otimizar a isolação e o desempenho utilizando isoladores digitais avançados

Os projetistas de sistemas eletrônicos precisam incorporar a isolação da alimentação e do sinal para atender aos requisitos de desempenho e, ao mesmo tempo, atender às exigências regulatórias de segurança de usuários e dispositivos. A isolação de uma via de alimentação CA é facilmente conseguida com um transformador. A isolação de uma trilha de alimentação CC também depende, em última análise, de um transformador, embora exija mais circuitos. No entanto, a isolação de sinais analógicos que foram digitalizados, bem como de fluxos de dados digitais seriais, apresenta desafios e complicações diferentes.

Neste caso, a técnica de transferência de energia utilizada para a isolação deve preservar a integridade do sinal através da barreira de isolação para manter o desempenho do sistema. Embora existam muitas formas de implementar a isolação, os projetistas têm de garantir a integridade do sinal a taxas de dados mais elevadas e em ambientes mais exigentes. Por conseguinte, recorrem cada vez mais a isoladores digitais que podem transferir dados a 150 megabits por segundo (Mbps).

Este artigo examina brevemente a razão pela qual a isolação é necessária, enfatizando a necessidade em circuitos baseados em sensores. Em seguida, analisa vários aspectos da isolação utilizando isoladores digitais do estado da arte da Analog Devices e mostra como podem ser aplicados.

Isolação: por quê e onde?

Existem várias razões pelas quais a isolação é necessária em circuitos baseados em sensores:

1. A isolação pode eliminar as variações de tensão de modo comum e minimizar alguns tipos de interferência eletromagnética (EMI). Garante medições mais limpas e precisas, impedindo que fontes de ruído externas corrompam o sinal adquirido. Também permite a medição de pequenos sinais que têm tensões de modo comum elevadas.
2. Devido às diferenças de potencial entre os pontos de terra do circuito, as malhas de terra podem introduzir diferenciais de tensão que distorcem o sinal medido. A isolação interrompe a malha de terra.
3. A isolação impede que picos de tensão, transientes ou surtos perigosos atinjam componentes de medição sensíveis. Isto protege o circuito de medição, todos os dispositivos conectados e o usuário.
4. A isolação suporta a tradução segura de níveis entre diferentes funções do circuito. Os circuitos de um lado da barreira de isolação podem estar na tensão do transdutor, enquanto os circuitos do outro lado podem estar a 3,3 ou 5 volts para sinais de nível lógico.

Por exemplo, numa pilha de baterias de alta tensão, é muitas vezes necessário conhecer as tensões individuais das células para garantir que o sistema funciona em segurança e atinge a maior duração possível da bateria. A tensão através de uma única célula deve ser medida apesar da presença de até várias centenas de volts de tensão de modo comum ao longo da pilha de baterias ligadas em série.

Embora seja possível utilizar circuitos analógicos e amplificadores de isolação para supera este problema, estas abordagens não satisfazem a necessidade de medições com maior largura de banda e resolução, mantendo a exatidão, linearidade e consistência do sistema.

Em vez disso, a técnica mais precisa, econômica e eficiente para realizar essas medições é isolar todo o front-end de medição, incluindo o conversor analógico-digital (ADC), e então usar um link serial isolado para os dados digitalizados para o resto do sistema (Figura 1).

Figura 1: A utilização de um front-end isolado ao medir a tensão de uma única célula numa pilha de alta tensão supera o desafio das tensões de modo comum. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esta abordagem isola a tensão de modo comum da pilha de baterias, evitando que quaisquer altas tensões perigosas migrem para o lado do link de dados ou para o usuário em caso de falha.

Note-se que sempre que houver necessidade de isolação do sinal, há também a necessidade de fornecer alimentação isolada, uma vez que as trilhas de alimentação não isoladas contradizem e negam a isolação do sinal. A isolação necessária da alimentação pode ser implementada através de um circuito separado ou utilizando uma bateria como fonte de energia independente e isolada.

Como fornecer a isolação

Muitos parâmetros definem o desempenho da isolação. Entre estes, encontra-se a tensão máxima que a barreira de isolação pode suportar antes de falhar. Os regulamentos regem o máximo exigido, normalmente vários milhares de volts, dependendo da aplicação.

Podem ser utilizadas várias tecnologias distintas para conseguir a isolação dos sinais digitais. Estas incluem o acoplamento capacitivo, o acoplamento óptico (LED e fototransistor), a transmissão RF numa escala "micro" e o acoplamento magnético.

A última é uma técnica confiável com muitos atributos positivos, mas historicamente exigiu um transformador de sinal relativamente grande e caro. Essa situação mudou com a introdução da tecnologia iCoupler da Analog Devices. Esta abordagem utiliza bobinas primárias e secundárias do transformador em escala de chip, separadas por uma barreira de isolação criada por camadas isolantes de poli-imida (Figura 2). Uma portadora de alta frequência transmite dados através da barreira de isolação para a bobina secundária.

Figura 2: A tecnologia iCoupler utiliza uma portadora de alta frequência para transmitir dados da bobina primária para a bobina secundária, através de um isolante espesso de poli-imida. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Em funcionamento, o transformador primário é acionado por uma corrente pulsada através da sua bobina primária para criar um pequeno campo magnético localizado que induz corrente na bobina secundária. Os pulsos de corrente são curtos, com cerca de 1 nanossegundo (1 ns), para que a corrente média seja baixa a fim de garantir um baixo consumo de energia. Além disso, a técnica de polarização liga/desliga (sigla em inglês OOK) utilizada para a pulsação e a arquitetura diferencial proporcionam um atraso de propagação muito baixo e uma capacidade de alta velocidade.

Os materiais poliméricos utilizados no iCoupler oferecem uma isolação robusta, uma vez que o material possui qualificação para quase todas as aplicações. Os casos de utilização mais exigentes, como dispositivos médicos e equipamentos industriais pesados, são os que mais se beneficiam desta capacidade de desempenho.

A poli-imida também tem uma tensão mecânica mais baixa do que o dióxido de silício (SiO₂), um material de barreira alternativo, e pode ter a espessura aumentada conforme necessário. Em contrapartida, a espessura do SiO₂ e, por conseguinte, a capacidade de isolação, é limitada; a tensão mecânica em espessuras superiores a 15 micrômetros (μm) pode induzir fissuras nas lâminas durante o processamento ou delaminação durante a vida útil do isolador. Os isoladores digitais de poli-imida utilizam camadas de isolação com uma espessura que pode atingir os 26 μm.

A Analog Devices oferece uma variedade de isoladores digitais iCoupler baseados em transformadores. Entre eles estão os isoladores ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL e ADUM342E1WBRWZ de 3000 volts rms, 150 Mbps para interfaces CAN, RS-485 e SPI.

Estes três isoladores digitais são coletivamente chamados por dispositivos ADuM34xE, diferindo principalmente na sua direcionalidade do canal. O ADuM340E tem quatro canais diretos, o ADuM341E tem três canais diretos e um canal inverso, e o ADuM3421 tem dois canais diretos e dois canais inversos (Figura 3).

Figura 3: Os três isoladores digitais de quatro canais da série ADuM34xE têm especificações semelhantes, mas diferem na direcionalidade do canal. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Cada um dos três isoladores pode escolher entre dois modos de falha-segurança (Figura 4): o estado de saída é definido como baixo se o lado de entrada estiver desligado ou não estiver operando (falha-segurança baixa), ou o estado de saída é definido como alto se o lado de entrada estiver desligado ou não estiver operando (falha-segurança alta). Isto permite que os isoladores voltem para um estado conhecido quando utilizados em aplicações críticas.

Figura 4: São mostrados os diagramas de blocos operacionais de um único canal de um dispositivo ADuM34xE, ilustrando as opções de falha-segurança baixa (em cima) e falha-segurança alta (em baixo). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Observe que não há relação entre as fontes do lado da entrada (pino V_DD1 na Figura 3) e do lado da saída (V_DD2). Podem funcionar simultaneamente a qualquer tensão dentro das suas faixas operacionais especificadas e ter sequência em qualquer ordem. Esta caraterística permite que o isolador efetue traduções de tensões lógicas de 2,5 V, 3,3 V e 5 V, entre outras.

Nuanças das caraterísticas de desempenho do ADuM34xE

A alta tensão de isolação, a alta velocidade, em baixa potência e o pouco atraso de propagação dos isoladores ADuM34xE têm aplicabilidade direta, mas a sua arquitetura tem vantagens mais sutis que os projetistas podem utilizar. Por exemplo, o consumo agregado de energia aumenta com a frequência operacional e os requisitos de energia são aproximadamente proporcionais à velocidade com que os dispositivos funcionam. Por conseguinte, os canais que estão ociosos ou que comutam a velocidades muito baixas consomem pouquíssima energia. O resultado é uma redução relativa no consumo de energia de uma a duas ordens de grandeza em comparação com técnicas alternativas de isolação.

Além disso, uma vez que o projetista tenha determinado a taxa máxima de clock serial para a aplicação, a fonte de alimentação isolada associada pode ser selecionada para fornecer corrente suficiente a fim de suportar apenas esta taxa, eliminando a necessidade de especificar mais do que o valor máximo do isolador.

Dada a importância da temporização e do atraso de propagação nos links seriais de alta velocidade, é importante notar que o desempenho do isolador digital não se degrada nem se altera com o tempo e a temperatura. Embora o jitter seja menos problemático em baixas taxas de sinalização, onde o seu erro é pequeno em comparação com o período da forma de onda, em taxas de dados mais elevadas, o jitter de temporização torna-se uma percentagem significativa do intervalo de sinal. A escolha de um isolador com o menor jitter pode aumentar a relação sinal/ruído (SNR) e a eficiência do circuito isolado.

Devido a estas caraterísticas da arquitetura do iCoupler, as fichas técnicas do dispositivo definem especificações garantidas de consumo mínimo e máximo de energia, dos atrasos de propagação e da distorção de pulsos em toda a sua faixa de temperatura operacional de -40°C a +125°C. Para os projetistas, dispor destas especificações completas simplifica os cálculos relacionados com o desempenho do sistema no pior caso.

Com os valores garantidos dos isoladores digitais relacionados ao atraso de propagação (máximo de 10 ns) (Figura 5), ao desvio de propagação e a uniformidade entre canais, as especificações de temporização do sistema de nível superior podem ser modeladas e avaliadas como em outros CIs digitais.

Figura 5: A tecnologia iCoupler resulta num atraso de propagação muito baixo e totalmente caracterizado de menos de 10 ns em toda a faixa de temperaturas operacional. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A imunidade a transientes de modo comum (CMTI) é uma especificação menos conhecida e facilmente ignorada. O chaveamento constante em aplicações de alta tensão, tais como circuitos de recarga de veículos elétricos (EV) e híbridos (HEV), sistemas de energia solar e acionamentos de motores, introduz transientes de modo comum, tais como zumbido e ruído. A tecnologia de isolação nos dispositivos ADuM34xE aproveita uma arquitetura de transformadores com derivação central, conectados em série, que fornece uma via de baixa impedância do ruído para o terra em cada lado da barreira de isolação. Isso permite que eles atinjam um dimensionamento CMTI de 100 quilovolts por microssegundo (kV/µs) (mínimo), aumentando significativamente a integridade do sinal isolado.

Projetistas familiarizados com magnetismo podem estar preocupados com o fato de esses isoladores serem afetados por interferências magnéticas, que poderiam corromper os pulsos de transmissão através da barreira de isolação, causando erros. Essa preocupação é equivocada, pois o pequeno raio e o núcleo de ar dos transformadores exigem um campo magnético extremamente elevado ou uma frequência muito alta para induzir uma falha. Os isoladores digitais não são afetados por 500 amperes (A) a 1 megahertz (MHz) num fio a apenas 5 milímetros (mm) do dispositivo.

Avaliando os isoladores digitais

Embora a funcionalidade desses isoladores seja simples, aplicá-los exige atenção aos detalhes, como o layout da placa, para garantir que não sejam comprometidas as capacidades de isolação de alta tensão e a operação em alta velocidade.

Para ajudar os projetistas a utilizar e avaliar os dispositivos, a Analog Devices oferece a placa de teste de interface do isolador digital EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler (Figura 6). Essa placa tem localizações e layouts para cada um dos isoladores, além de disponibilizar uma quarta localização. A placa possui ranhuras em forma de V entre cada componente (U1 a U4) para permitir que os usuários dividam a placa em seções e examinem um dispositivo específico numa matriz de contatos ou num acessório de teste semelhante.

Figura 6: A placa de teste EVAL-ADuM34XEEBZ suporta os três dispositivos ADuM34xE e tem um local aberto para a escolha de um dispositivo compatível com a pinagem do usuário. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A placa EVAL-ADuM34XEEBZ segue as práticas adequadas de projeto para placas de circuito impresso (PCI), incluindo um plano de terra em cada lado da barreira de isolação. A avaliação do dispositivo iCoupler utilizando esta placa requer apenas um osciloscópio, um gerador de sinais e uma fonte de alimentação de 2,25 V a 5,5 V.

Conclusão

A isolação é necessária em muitos projetos para manter a integridade do sinal, garantir a segurança do usuário e do dispositivo, além de cumprir as exigências regulatórias. Os dispositivos de isolação digital baseados na tecnologia de acoplamento magnético iCoupler da Analog Devices oferecem uma solução de alta velocidade, confiável e fácil de usar. As suas principais especificações, incluindo a degradação mínima com o tempo e a temperatura, garantem um desempenho superior a longo prazo.