Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych

ghost666 27 Wrz 2013 16:06 3108 0
  • Wstęp

    Niezawodne i precyzyjne systemy kontrolno pomiarowe są niezwykle istotne w systemach automatyki przemysłowej i kontroli procesów. Rozmaite sensory używane w automatyce, takie jak termopary czy RTD, wymagają stosowania izolacji galwanicznej, nie tylko w celu przerwania pętli masy, która mogłaby zmniejszyć dokładność pomiarów, ale przede wszystkim w celu zminimalizowania przepięć, które mogłyby uszkodzić czułą i delikatną aparaturę. W sygnale elektrycznym pochodzącym z sensora, oprócz niewielkiego sygnału różnicowego, który nas interesuje, znajdować się może sygnał współbieżny i znacznej amplitudzie. Sygnał ten może być przyczyną zmniejszenia dokładności akwizycji danych, a powstające przepięcia mogą być przyczyną powstania wielu niebezpieczeństw. Analogicznie - izolowane wyjścia potrzebne są do pracy z siłownikami, cewkami elektromagnesów i systemami sterowania silnikami elektrycznymi w sposób bezpieczny i precyzyjny.

    Oprócz izolacji wejść i wyjść analogowych od masy układu izolacja galwaniczna jest także potrzebna pomiędzy rozmaitymi wejściami i wyjściami znajdującymi się na różnym potencjale współbieżnym, wynikającym z sposobu działania poszczególnych sensorów. Izolatory cyfrowe mogą pochwalić się wieloma sukcesami w poprawniu osiągów systemów analogowych oraz w redukcji wielkości układu, gdy tradycyjne izolatory galwaniczne, oparte o transoptory lub dedykowane rozwiązania izolacji sygnału analogowego, zastępuje się izolatorami cyfrowymi. Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) umieszczony obok sensora zajmuje się precyzyjną konwersją sygnału analogowego na cyfrowy strumień danych, który następnie transmitowany jest do mikrokontrolera zarządzającego systemem przez barierę izolacji galwanicznej z wykorzystaniem cyfrowego izolatora z wykorzystaniem wielokanałowego izolatora cyfrowego. Analogicznie sygnały sterujące wychodzące z kontrolera przechodzą przez barierę izolacji galwanicznej, opartą o izolatory cyfrowe i następnie konwertowane są na sygnały analogowe z wykorzystaniem przetworników cyfrowo-analogowych (DAC).

    Izolatory cyfrowe eliminując z toru sygnału analogowego klasyczne izolatory lub transoptory poprawiają jego jakość i wydatnie zmniejszają wprowadzane do sygnału zniekształcenia. Pamiętać jednak należy że układy znajdujące się po wtórnej stronie bariery izolacji galwanicznej - przetwornik ADC i DAC - wymagają do pracy nie tylko kontrolujących je sygnałów cyfrowych, ale także zasilania. Klasycznie stosowało się tutaj dyskretne izolowane przetwornice DC/DC, jednakże posiadają one szereg wad. Aplikacje takich przetwornic konsumuję niezwykle dużo powierzchni płytki drukowanej, a same przetwornice są niełatwe do zaprojektowania i w konsekwencji zwiększają poziom skomplikowania projektu. Wyjście zasilania z takiej przetwornicy nierzadko nie jest stabilizowane, a efektywność przy niewielkim obciążeniu jest bardzo mała, co jest bardzo problematyczne gdyż układy DAC i ADC są bardzo niewielkim obciążeniem dla zasilania. Aby umożliwić stworzenie kompletnego, kompaktowego i zintegrowanego systemu izolacji galwanicznej dla systemów kontrolno-pomiarowych konieczne jest rozwiązanie integrujące w sobie nie tylko izolację sygnałów, ale także zasilania. Rozwiązaniem tym są układy integrujące w sobie technologię isoPowerŸ oraz iCouplerŸ firmy Analog Devices. Układy te zawierają w swojej strukturze izolowaną przetwornicę DC/DC oraz izolator cyfrowy - wszystko to w niewielkiej obudowie SSOP.





    isoPower: izolacja galwaniczna sygnałów i zasilania z wykorzystaniem mikrotransformatorów

    Przyjrzyjmy się bliżej układom z rodziny isoPower i zobaczmy o ile lepsze są od klasycznej implementacji z przetwornicą DC/DC. Na poniższym zdjęciu widzimy porównanie wielkości trzech rozwiązań (od lewej) - układ isoPower ADuM5010, zintegrowana przetwornica DC/DC oraz przetwornica i izolacja na transoptorach oparta o elementy dyskretne. Układ ADuM5010, Wraz z czterema kondensatorami zajmuje około 90 mm² na płytce drukowanej. Natomiast rozwiązanie dyskretne zajmuje aż 470 mm² i posiada aż 16 elementów dyskretnych. Powierzchnia zajęta na PCB jest zatem ponad pięciokrotnie większa. Zintegrowane moduły przetwornic DC/DC mają różną wielkość, ale zazwyczaj problematycznym wymiarem w ich przypadku jest wysokość, co uniemożliwia ich montaż powierzchniowy. Poniżej zdjęcia pokazano mikrofotografię układu isoPower, na których widoczne są transformatory.

    Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych


    Układ widoczny po lewej stronie zawiera w sobie transformator i klucz przetwornicy, natomiast w prawej części znajduje się kontroler sprzężenia zwrotnego i diody prostujące. Trzy zintegrowane transformatory znajdują się w układzie po lewej stronie, jeden (najmniejszy) odpowiedzialny jest za sprzężenie zwrotne. Istnieje możliwość zintegrowania większej ilości transformatorów w układzie w obudowie SSOP, jak widać na zdjęciu po prawej stronie. Jest to układ z rodziny ADuM521x, który oprócz zapewnienia 150 mW izolowanego zasilania zapewnia dwa kanały przekazu danych przez izolację galwaniczną.

    Do przeniesienia mocy przez barierę izolacji galwanicznej prąd w mikrotransformatora jest rezonansowo kluczowany przy wysokiej częstotliwości, około 120 MHz. Tak wysoka częstotliwość pracy pozwala osiągnąć wysoką efektywność. Sprzężenie zwrotne jest zrealizowane z pomocą sygnału PWM o częstotliwości około 500 kHz, który kontroluje stopień wypełnienia sygnału podawanego na transformator. Uproszczony schemat układu widoczny jest na poniższej ilustracji.

    Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych


    Dwa klucze wykonane w technologii HVCMOS przełączają sygnał w transformatorze z środkowym odczepem, co jest kontrolowane przez sygnał PWM pochodzący z sprzężenie zwrotnego. Diody Schottkiego użyte do efektywnego prostowania napięcia po stronie wtórnej, wraz z zaawansowanym kontrolerem po stronie wtórnej zapewniają poprawną pracę przetwornicy. Po stronie pierwotnej układu dodatkowo zawarty jest układ miękkiego startu, zapewniający powolne narastanie prądu w układzie.

    Podczas załącznia układ miękkiego startu zapewnia przebieg PWM na początku działania przetwornicy powolnie zwiększając napięcie wyjściowe do ustawionego poziomu, delikatnie poniżej poziomu docelowego. Wtedy załączony zostaje układ kontroli po stronie wtórnej, który doprowadza napięcie wyjściowe do docelowego poziomu korzystając z sprzężenia zwrotnego. Układ miękkiego startu zapewnia zminimalizowanie nadmiernego napięcia na wyjściu podczas załącznia, co jest niezwykle ważne dla niezawodności systemu.

    Aby przekazać w sposób niezawodny dane przez barierę izolacji galwanicznej używane jest kodowanie i dekodowanie różnicowe. Zbocze narastające sygnału zostaje zakodowane jako impuls dodatni, a opadające jako impuls ujemny. Następnie impulsy te przekazywane są poprzez sprzęg indukcyjny i dekodowane po stronie wtórnej układu do postaci wejściowej. Aby zapewnić ciągłość danych na wyjściu, wysyłane są sygnały przypominające, jeśli zbocze nie wystąpiło od jakiegoś czasu. Dla stanu wysokiego jest to impuls dodatnia, a dla niskiego impuls ujemny. Zastosowanie odbiornika różnicowego pozwala na osiągnięcie doskonałych parametrów wyjściowych i znaczną odporność na przepięcia, nawet dochodzące do 50 kV/µs.

    Izolacja galwaniczna układu wykonana jest z warstwy polimeru o grubości 32 µm pomiędzy wtórną a pierwotną cewką transformatora. Izolacja ta zapewnia wytrzymałość do 3,75 kV przez jedną minutę. Na poniższej ilustracji pokazano przekrój transformatora isoPower. Oba uzwojenia wykonane są z grubego na 6 µm złota. Polimer wybrany do wytworzenia izolacji jest bardzo odporny na wysokie napięcie i zapewnia wytrzymałość na impulsy do 10 kV. Co więcej jest on bardzo odporny na starzenie i degradację.

    Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych


    Czas po którym układ może zawieść zilustrowany jest na poniższym wykresie. Dane pokazane na wykresie zebrane są dla napięć od 1,2 kV do 3 kV. Ekstrapolując te dane żywotność układu dla napięcia 400 V wynosi 100 lat. Jest to wartość wystarczająca dla większości aplikacji przemysłowych.

    Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych


    Oprócz zachowania z przyłożonym wysokim napięciem kwestie związane z zakłóceniami EMC są także istotne dla aplikacji przemysłowych. Transformatory aplikowane w układach isoPower zaprojektowane są tak aby przekazywać sygnał na zaledwie kilkaset mikronów, zatem promieniowane elektromagnetyczne emitowane poza układ jest niewielkie. Dodatkowo ograniczone jest to z wykorzystaniem S-kształtnych uzwojeń, jak pokazano na poniższej ilustracji.

    Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych


    W dalekim polu strumień magnetyczny pochodzący z jednej połówki uzwojenia jest znoszony przez strumień drugiej połówki, znajdującej się w przeciwfazie. Emisja pochodząca z wbudowanych transformatorów może być pomijalna, jednakże wymagane jest przemyślane zaprojektowanie płytki drukowanej tak aby sygnały dochodzące do układu nie zostały wypromieniowane z dipola uformowanego z ścieżek na płytce drukowanej.

    Izolacja sygnałów i zasilania w systemach kontrolno-pomiarowych

    Aby stworzyć niezawodny i bezpieczny system pomiarowy mierzący prąd, napięcie, temperaturę, ciśnienie, prędkość przepływu i inne wartości w szeregu procesów przemysłowych w szczególnie ciężkich warunkach konieczne jest opracowanie dobrego systemu izolacji galwanicznej który nie tylko zapewni poprawność przesyłanych danych ale także bezpieczeństwo użytkownika. Istotnym czynnikiem na które pozwala izolacja galwaniczna jest uniknięcie pętli masy oraz izolacja użytkownika od potencjalnie niebezpiecznych napięć.

    Oprócz izolacji linii danych wymagana jet też izolacj zasilania, tak aby móc zasilać przetworniki ADC, DAC a także rozmaite sensory i przetworniki. Poważnym wyzwaniem jest odpowiednio gęste upakownie elementów odpowiedzialnych za izolację galwaniczną, takich jak transoptory, ważywszy na ilość wejść i wyjść wymagających izolacji w typowym przemysłowym systemie kontrolno-pomiarowym. Co więcej niezwykle istotnym jest zapewnienie nie tylko izolacji pomiędzy wejściami/wyjściami a mikrokontrolerem obecnym w systemie, ale także zapewnienie izolacji pomiędzy poszczególnymi kanałami wejściowymi i wyjściowymi w urządzeniu. Dzięki takiej topologii izolacji galwanicznej otrzymujemy produkt który dostarcza rozwiązania kompaktowego i niezwykle bezawaryjnego.

    Przykładowa implementacja takiego systemu izolowanych wejść wyjść do zastosowania w automatyce przemysłowej pokazana jest na poniższym schemacie blokowym

    [center] Scalone izolatory sygnału i zasilania do aplikacji kontrolno-pomiarowych

    Pojedynczy układ korzystający z technologii isoPower, taki jak ADuM5211 (dwukanałowy izolator sygnałowy z przetwornicą DC/DC o mocy 150 mW wbudowaną w układ) w 100% spełnia wymagania pojedynczego kanału wejścia analogowego. Jeden kanał przesyłu danych przez barierę izolacji galwanicznej wykorzystany jest do przesłania zegara systemowego z mikrokontrolera do ADC a drugi kanał przekazuje zdigitliowany sygnał analogowy. Kilka układwó ADuM5211 pozwala zrealizować szereg izolowanych, także pomiędzy sobą, kanałów wejść analogowych. Analogicznie do powyższego przykładu układ ADuM5210 może zostać wykorzystany do zrealizowania wyjścia analogowego. Dwa kanały obecne w układzie pozwalają na przesłanie zegara i szeregowych danych z mikrokontrolera do przetwornika DAC, a wbudowana przetwornica DC/DC o mocy 150 mW zasila elementy po stronie wtórnej. W ten sposób można zrealizować dowolną ilość kanałów izolowanego wyjścia analogowego. Czerwone poziome przerywane linie na schemacie blokowym powyżej pokazują które komponenty są między sobą izolowane.

    Komunikacja pomiędzy poszczególnymi elementami w fabryce wymagać może dodatkowej izolacji interfejsów komunikacyjnych, co zaznaczone jest na schemacie blokowym pionową przerywaną linią w kolorze czerwonym. Izolacja galwaniczna aplikowana jest pomiędzy mikrokontrolerem sterującym systemem a interfejsami takimi jak RS485, RS232, CAN itp.. I w tym przypadku pojedynczy układ z rodziny isoPower, taki jak ADuM5287, jest wystarczający do realizacji w pełni zintegrowanego rozwiązania izolacji galwanicznej interfejsu RS-485 wraz przetwornicą DC/DC o mocy 500 mW. W pokazanej w artykule aplikacji ukłąd ADuM2587 wykorzystany jest zapewnienia izolacji interfejsu RS-485, a dodatkowo posiada trzy kanały do przesyłu cyfrowych informacji. Dwa z nich wykorzystane są do przesyłania sygnałów Drive i Drive Enable sterujących pracą interfejsu, trzeci kanał natomiast użyto do przekazania sygnału Receive do mikrokontrolera. Jak widać na tym przykładzie integracja izolacji sygnałowej i zasilania ułatwia aplikację w systemach przemysłowych.

    Istnieją podobne potrzeby i rozwiązania w aplikacjach takich jak monitorowanie zestawów akumulatorów czy systemach pomiarowych. Napięcie i prąd dla każdego ogniwa w baterii musi być niezależnie monitorowane w sposób ciągły, w celu maksymalnego wydłużenia czasu pracy całej baterii. Sumaryczne napięcie zestawu ogniw wynosić może kilkaset woltów lub nawet więcej. Izolacja galwaniczna poszczególnych systemów pomiarowych jest zatem krytyczna, jeśli wszystkie dane mają zostać zebrane w jednym układzie monitorującym pracę całego systemu.
    Źródła:
    http://www.edn.com/design/power-management/44...es-robust-and-compact-measurement-and-control


    Fajne!
  • Megger
TME logo Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
TME Logo