Comment optimiser l'isolement et les performances à l'aide d'isolateurs numériques avancés

Les concepteurs de systèmes électroniques doivent intégrer l'isolement de l'alimentation et des signaux pour répondre aux exigences de performances tout en respectant les réglementations en matière de sécurité des utilisateurs et des dispositifs. L'isolement d'un chemin d'alimentation CA est facilement réalisé à l'aide d'un transformateur. L'isolement d'un rail d'alimentation CC repose également sur un transformateur, bien qu'il nécessite davantage de circuits. Cependant, l'isolement des signaux analogiques numérisés et des flux de données série numériques présente des défis et des complications différents.

Dans ce cas, la technique de transfert d'énergie utilisée pour l'isolement doit préserver l'intégrité des signaux à travers la barrière galvanique pour maintenir les performances du système. Bien qu'il existe de nombreuses façons de mettre en œuvre l'isolement, les concepteurs doivent garantir l'intégrité des signaux à des débits de données plus élevés et dans des environnements plus difficiles. C'est pourquoi ils se tournent de plus en plus vers des isolateurs numériques capables de transférer des données à 150 mégabits par seconde (Mbps).

Cet article aborde brièvement les raisons pour lesquelles l'isolement est requis, en soulignant son importance dans les circuits basés sur des capteurs. Il présente ensuite divers aspects de l'isolement à l'aide d'isolateurs numériques de pointe d'Analog Devices et montre comment ils peuvent être appliqués.

Isolement : pourquoi et où

La nécessité d'isolement dans les circuits basés sur des capteurs s'explique par de multiples raisons :

1. L'isolement peut éliminer les variations de tension de mode commun et minimiser certains types d'interférences électromagnétiques (EMI). Il garantit des mesures plus propres et plus précises en empêchant les sources de bruit externes de corrompre le signal acquis. Il permet également de mesurer de petits signaux présentant des tensions de mode commun élevées.
2. En raison des différences de potentiels entre les masses des circuits, les boucles de masse peuvent introduire des différentiels de tension qui déforment le signal mesuré. L'isolement rompt la boucle de masse.
3. L'isolement empêche les pics de tension, les transitoires ou les pointes d'énergie dangereux d'atteindre les composants de mesure sensibles. Cela permet de protéger les circuits de mesure, tous les dispositifs connectés et l'utilisateur.
4. L'isolement prend en charge la translation de niveau sûre entre les différentes fonctions des circuits. Les circuits d'un côté de la barrière galvanique peuvent être à la tension du transducteur, tandis que les circuits de l'autre côté peuvent être à 3,3 V ou 5 V pour les signaux de niveau logique.

Par exemple, dans un ensemble de batteries haute tension, il est souvent nécessaire de connaître la tension de chaque cellule pour garantir que le système fonctionne en toute sécurité et que la durée de vie des batteries est la plus longue possible. La tension dans une seule cellule doit être mesurée malgré la présence de plusieurs centaines de volts de tension de mode commun dans l'ensemble de batteries connectées en série.

Bien qu'il soit possible d'utiliser des circuits analogiques et des amplificateurs d'isolement pour surmonter ce problème, de telles approches ne répondent pas au besoin de mesures avec une largeur de bande et une résolution plus élevées tout en maintenant la précision, la linéarité et la cohérence du système.

La technique la plus précise, la plus économique et la plus efficace pour effectuer ces mesures consiste à isoler le frontal de mesure complet, y compris le convertisseur analogique-numérique (CAN), puis à utiliser une liaison série isolée pour transmettre les données numérisées au reste du système (Figure 1).

Figure 1 : L'utilisation d'un frontal isolé lors de la mesure de la tension d'une seule cellule dans un ensemble de batteries haute tension permet de surmonter le défi des tensions de mode commun. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette approche isole la tension de mode commun de l'ensemble de batteries tout en empêchant les hautes tensions dangereuses de migrer vers le côté liaison de données ou vers l'utilisateur en cas de problème.

Il convient de noter que toute exigence d'isolement des signaux s'accompagne d'une exigence d'isolement de l'alimentation, car des rails d'alimentation non isolés neutraliseraient et annuleraient l'isolement des signaux. L'isolement de l'alimentation nécessaire peut être implémenté via un circuit d'isolement de l'alimentation séparé ou en utilisant une batterie comme source d'alimentation indépendante et isolée.

Comment fournir l'isolement

De nombreux paramètres définissent les performances d'isolement. La tension maximum que la barrière galvanique peut supporter avant défaillance est l'un de ces paramètres. Les réglementations imposent le maximum requis, généralement plusieurs milliers de volts, selon l'application.

Plusieurs technologies distinctes peuvent être utilisées pour réaliser l'isolement des signaux numériques : couplage capacitif, couplage optique (LED et phototransistor), transmission RF à micro-échelle et couplage magnétique.

Cette dernière technologie est une technique fiable avec de nombreux attributs positifs, mais qui a toujours nécessité un transformateur de signaux relativement grand et coûteux. Cette situation a changé avec l'introduction de la technologie iCoupler d'Analog Devices. Cette approche utilise des bobines de transformateur primaires et secondaires, séparées par une barrière galvanique créée par des couches d'isolant en polyimide (Figure 2). Une porteuse haute fréquence transmet les données à la bobine secondaire à travers la barrière galvanique.

Figure 2 : La technologie iCoupler utilise une porteuse haute fréquence pour transmettre les données de la bobine primaire à la bobine secondaire à travers un isolant en polyimide épais. (Source de l'image : Analog Devices)

En fonctionnement, le transformateur primaire est commandé par un courant pulsé à travers sa bobine primaire pour créer un petit champ magnétique localisé qui induit du courant dans la bobine secondaire. Les impulsions de courant sont courtes, environ 1 ns, donc le courant moyen est faible pour garantir une basse consommation d'énergie. De plus, la technique de modulation par tout ou rien (OOK) utilisée pour les impulsions et l'architecture différentielle offrent un temps de propagation très faible et une capacité haute vitesse.

Les matériaux polymères utilisés dans la technologie iCoupler offrent un isolement robuste, car le matériau est qualifié dans la plupart des applications. Ce sont les cas d'utilisation les plus difficiles, tels que les dispositifs médicaux et les équipements industriels lourds, qui bénéficient le plus de cette capacité de performances.

Le polyimide présente également une contrainte inférieure à celle du dioxyde de silicium (SiO₂), un matériau barrière alternatif, et son épaisseur peut être augmentée selon les besoins. En revanche, l'épaisseur du SiO₂, et donc la capacité d'isolement, sont limitées. Les contraintes sur des épaisseurs supérieures à 15 μm peuvent provoquer des fissures dans les plaquettes pendant le traitement ou un délaminage pendant la durée de vie de l'isolateur. Les isolateurs numériques en polyimide utilisent des couches d'isolement dont l'épaisseur peut atteindre 26 μm.

Analog Devices propose une variété d'isolateurs numériques iCoupler basés sur transformateur. Ces isolateurs incluent les dispositifs de 3000 Vrms, 150 Mbps ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL et ADUM342E1WBRWZ pour les interfaces CAN, RS-485 et SPI.

Ces trois isolateurs numériques sont collectivement appelés dispositifs ADuM34xE et se distinguent principalement par la directionnalité de leurs canaux. L'ADuM340E est doté de quatre canaux directs, l'ADuM341E de trois canaux directs et d'un canal inverse, et l'ADuM3421 de deux canaux directs et de deux canaux inverses (Figure 3).

Figure 3 : Les trois isolateurs numériques à quatre canaux de la série ADuM34xE présentent des spécifications similaires mais diffèrent en termes de directionnalité des canaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Les trois isolateurs sont chacun proposés avec un choix entre deux modes de sécurité intrinsèque (Figure 4) : l'état de sortie est à l'état bas si le côté entrée est désactivé ou ne fonctionne pas (faible sécurité intrinsèque), ou l'état de sortie est à l'état haut si le côté entrée est désactivé ou ne fonctionne pas (haute sécurité intrinsèque). Cela permet aux isolateurs de revenir à un état connu lorsqu'ils sont utilisés dans des applications critiques.

Figure 4 : Schémas fonctionnels opérationnels d'un seul canal d'un dispositif ADuM34xE illustrant les options de faible sécurité intrinsèque (en haut) et de haute sécurité intrinsèque (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Il convient de noter qu'il n'existe aucune relation entre les alimentations côté entrée (broche V_DD1 dans la Figure 3) et côté sortie (broche V_DD2). Elles peuvent fonctionner simultanément à n'importe quelle tension dans leurs plages de fonctionnement spécifiées et dans n'importe quel ordre. Cette fonctionnalité permet à l'isolateur d'effectuer des conversions de tension de logique 2,5 V, 3,3 V et 5 V, entre autres.

Nuances des caractéristiques de performances de l'ADuM34xE

La haute tension d'isolement, la vitesse élevée, la basse consommation et le faible temps de propagation des isolateurs ADuM34xE permettent des capacités d'applications directes, mais l'architecture de ces dispositifs présente des avantages plus nuancés dont les concepteurs peuvent tirer parti. Par exemple, la consommation d'énergie globale évolue en fonction de la fréquence de fonctionnement et les besoins en énergie sont approximativement proportionnels à la vitesse à laquelle fonctionnent les dispositifs. Par conséquent, les canaux inactifs ou qui commutent à très faible vitesse consomment très peu d'énergie. Il en résulte une réduction relative de la consommation d'énergie d'un à deux ordres de grandeur par rapport aux techniques d'isolement alternatives.

De plus, une fois que le concepteur a déterminé la fréquence d'horloge série maximum pour l'application, l'alimentation isolée associée peut être sélectionnée pour fournir suffisamment de courant pour prendre en charge uniquement cette fréquence, éliminant ainsi le besoin de sur-spécifier au-delà de la valeur maximum de l'isolateur.

Compte tenu de l'importance du temps de propagation et de temporisation dans les liaisons série haute vitesse, il est important de noter que les performances de l'isolateur numérique ne se dégradent pas et ne changent pas avec le temps et la température. Si la gigue est moins problématique à faibles vitesses de signalisation où son erreur est faible par rapport à la période de la forme d'onde, à des débits de données plus élevés, la gigue de temporisation devient un pourcentage important de l'intervalle des signaux. Le choix d'un isolateur présentant la gigue la plus faible peut augmenter le rapport signal/bruit (SNR) et l'efficacité du circuit isolé.

En raison de ces caractéristiques de l'architecture iCoupler, les fiches techniques des dispositifs définissent la consommation d'énergie minimum et maximum garantie, les délais de propagation et les spécifications de distorsion d'impulsion sur leur plage de températures de fonctionnement complète de -40°C à +125°C. Pour les concepteurs, disposer de ces spécifications complètes simplifie les calculs liés aux performances du système selon le cas le plus défavorable.

Grâce aux valeurs garanties des isolateurs numériques en matière de délai de propagation (maximum de 10 ns) (Figure 5), de décalage et de correspondance canal-à-canal, les spécifications de temporisation système de haut niveau peuvent être modélisées et évaluées comme avec d'autres circuits intégrés numériques.

Figure 5 : La technologie iCoupler résulte en un temps de propagation très faible et entièrement caractérisé de moins de 10 ns sur la plage de températures de fonctionnement complète. (Source de l'image : Analog Devices)

L'immunité transitoire en mode commun (CMTI) est une spécification moins connue et facilement négligée. La commutation constante dans les applications haute tension telles que les circuits de charge de véhicules électriques (VE) et de véhicules électriques hybrides (VEH), les systèmes d'énergie solaire et les entraînements de moteurs introduit des transitoires en mode commun tels que des oscillations et du bruit. La technologie d'isolement des dispositifs ADuM34xE exploite une architecture de transformateur à point milieu tête-bêche qui fournit un chemin à faible impédance vers la terre pour le bruit de chaque côté de la barrière galvanique. Cela leur permet d'atteindre une valeur CMTI de 100 kV/µs (minimum), améliorant considérablement l'intégrité du signal isolé.

Les concepteurs spécialisés en systèmes magnétiques peuvent craindre que ces isolateurs ne soient affectés par des interférences magnétiques susceptibles de corrompre les impulsions de transmission à travers la barrière galvanique, provoquant des erreurs. Cette crainte n'a pas lieu d'être, car le petit rayon et le noyau à air des transformateurs impliquent qu'un champ magnétique extrêmement grand ou une fréquence très élevée sont nécessaires pour induire un défaut. Les isolateurs numériques ne sont pas affectés par 500 A à 1 MHz dans un fil à seulement 5 mm du dispositif.

Évaluation des isolateurs numériques

Si ces isolateurs présentent des fonctionnalités simples, leur application requiert une attention particulière aux détails, notamment pour la configuration de la carte, pour garantir que leurs capacités d'isolement haute tension et leur fonctionnement haute vitesse ne sont pas compromis.

Pour aider les concepteurs à utiliser et à évaluer les dispositifs, Analog Devices propose la carte d'évaluation d'interface d'isolateur numérique iCoupler EVAL-ADuM34XEEBZ (Figure 6). Cette carte présente des emplacements et des dispositions pour chacun des isolateurs, ainsi qu'un quatrième emplacement non affecté. La carte comporte des rainures en V entre chaque composant (U1 à U4) pour permettre aux utilisateurs de diviser la carte en sections et d'examiner un dispositif spécifique sur un montage d'essai ou un dispositif de test similaire.

Figure 6 : La carte d'évaluation EVAL-ADuM34XEEBZ prend en charge les trois dispositifs ADuM34xE et dispose d'un emplacement ouvert pour permettre à l'utilisateur de choisir un dispositif à brochage compatible. (Source de l'image : Analog Devices)

La carte EVAL-ADuM34XEEBZ suit les pratiques de conception de circuits imprimés appropriées, y compris un plan de masse de chaque côté de la barrière galvanique. L'évaluation du dispositif iCoupler à l'aide de cette carte ne requiert qu'un oscilloscope, un générateur de signaux et une alimentation de 2,25 V à 5,5 V.

Conclusion

L'isolement est nécessaire dans de nombreuses conceptions pour maintenir l'intégrité des signaux, garantir la sécurité de l'utilisateur et des dispositifs, et répondre aux exigences réglementaires. Les dispositifs d'isolement numériques basés sur la technologie de couplage magnétique iCoupler d'Analog Devices offrent une solution haute vitesse fiable et facile à utiliser. Leurs spécifications clés, notamment une dégradation minimale dans le temps et en fonction de la température, garantissent des performances supérieures à long terme.