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Como transferir sinal e energia entre circuitos isolados?

Em um circuito, diferentes partes são tipicamente isoladas umas das outras para melhorar a integridade dos dados e a segurança. Sinais indesejados podem ser gerados pela fonte de alimentação do circuito. Sem isolamento, esses sinais podem vazar para o restante do circuito, causando ruídos e outras anomalias. Além disso, o isolamento protege os componentes e os usuários das voltagens potencialmente perigosas na seção de alimentação.

O isolamento é frequentemente alcançado usando optoacopladores. No entanto, mesmo com a tecnologia moderna, transmitir energia do lado não isolado para o lado isolado continua sendo um desafio. Neste artigo, Baoxing Chen, bolsista da Analog Devices, discute como usar a tecnologia isoPower™ e microtransformadores para resolver esse problema.

O isolamento entre componentes de circuito é normalmente necessário por questões de segurança e/ou integridade de dados. Por exemplo, o isolamento protege os componentes sensíveis do circuito e a interface humana do sistema contra níveis de tensão perigosos presentes no lado do campo, onde componentes mais robustos, como sensores e atuadores, estão localizados. O isolamento também pode eliminar ruídos de modo comum ou loops de terra que afetam a precisão da aquisição de dados. Embora a transferência de dados através de uma barreira de isolamento pode ser alcançada por meio de optoacopladores tradicionais ou dispositivos iCoupler da Analog Devices, o principal desafio e problema tem sido encontrar uma maneira de transmitir energia do lado do sistema não isolado para o lado de campo isolado. Este artigo discute a tecnologia por trás de uma nova abordagem que aborda esse desafio, integrando o isolamento da fonte de alimentação com o isolamento de sinais de dados usando os mais recentes produtos iCoupler da Analog Devices.

Até recentemente, transferir energia através de uma barreira de isolamento exigia ou um conversor DC-DC separado, que é relativamente grande, caro e possui isolamento insuficiente, ou uma abordagem discreta personalizada, que não é apenas volumosa, mas também difícil de projetar.

Essas abordagens eram as únicas alternativas viáveis, mesmo em aplicações como módulos de aquisição de dados, onde apenas pequenos níveis de energia isolada são necessários.

A Analog Devices recentemente abordou essa questão com a introdução de uma solução de isolamento completa e totalmente integrada, envolvendo a transferência de sinal e energia através de uma barreira de isolamento usando microtransformadores. Esta extensão da nossa tecnologia iCoupler, denominada isoPower, é uma alternativa inovadora. Sinal e energia em um único componente eliminam a necessidade de uma fonte de alimentação isolada volumosa, cara e difícil de projetar, proporcionando isolamento adequado de até 5 kV. Isso pode reduzir significativamente o custo total do sistema de isolamento, o espaço na placa e o tempo de design. Um dispositivo iCoupler de 2 canais com isoPower, como mostrado na Figura 1, é quase 90% menor e 70% mais barato.

Figura 1. Comparação de custo e tamanho entre a abordagem tradicional e a abordagem isoPower.

Tecnologia iCoupler com isoPower

A integração de conversores DC-DC envolve o uso de chaves de transformador, diodos de retificação e, mais importante, um transformador. A redução do tamanho do transformador para permitir sua integração em uma solução completa de isolamento é possível usando frequências de comutação altas, na ordem de 300 MHz. Isso contraria a abordagem usada em transformadores com núcleo magnético, onde a permeabilidade do núcleo magnético começa a degradar em altas frequências, levando a perdas de núcleo apreciáveis que reduzem a eficiência. Além disso, um núcleo magnético também pode comprometer a classificação de isolamento dos transformadores. Transformadores iCoupler sem núcleo, por outro lado, podem ser comutados em frequências mais altas e são muito mais simples de implementar.

Os microtransformadores usados nos dispositivos iCoupler são construídos sobre um substrato CMOS. A Figura 2 mostra uma seção transversal da estrutura do transformador isolado, e a Figura 3 é uma foto do chip com ambos os transformadores de potência e sinal. A resistência série do transformador é minimizada através do uso de Au revestido de 6 μm de espessura para as espiras primária e secundária. A poliamida de 20 μm de espessura entre o primário e o secundário fornece isolamento de alta tensão de até 5 kV. A poliamida adicional de 5 μm de espessura sob a espiral inferior ajuda a reduzir a capacitância e a perda do substrato. A perda de substrato é ainda mais reduzida através de uma blindagem de aterramento cuidadosamente projetada, usando o metal subjacente disponível do CI. O efeito de proximidade e a perda por correntes parasitas são menos preocupantes para os transformadores empilhados com alto coeficiente de acoplamento magnético. O design das bobinas pode ser otimizado ajustando parâmetros como o número de voltas, a largura das trilhas e o espaçamento das trilhas. O fator de qualidade (Q) a 300 MHz pode ser de até 20 para a bobina superior e 15 para a bobina inferior. O alto Q da estrutura do microtransformador torna possível uma transferência de energia eficiente.

Figura 2. Seção transversal da bobina do transformador iCoupler.
Figura 3. Fotografia da matriz do transformador mostrando a bobina do transformador de potência e as duas bobinas do transformador de dados.

A transferência do sinal digital é realizada através da transmissão de pulsos curtos pelos transformadores, com aproximadamente 1 ns de largura, com dois pulsos curtos consecutivos indicando uma borda de subida e um único pulso curto indicando uma borda de descida. A Figura 4 mostra o diagrama de blocos da transferência de sinal. Um monoestável não acionável no lado secundário gera pulsos de detecção. Se dois pulsos forem detectados, a saída é configurada como alta. Por outro lado, se um único pulso for detectado, a saída é configurada como baixa. Um filtro de entrada ajuda a aumentar a imunidade ao ruído. A correção de DC é garantida por sinais de atualização enviados aos transformadores quando nenhuma borda de sinal é detectada por cerca de 1 μs. Se a entrada estiver alta, dois pulsos curtos consecutivos são gerados como pulsos de atualização, e se a entrada estiver baixa, uma atualização de um único pulso curto é gerada. Para complementar o circuito de atualização no lado do driver, um watchdog é implementado no receptor para garantir que a saída esteja em um estado de segurança quando nenhum pulso de atualização for detectado.

Figura 4. Diagrama de blocos de transferência de sinal digital.

Microtransformadores semelhantes são usados para transferir energia. Devido à sua pequena relação L/R, os transformadores precisam ser comutados em alta frequência para evitar saturação de corrente e alcançar alta eficiência. Um exemplo de quatro chaves CMOS complementares implementadas em uma configuração acoplada em cruz, junto com o transformador formando oscilação sustentada, é mostrado na Figura 5. Os tamanhos dos componentes do tanque são otimizados para maximizar a eficiência de transferência de energia. Diodos Schottky integrados foram usados como dispositivos de retificação. Esses diodos ligam e recuperam rápido o suficiente para a retificação de 300 MHz. Os diodos precisam ser dimensionados de modo que permaneçam na região Schottky durante a retificação. Um regulador linear no secundário mantém a tensão de saída com variações de carga de saída ou de fonte de entrada. A eficiência é menos preocupante para muitas aplicações de baixa potência. Para melhorar a eficiência e manter a regulação de energia, um transformador de sinal de feedback opcional pode ser adicionado. O sinal de feedback ligaria/desligaria o tanque LC em vez de controlar diretamente as chaves do transformador. Essa abordagem separa a regulação da energia da conversão de energia, permitindo uma transferência de energia otimizada e mantendo a regulação.

Figura 5. Diagrama de blocos de transferência de energia.

Uma preocupação comum sobre transformadores de comutação é a interferência eletromagnética, especialmente para um transformador comutando a 300 MHz. Usando a aproximação de campo distante,

O comprimento de onda, λ, a 300 MHz é de cerca de 1 metro, e o transformador com um raio na faixa de 0,5 mm ainda é uma antena muito ruim com um pequeno r/λ. Estima-se que a potência total irradiada ainda seja inferior a 500 pW, mesmo que a peça esteja operando a 300 MHz com uma corrente de loop de 350 mA. A radiação de campo próximo diminui rapidamente com a distância do transformador. Os transformadores no chip são apenas acoplados de perto com uma pequena separação, 20 μm neste caso.

Exemplo de aplicação: O ADuM5242 em uma fonte de alimentação de controle secundário

Arquiteturas de controle secundário têm ganhado força à medida que novas fontes de alimentação tendem a ter menor tensão de fornecimento, resposta dinâmica mais rápida e maior interação entre o sistema e a carga. Existem duas principais dificuldades na adoção de controle secundário em comparação com o controle primário. A primeira é a necessidade de isolamento digital de alto desempenho em vez de isolamento analógico. Um optoacoplador analógico barato é tipicamente usado para enviar o sinal de erro de feedback analógico do secundário para o primário em um sistema com controle primário, enquanto um acoplador digital caro ou volumoso seria necessário para enviar sinais PWM através da barreira de isolamento em um sistema com controle secundário.

A segunda dificuldade é a necessidade de energia no controlador secundário antes que o sistema tenha iniciado. O controlador primário não tem esse problema, pois a energia está sempre disponível no lado primário. Existem duas maneiras de resolver esse problema de inicialização do controle secundário. Um método é adicionar uma fonte de alimentação auxiliar exclusivamente para a inicialização do controlador secundário. O segundo método é ter um componente de inicialização dedicado no lado primário para gerar a polarização inicial no secundário para a inicialização do controlador secundário.

 O ADuM5242 da Analog Devices, um isolador digital de dois canais com uma saída isolada de 50 mW, é uma solução ideal para o problema de inicialização. Este componente SOIC de 8 pinos fornece dois canais de isolamento que suportam sinais PWM de até 10 Mbps e 10 mA de potência isolada de 5 V para a inicialização do controlador secundário. O usuário tem ainda a opção de desabilitar a energia uma vez que o sistema tenha sido iniciado. A desativação é realizada através do monitoramento da tensão de alimentação de entrada. Quando a alimentação de entrada cai abaixo de 4 V, o interruptor de controle de feedback mostrado na Figura 5 é desligado. A Figura 6 é um diagrama de bloco de aplicação de exemplo mostrando o ADuM5242 em um sistema de controle secundário. Os dois canais de sinal digital fornecem os sinais de feedback do controlador secundário com retificação síncrona para acionar os drivers de meia ponte no primário.

Figura 6. Exemplo de sistema de controle secundário empregando ADuM5242 com isoPower.

Juntamente com o ADuM5242, outras duas configurações de canais de dados também foram introduzidas. O ADuM5240 possui dois canais de saída isolados, enquanto o ADuM5241 tem uma saída isolada e uma entrada isolada. Isso proporciona a flexibilidade necessária para suportar uma ampla variedade de aplicações. Os produtos ADuM524x também podem ser usados em combinação com outros dispositivos iCoupler multicanais para configurar uma maior quantidade de canais de sinal isolados.

ADuM5242 Digital Isolator

ADuM5241 Digital Isolator

ADuM5240 Digital Isolator

Resumo

A tecnologia iCoupler com isoPower oferece uma solução completa de isolamento dentro de um único pacote. Além de oferecer isolamento de sinal digital de última geração com vantagens substanciais sobre optoacopladores em termos de potência, tamanho e desempenho, também elimina a necessidade de uma fonte de alimentação isolada separada. A tecnologia iCoupler proporciona possibilidades inéditas de integração funcional que podem reduzir drasticamente a complexidade, o tamanho e o custo total dos sistemas isolados.

Esse texto foi feito em parceria com:

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 
* Texto originalmente publicado no link, adaptado pela Equipe Embarcados.

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