Ускорение автоматизированного производства за счёт использования усовершенствованной технологии развязки цепей

Марк Морган (Mark Morgan), Джованни Фраттини (Giovanni Frattini)

Введение

Тот, кто хоть раз ощутил, что такое удар электрическим током, прикоснувшись к розетке или к плохо заземлённому бытовому прибору, ни за что не захочет повторить этот опыт. К тому же следующий раз может оказаться последним.

Паразитные токи и чрезмерно высокие напряжения — те явления, которые могут быть опасны для человека, — могут повреждать и оборудование, особенно электронные системы управления, которые чрезвычайно чувствительны к высоким токам и напряжениям. Даже если эти условия не выводят оборудование из строя, они могут создавать помехи сигналам электроники и становиться причиной неправильной работы оборудования. Защита людей, оборудования и сигналов управления от помех такого рода — это задача, которую решают не только различные виды изоляции, но и развязка между разными электрическими цепями. Развязка, хотя она не так широко известна, как изоляция, на самом деле настолько важна, что рынок устройств, обеспечивающих развязку, оценивается в один миллиард долларов в год.

Развязка цепей имеет значение во всех областях электроники, начиная от переносных устройств широкого пользования до большого оборудования, используемого в инфраструктуре связи, транспорта и тяжелой промышленности. На сегодня развязка представляет особенный интерес в промышленности, так как всё больше и больше автоматизированного производственного оборудования поддерживает связь с другим оборудованием и с внешними сетями. Этот рост интеллектуальности машин и автоматизации происходит настолько быстро, что его уже называют четвёртой промышленной революцией. Интеллектуальные датчики, исполнительные механизмы, электродвигатели и другое производственное оборудование должны быть защищены от скачков напряжения и переходных процессов и экранированы от помех, создаваемых паразитными сигналами, чтобы работать надёжно. Развязка электрических цепей -ключ к достижению этих целей на производстве. Это также важный фактор обеспечения надёжной и безопасной работы электроники в автомобилях, медицинском оборудовании, телекоммуникационных системах, офисном оборудовании, бытовых приборах и в ряде других прикладных областей.

Для удовлетворения растущих требований к безопасности и надёжности изготовителям оборудования требуются от поставщиков интегральных схем (ИС) более сложные решения для развязки. Будучи одним из ведущих производителей полупроводниковых приборов, Texas Instruments выделяет значительные ресурсы на исследования и разработки передовых технологий развязки электрических цепей и применяет эти технологии для создания продукции, которая отвечает требованиям промышленных и других систем. По мере того как появляются новые развязывающие устройства, изготовители систем получают возможность создавать лучше защищённые схемы для питания, связи и управления. Такие схемы помогают распределить средства автоматизации на производстве, повысить качество, регулировать издержки и добиться более высокой энергоэффективности производственных процессов, а также повысить производительность труда и безопасность работников.

Необходимость развязки цепей

Развязка, называемая также гальванической развязкой, является средством, которое предотвращает протекание постоянного тока и нежелательных переменных токов между двумя различными частями системы, в то же время позволяя передавать сигналы и питание. Как следует из названия, развязка означает физическое отделение одной части схемы от другой посредством трансформатора, конденсатора, оптрона или другого устройства. В прикладной системе развязывающее устройство обычно используется либо для низких напряжений и токов, связанных с передачей сигналов, либо для гораздо более высоких напряжений и токов, характерных для линий питания. Однако в некоторых случаях один и тот же компонент может обеспечивать развязку и по питанию, и по линиям сигналов.

Оборудование, работающее от сетевого питания, может испытывать воздействие скачков напряжения, при которых напряжение выше номинального существует в течение некоторого периода времени, а также может подвергаться воздействию кратковременных выбросов или переходных процессов с чрезвычайно высокими напряжениями. Нарушения подачи напряжения электросети могут происходить при включении или выключении питания мощного оборудования, например электродвигателей, или при изменениях нагрузки такого оборудования, которые влияют на другое оборудование, питающееся от этого же источника. Электронные шумы, которые проникают в схемы вместе с питанием от сети или иными способами, могут создавать помехи сигналам в схемах управления, что может повлечь за собой проблемы в работе оборудования. Во многих типах оборудования возникают токи таких частот, которые необходимо блокировать от попадания обратно в сеть электропитания, чтобы они не передавались на другое оборудование, где они могут создавать помехи сигналам. Например, импульсные источники питания, которые широко используются в промышленном оборудовании для преобразования напряжения сети в импульсное напряжение, генерируют высокие частоты в процессе преобразования. Развязка по питанию служит для защиты оборудования, включая его управляющую электронику, а также помогает не допустить попадания нежелательных сигналов от данного блока обратно в сеть питания.

Даже если уровни тока и напряжения недостаточно велики, чтобы повредить устройства управления, они могут исказить сигналы связи между системами и между разными частями одной системы. Такое оборудование, как программируемые логические контроллеры (ПЛК), может работать с несколькими уровнями напряжения и точками заземления, поэтому различные части системы должны быть развязаны друг с другом, чтобы обеспечить целостность сигналов. Кабели связи между блоками оборудования могут образовывать контуры заземления, через которые на системы воздействует электрический шум из окружающей среды. Некоторые части электронных систем, например передатчики или процессоры, могут генерировать высокие частоты, которые необходимо блокировать, чтобы они не искажали сигналы в низкочастотных цепях.

Такие проблемы возникают даже в системах, не имеющих питания от сети, например в датчиках, работающих от аккумуляторов, которые имеют в своём составе высокочастотные микроконтроллеры и поддерживают связь с системами управления по высокочастотным беспроводным каналам. Датчики также работают от очень низких токов и часто требуют защиты чувствительных элементов, которые взаимодействуют с внешними материалами, могущими быть электрически активными. Во всех этих и других случаях развязка нужна для того, чтобы помехи сигналам не могли проходить и искажать необходимую связь.

Управление производственным оборудованием обычно сосредоточено в ПЛК — центральных блоках, которые поддерживают связь с несколькими блоками производственной площадки и управляют ими (полевыми блоками). В свою очередь, ПЛК обычно программируются и контролируются пользователями с компьютеров, которые связаны локальной сетью с помещениями управления производством и с сетью Интернет. Все эти производственные и офисные блоки требуют развязки в различных точках для защиты цепей питания и обеспечения целостности сигналов. Рисунок 1 иллюстрирует необходимость развязки в функциональных блоках ПЛК, а на рисунке 2 показана развязка в беспроводном датчике, работающем от аккумулятора. Такой датчик может работать от аккумулятора или получать питание от развязанного блока питания.

 ПЛК с развязкой

Рисунок 1. ПЛК с развязкой



 Датчик с развязкой

Рисунок 2. Датчик с развязкой

Потребность в улучшенных технологиях развязки

Как и для всех электронных компонентов, постоянные требования уменьшения размеров при тех же или более высоких эксплуатационных характеристиках порождают необходимость разработки развязывающих устройств. Эти требования особенно строгие в области промышленной автоматизации, где в процессы регулирования температуры, влажности, вибрации, химического состава и другие виды регулирования быстро внедряются миниатюрные датчики. ПЛК также требуют изменения размеров, чтобы вводить больше каналов связи, позволяя изготовителям уместить в том же пространстве больше функций производственного контроля. Кроме того, новые высокоскоростные технологии связи требуют снижения задержек прохождения сигналов для увеличения полосы пропускания, чтобы иметь в управлении большее количество систем. С точки зрения силовых цепей новые технологии транзисторов, такие как нитрид-галлиевые (GaN) и карбид-кремниевые (SiC) транзисторы, требуют более высоких характеристик напряжения и частот развязки, чтобы добиться более высокой энергоэффективности.

Традиционно развязывающие устройства представляли собой относительно громоздкие компоненты, которые характеризовались некоторой инертностью с точки зрения реакции на сигналы. Имея в основе технологию, которая затрудняет интеграцию, развязывающие устройства обычно представляли собой дискретные компоненты, требующие значительного места на платах вне кристаллов микросхем, в которых заключена большая часть электрических цепей систем. Одной из главных целей разработки новых технологий развязки на сегодня является поиск более эффективных способов уменьшения размеров развязывающих компонентов и их интеграции в кристаллы микросхем при одновременном расширении полосы частот сигналов и снижении задержек прохождения сигналов. Достичь этой цели особенно сложно, потому что очень трудно добиться миниатюризации развязывающих компонентов при улучшении их характеристик. Кроме того, их интеграция в ИС предполагает появление в корпусах микросхем тех помех по линиям питания и сигналов, которые должны были быть удалены оттуда развязывающими устройствами.

Другим требованием, предъявляемым промышленностью, является высокая надёжность. Развязывающие компоненты должны пройти тщательные испытания, чтобы выполнить различные требования, имеющиеся в промышленных стандартах. К ключевым параметрам относятся максимальные уровни повторяющихся пиковых напряжении, максимальные уровни напряжения при скачках и переходных процессах и уровни рабочего напряжения в течение продолжительного времени. Устойчивость к воздействию синфазных помех (CMTI) — мера того, насколько хорошо развязывающее устройство предотвращает быстрые изменения тока (di/dt или крутизна) из-за пульсаций на барьере, — также очень важна. Чтобы помочь разработчикам предотвратить возникновение условий, которые могут закоротить развязывающее устройство, также устанавливаются требования к расстояниям, разделяющим наружные контакты корпуса микросхемы по поверхности и по воздуху, и способность корпуса выдерживать пробой. В то время как многие параметры определяются путём измерения напрямую при испытаниях, ряд параметров получают путём измерения при ускоренных испытаниях с нагрузкой, при которых поведение развязывающего устройства экстраполируется на период работы в несколько лет. Защита системы важна непосредственно при краткосрочном воздействии экстремальных факторов и на протяжении всего её срока эксплуатации.

Развязка, которая обеспечивает достаточную защиту в ходе эксплуатации, называется базовой или функциональной развязкой. Промышленные стандарты требуют удвоить этот уровень развязки для обеспечения безопасности, и это требование разработчики часто выполняют путём использования двух развязывающих устройств, включённых последовательно. Производители ИС в настоящее время работают над тем, чтобы внедрить более эффективную, усиленную развязку, которая отвечает требованиям и экономит место, обеспечивая эквивалентную развязку, вдвое и более превышающую базовую развязку одиночного развязывающего устройства. Усиленная развязка требует усовершенствований конструкции и корпуса, а также внедрения диэлектрика с более высокими номинальными параметрами — изоляционного материала между двумя сторонами трансформатора, конденсатора или другого развязывающего устройства. К счастью для интеграции функций развязки, двуокись кремния (SiO2), которая используется в качестве изоляционных слоёв между компонентами внутри ИС, является превосходным диэлектриком и может прекрасно служить для развязки, реализуемой на кристалле.

Инновационная интеграция развязки на основе конденсаторов

Все развязывающие устройства должны иметь дело с ёмкостью, разностью потенциалов, устанавливающейся между двумя разделёнными проводящими поверхностями, когда на одну из них подано напряжение. Ёмкость является паразитным параметром в большинстве типов развязывающих устройств, однако конденсаторы, используемые в качестве развязывающих устройств, приносят пользу тем, что представляет собой проблему проектирования при других технологиях развязки. Технология интеграции конденсаторов (при использовании SiO2 в качестве диэлектрика) также хорошо разработана, хотя новые области применения, к которым относится развязка, всегда приносят новые проблемы проектирования и изготовления. Хотя развязывающие конденсаторы можно интегрировать в кристалл вместе с электрическими цепями, скорости работы по-прежнему требуют определённой степени физической развязки между высокочастотными и низкочастотными цепями, которой можно достичь только путём использования отдельных кристаллов. Рисунок 3 иллюстрирует, как конденсаторы используются для развязки сигналов в многокристальном модуле (MCM), а на рисунке 4 показано фото этого модуля. Высокочастотные цепи находятся на одном кристалле, а низкочастотные — на другом. Соединительные провода между двумя устройствами соединяют емкостные площадки, которые развязывают входные сигналы до их ретрансляции во внутренние цепи. Как видно на врезке, конденсатор образуется между пластинкой контактной площадки и пластиной нижнего уровня в ИС.

 Блок-схема многокристального модуля с развязывающими конденсаторами

Рисунок 3. Блок-схема многокристального модуля с развязывающими конденсаторами



 Фото многокристального модуля с развязывающими конденсаторами

Рисунок 4. Фото многокристального модуля с развязывающими конденсаторами

Появившиеся недавно решения для ИС с успехом используют эту технологию для обеспечения усиленной развязки на основе конденсаторов в многокристальном модуле. Например, многоканальные цифровые развязывающие устройства ISO78xx корпорации Texas Instruments обеспечивают защиту при пиковых напряжениях до 8000 В и скоростях передачи до 100 Мбит/с. Эти модули не только обеспечивают усиленную развязку, которая отвечает промышленным требованиям, но и реализуют её в экономящих место многокристальных модулях, которые можно использовать в ПЛК и различном производственном оборудовании.

Развязка электрических цепей объединяет производства

Развязка электрических цепей отвечает за защиту людей и оборудования и обеспечение целостности сигналов. Сегодня эта давно используемая технология вновь привлекает к себе внимание, поскольку автоматизация производства требует больше соединений, связи и управления, чтобы выйти на новые уровни точности и эффективности. Драйверами новых видов развязки в настоящее время являются интеллектуальные ПЛК и датчики, но выиграет от этого всё промышленное оборудование, а также автомобильная промышленность, телекоммуникационный сектор, сектор офисного оборудования и другие. Новые интегрированные решения с технологией усиленной развязки на основе конденсаторов уже доказывают свою ценность в этих системах и ожидаются дальнейшие инновации в будущем.

Корпорация Texas Instruments играет ведущую роль в исследованиях новых технологий развязки и использовании их результатов для разработки инновационных решений, чтобы продолжать развитие промышленного сектора. Технологические достижения TI являются важным фактором создания интеллектуального производственного оборудования, ускоряющим промышленную автоматизацию сегодня и в ближайшие годы.