El mundo actual está inmerso en la electrónica digital de alta velocidad y, a medida que aumentan las velocidades de comunicación en entornos altamente sensibles, se ha vuelto fundamental emplear tácticas de aislamiento para la seguridad y la confiabilidad.
Aunque se ve principalmente en los campos industrial, médico y aeroespacial, cada vez más aplicaciones requieren ahora capas adicionales de protección. La mayoría de las aplicaciones digitales aisladas incluyen la mitigación de la interferencia electromagnética mediante la eliminación de tierras compartidas, la protección contra niveles de tensión peligrosos y el mantenimiento de la transmisión de datos libre de transitorios, lo que, según la aplicación, podría causar corrupción de datos, pérdida de conexiones y funcionamiento potencialmente inseguro y en condiciones impredecibles.
No es ningún secreto que el aislamiento ayuda con estas cosas, y la nueva familia Digi-Max de aisladores digitales de cerámica off-chip de onsemi ofrece muchas ventajas sobre las metodologías de aislamiento tradicionales, como la velocidad, la inmunidad transitoria, la temperatura y el rendimiento general de por vida.
Experiencia en tecnologías de aislamiento óptico y digital
El aislamiento ha tomado muchas formas en los últimos 60 años, comenzando con el aislamiento analógico basado en óptica (que todavía se mantiene fuerte en la industria actual) y, más recientemente, el aislamiento digital que incorpora tecnologías como CMOS y transmisión de RF.
En general, el aislamiento digital supera al optoaislamiento debido a velocidades de conmutación más altas y componentes internos de mayor duración. Los optoaisladores LED son generalmente los culpables cuando se trata de fallas debido al estrés térmico a lo largo del tiempo, la susceptibilidad a las corrientes transitorias máximas, las limitaciones de corriente de los diodos y la vida útil general de los componentes. El aislamiento digital incorpora principalmente el acoplamiento magnético y capacitivo a través de una barrera interna para transferir información de la señal en lugar de componentes sensibles a la luz, aunque algunos aisladores digitales también incorporan algunos componentes ópticos. Además, los aisladores digitales contienen hasta seis canales en un solo paquete, lo que los hace ideales para buses de datos multicanal.
En términos generales, los aisladores digitales ocupan un espacio más pequeño y comúnmente se incorporan en otros circuitos integrados utilizados para comunicaciones sensibles o críticas, lo que también ahorra tamaño y costo. El aislamiento galvánico se considera la forma más segura de aislamiento, ya que proporciona la transferencia de información de un circuito a otro sin ninguna conexión eléctrica o vías de fuga.
Aunque los optoacopladores son una de las formas más comunes de aislamiento galvánico y, por lo tanto, más seguros que muchos tipos de aisladores digitales que involucran magnéticos, generalmente son los más lentos, más voluminosos y relativamente consumidores de energía, lo que los hace no ideales para un alto número de canales y aplicaciones de alta velocidad. Consulte la Figura 1 para ver una comparación visual de optoaislamiento versus aislamiento digital.
La mayoría de los aisladores digitales cuentan con tecnología capacitiva en chip, que contiene barreras de aislamiento delgadas y materiales que son susceptibles a daños por sobrecarga eléctrica y descarga electrostática. Normalmente, cuando un aislador digital se daña, puede perder su capacidad de aislar entre dos planos de potencia. La familia de aisladores digitales Digi-Max de onsemi no solo está aislada galvánicamente y proporciona niveles de seguridad de optoaislamiento tradicionalmente más seguros, sino que también opera a las altas velocidades necesarias para las aplicaciones de comunicación actuales. Además, si los aisladores Digi-Max se dañan, aún mantienen intrínsecamente una barrera de aislamiento segura, lo que resulta en modos de falla y condiciones de operación más seguros. Los aisladores Digi-Max utilizan una tecnología de aislamiento de capacitadores galvánicos off-chip patentada junto con un diseño IC optimizado que le permite lograr un alto aislamiento e inmunidad al ruido.
La ventaja de Digi-Max
La familia NCID9XXX de dispositivos Digi-Max incorpora un substrato cerámico que permite espesores de barrera de aislamiento de más de 0,5 mm y está clasificado para distancias de fuga y holgura externas de 8 mm, alcanzando niveles de seguridad y confiabilidad que se ven con tecnologías de optoaislamiento. Con aire que tiene una tensión de ruptura de 3.000 V/mm, el grosor de aislamiento de 0,5 mm del Digi-Max garantiza una tensión de trabajo de 1,500 V por diseño, incluso si no hay material dieléctrico presente entre los puntos de contacto. Con una tensión de aislamiento máxima de 2000 Vpico, Digi-Max proporciona un nivel de protección más duradero en comparación con algunas otras barreras de aislamiento digitales y la degradación LED de los optoacopladores. Y más allá del alto nivel de seguridad y confiabilidad, la familia NCID9xxx de dispositivos bidireccionales multicanal contiene otras características útiles como:
• Habilitación de salida y detección de sobretemperatura
• Rangos de temperatura extendidos (-40 ˚C a 125 ˚C)
• Técnica de codificación on-off utilizada para la modulación de la señal
• Calificación AEC-Q100 (pendiente)
• Aprobación reglamentaria para UL1577 (5000 Vrms durante 1 minuto)
• Rendimiento constante a lo largo de la temperatura, a lo largo del tiempo y entre dispositivos
• Inmunidad transitoria de modo común (CMTI) de más de 100 kV/µs
• Transmisión de datos de alta velocidad hasta 50 Mbits/s
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de la versión de un solo canal del diseño interno de estos aisladores Digi-Max.
Veamos rápidamente la clasificación CMTI: CMTI se define como la tasa máxima de cambio entre los potenciales de tensión de modo común que la barrera de aislamiento puede soportar, o básicamente qué tan bien el aislamiento puede rechazar transitorios rápidos y potentes. Aunque la tecnología capacitiva bloquea la corriente continua, la eliminación de modo común puede ser problemático en el aislamiento capacitivo, ya que el ruido de modo común y la señal transmitida comparten la misma ruta. Las técnicas de diseño patentadas, incluidas las técnicas habilitadas por la tecnología del paquete off-chip, permiten una inmunidad superior al ruido para lograr un rendimiento CMTI típico de 200 kV/us.
Si bien la familia de dispositivos Digi-Max generalmente tiene un costo superior, la confiabilidad y seguridad obtenidas del aislamiento capacitivo off-chip pueden valer la pena. La Figura 3 muestra una vista de cerca de cómo la capacitancia off-chip de Digi-Max difiere de la capacitancia on-chip.
Aplicaciones típicas para aislamiento
Las aplicaciones que requieren aislamiento para periféricos integrados o externos incluyen control de modulación de ancho de pulso, comunicaciones de bus de campo industrial, interfaces seriales con sistemas de microprocesador como SPI, adquisición de datos y traducción de nivel de tensión. Una de las configuraciones de sistema más comunes que utiliza aislamiento entre un dispositivo maestro y esclavo de bus SPI donde el dispositivo esclavo tiene su propio circuito local y está ubicado fuera de la placa como un dispositivo periférico.
La Figura 4 muestra un diseño típico en el que una tarjeta secundaria se conecta a través de una interfaz de bus SPI. Las dos placas utilizan diferentes suministros de energía donde es importante aislar las señales SPI y cualquier ruido de tierra generado por la placa secundaria.
Otro ejemplo que requiere aislamiento puede ser el de los periféricos externos que contienen señales digitales sensibles que se utilizan para una activación rápida. La Figura 5 muestra una aplicación de imágenes en la que una matriz de puertas programable en campo tiene muchas señales de disparo rápido conectadas a componentes externos como láseres y cámaras (iluminación de encendido/apagado para un láser o exposición de encendido/apagado para una cámara). Estos dispositivos tienen sus propias fuentes de energía que deben permanecer separadas del núcleo de procesamiento para evitar ruidos o transitorios, por lo que la señal de activación debe aislarse en cada extremo.
Conclusión
Si bien existen muchas otras aplicaciones para el aislamiento, cada metodología tiene sus ventajas e inconvenientes. Si bien el optoaislamiento es generalmente más barato, es relativamente lento y plantea desafíos con la degradación del rendimiento con la temperatura y el tiempo. El aislamiento capacitivo on-chip proporciona mayor velocidad y rendimiento a un costo razonable, pero no puede brindar la seguridad y confiabilidad del aislamiento off-chip de Digi-Max.
El aislamiento no es solo una póliza de seguro sino, en muchos casos, una última línea de defensa para la seguridad, los circuitos y los datos sensibles. La familia de dispositivos Digi-Max de onsemi ha demostrado que este mayor nivel de confiabilidad y seguridad se puede lograr sin sacrificar la velocidad o el rendimiento. La alta confiabilidad de Digi-Max de onsemi ofrece un nuevo camino para que los diseñadores que utilizan optoacopladores tradicionales migren a la tecnología de aislamiento digital sin comprometer el aislamiento de seguridad.
(Nota: la comparación CMTI se realizó con dispositivos SiLabs Si860x y TI ISO72x)