Applications pour l'automatisation industrielle des isolateurs galvaniques

Niveaux d'isolation

Il existe quatre niveaux d'isolation : 
- Lorsque l'isolation sert au bon fonctionnement du système, mais pas nécessairement de barrière contre l'électrocution, il s'agit alors d'isolation fonctionnelle. 
- Lorsque l'isolation fournit une protection suffisante contre l'électrocution à la condition que la barrière isolante reste intacte, il s'agit d'isolation basique. Pour l'isolation numérique de base, nous proposons des appareils à canal simple et à double, triple ou quadruple canaux, présentant des taux d'isolation atteignant jusqu'à 3 kVrms. 
- La réglementation en matière de sécurité exige que l'isolation de base soit complétée par une barrière d'isolation secondaire pour la redondance, de sorte que cette dernière fournisse une protection contre l'électrocution, même si la première vient à défaillir. Il s'agit de la double isolation. 
- Afin de créer des systèmes compacts et économes, il est souhaitable de disposer d'un seul niveau d'isolation proposant la puissance électrique nécessaire, la fiabilité et une protection contre l'électrocution comparables à deux niveaux d'isolation de base. Il s'agit de l'isolation renforcée. Pour l'isolation renforcée, notre catalogue comprend des appareils doubles et quadruples atteignant des vitesses jusqu'à 100 Mo/s et des taux d'isolation jusqu'à 5,7 kVrms. Il s'agit du taux le plus élevé du marché.

La compréhension de ces définitions et de leur pertinence en application réelle vous permet de choisir le bon isolateur pour votre conception. Le niveau d'isolation et la méthodologie choisie pour le test sont présentés plus largement dans l'article « High-voltage reinforced isolation: Definitions and test methodologies » (« Isolation renforcée contre la haute tension : définitions et méthodologies de test ») de TI.

Quelques paramètres clés en matière d'isolation

Plusieurs paramètres décrivent la performance d'isolation contre la haute tension d'un isolateur. Voici les plus importants : 
- La tension maximum d'isolation transitoire (VIOTM) et la tension de tenu au choc de l'isolation (VISO) indiquent la capacité d'un isolateur à supporter une haute tension temporaire (pendant moins de 60 secondes).
- La tension maximum de pic répétitif (VIORM) et la tension de fonctionnement (VIOWM) indiquent la tension continue que l'isolateur peut supporter pendant sa durée de vie.
- La tension maximum d'isolation contre la surtension (VIOSM) indique la tension d'impulsion maximale (forme d'onde avec augmentation de 1,2-μs et temps de chute de 50-μs) que l'isolateur peut supporter.
- Cheminement et dimensionnement : distance à la surface du paquet et dans l'air qui sépare les broches situées d'un côté de l'isolateur de celles se trouvant de l'autre côté. Les normes de niveaux système imposent des valeurs minimales pour ces paramètres en fonction de la tension de fonctionnement, de la tension transitoire et de la tension de surtension.
- L'index de suivi comparatif (CTI) indique la capacité du composant moulé du paquet à supporter une tension élevée et constante sans dégradation de la surface. Un CTI élevé permet l'utilisation de paquets plus petits pour une même tension de fonctionnement.

La fiche technique d'isolation comprend de nombreuses autres spécifications, liées au minutage, à la consommation électrique, à l'immunité contre les transitoires, etc. 

Vue d'ensemble de l'isolation capacitive

La barrière isolante des isolateurs numériques TI se compose de condensateurs internes à haute tension en dioxyde de silicium (SiO2). Au cœur de l'isolateur se trouvent deux puces connectées par câbles de liaison : un transmetteur et un récepteur qui contient les condensateurs à haute tension.

Figure 1 : architecture On/Off à détrompage utilisé dans la famille d'isolateurs numériques renforcés ISO78xx de TI (source : TI)

La figure 1 présente un schéma fonctionnel et conceptuel d'un canal d'un isolateur capacitif numérique (DCI). La famille ISO78xx utilise une architecture avancée appelée OOK (On/Off à détrompage) pour transmettre le signal à travers la barrière d'isolation en dioxyde de silicium. Le flux numérique d'octets entrant est modulé à l'aide d'une horloge d'oscillateur de spectre étalé pour générer la création d'un signal OOK, de telle sorte que l'un des états d'entrée est représenté par la transmission d'une fréquence porteuse et l'autre par une absence de transmission. Les appareils ISO78xx intègrent des techniques avancées en matière de circuits pour maximiser la performance de l'immunité contre les transitoires du mode courant (CMTI) et minimiser les émissions émises par le porteur à haute fréquence et l'interrupteur tampon d'E/S. 

Figure 2 : exemple d'isolateur dans un paquet à 16 broches (sources : TI)

La figure 2 présente le schéma des broches d'un isolateur numérique typique. Il regroupe deux alimentations VCC1 et VCC2, deux terres, GND1 et GND2, ainsi que des broches d'entrée et de sortie de chaque côté et reliées à leurs terres respectives ; les broches 1 à 8 sont liées à GND1 et les broches 9 à 16 à GND2. Les broches de sortie présentes sur chaque côté sont activées si leur broche ENx respective est haute ou ouverte ; sinon, les sorties sont à l'état de haute impédance.

Nous avons créé un guide sur la conception pour vous aider à vous lancer à l'aide du catalogue de RI, riche en isolateurs numériques et en fonctionnalités isolées, en un minimum de temps. Notre catalogue comprend entre autres la famille ISO78xx d'isolateurs numériques renforcés de 5,7 kVrms, la famille ISO73xx d'isolateurs numériques de 3 kVrms et la famille ISO71xx d'isolateurs numériques de 2,5 kVrms.

Comparaison entre isolation capacitive et isolation optique

Étudions la manière dont la technologie d'isolation capacitive se démarque de l'autre rempart que constitue l'isolation optique, largement utilisée par le passé. 

Les isolateurs optiques (ou optocoupleurs) permettent l'isolation en convertissant des données numériques en pulsations de lumière à l'aide de la technologue DEL, puis transfèrent les informations par l'intermédiaire d'un canal optique fermé vers un phototransistor (ou diode photo). Ce dernier convertit à son tour les informations en courant. L'isolation est fournie par la séparation physique entre le transmetteur et le récepteur.

Comment associer isolation optique et isolation capacitive ? Comparons les deux technologies à l'œuvre dans des secteurs importants.

Comparaison entre isolations

Grâce à ses condensateurs SiO2 agissant comme isolant diélectrique interniveau, un isolateur capacitif TI présente deux avantages. Tout d'abord, il est composé de l'un des matériaux d'isolation les plus robustes et est le moins soumis au vieillissement. Par conséquent, l'espérance de vie des isolateurs capacitifs dépasse largement celle des technologies concurrentes. Ensuite, il est possible de traiter le SiO2 à l'aide de la fabrication de semiconducteurs standard, ce qui permet de contribuer de manière significative à la réduction des coûts de production. 

D'un autre côté, un optocoupleur acquiert son isolation au niveau de l'emballage. La DEL et le photocoupleur sont fixés sur un cadre conducteur fractionné séparé par un espace de 80 à 1 000 microns et un bouclier isolant transparent (ou de la silicone). L'isolation est permise par l'association d'un espace physique, de bande polyimide, d'un joint en silicone et d'un composant en plastique moulé. La construction hybride entraîne une variation et une complexité accrue de pièce à pièce, ce qui augmente les coûts et réduit la fiabilité.

Comparaison de la fiabilité

Les fabricants de semiconducteurs et leurs clients sont très à cheval sur la qualité et la fiabilité. Des procédures de conception, de qualification et de tests hautement perfectionnées (et coûteuses) sont utilisées pour garantir que les produits défectueux sont écartés avant de quitter l'usine et que ceux retenus fonctionneront avec la plus haute fiabilité possible une fois dans l'application. Un échec à ce stade entraîne un processus rigoureux d'analyse de défaut et de l'isolation, suivie par une action corrective pour garantir que le problème ne se reproduise plus.

Les ingénieurs qualité et fiabilité utilisent couramment l'indicateur FIT, qui comptabilise le nombre d'échecs rencontrés sur une période donnée. Dans le cas des semiconducteurs, il est généralement défini par le nombre d'échecs attendus pendant un milliard d'heures de fonctionnement d'un appareil. 

Les données empiriques indiquent un lien entre taux d'échec et augmentation de température ou de tension. Par exemple, les taux d'échecs sont trois fois plus faibles à 40 °C qu'à 55 °C et 80 fois moins élevés qu'à 125 °C ; à 40 °C, l'utilisation d'une tension 20 % inférieure améliore le taux d'échec selon un facteur de huit.

Les optocoupleurs connaissent un taux d'échecs considérablement plus élevé que les isolateurs capacitifs. Le tableau suivant présente la comparaison entre les valeurs FIT de deux appareils différents, un isolateur numérique de TI et un autre produit par une société de premier plan concevant des optocoupleurs :

Figure 3 : comparaison des données FIT à 55 °C entre un isolat capacitif et un optocoupleur à60 % de confiance

Quelques mots sur la compatibilité électromagnétique 

Avant d'aborder quelques applications réelles, présentons brièvement la compatibilité électromagnétique (EMC).

Certains mettent en exergue le fait que les experts en EMC l'apprécient particulièrement pour sa dimension quelque peu « magique » : il suffirait de déplacer un condensateur ou de modifier un élément de la carte pour que les problèmes disparaissent mystérieusement... ou empirent. Néanmoins, la compréhension des tests pertinents de conformité EMC est essentielle pour saisir le fonctionnement d'un isolateur numérique dans une application réelle. 

Ce sujet nécessiterait une vie entière, mais n'ayez aucune crainte : nous avons rédigé un livre blanc, « Understanding Electromagnetic Compliance Tests in Digital Isolators » (« Comprendre les tests de conformité électromagnétique des isolateurs numériques »), qui présente les bases de l'EMC, les normes qui s'appliquent, certains pièges à éviter et des configurations de tests courantes.

Applications pour l'automatisation industrielle des isolateurs galvaniques 

Les appareils d'isolation trouvent de nombreuses applications dans l'automatisation industrielle. Dans cette section, nous allons étudier trois domaines d'application de l'isolation : l'acquisition de données analogiques, les communications numériques à haute vitesse et l'alimentation électrique isolée.

Application d'isolation : l'acquisition de données analogiques

Les applications industrielles dans lesquelles des signaux analogiques de bas niveau doivent être détectés, amplifiés et numérisés en présence de tensions potentiellement dangereuses (par exemple, dans le cas de l'utilisation de capteurs ou de contrôle de moteurs à distance) sont nombreuses. Un convertisseur isolé ADC (analogique en numérique) est idéal en pareille situation. 

Il existe de nombreuses architectures ADC, dont l'approximation (SAR), le pipeline et l'intégration successifs. En cas d'utilisation à faible vitesse, l'architecture delta-sigma associe haute résolution, faible consommation électrique et faible coût. Cela rend cette architecture idéale pour de nombreuses applications industrielles nécessitant des capteurs.

Le modulateur de précision delta-sigma (ΔΣ) AMC1304 est isolé et intègre un régulateur LDO. La sortie est isolée de l'entrée par une barrière capacitive à double isolation. Cette barrière est certifiée, de sorte qu'elle fournit une isolation renforcée jusqu'à 7 000 VPEAK, conformément aux normes VDE V 0884-10, UL1577 et CSA. Utilisé conjointement à des alimentations électriques isolées, l'appareil évite que les courants parasites sur une ligne à tension élevée de nœud commun n'atteignent la terre du système local et n'endommagent ou n'interfèrent avec le circuit à basse tension. 

Figure 4 : schéma fonctionnel de l'AMC1304 (source : TI)

La partie avant du circuit de l'AMC1304 contient un amplificateur différentiel et un étage d'échantillonnage, suivi d'un modulateur ΔΣ alimenté par un condensateur commuté en deuxième commande. L'AMC1304 peut atteindre une résolution de 16 bits avec une plage dynamique de 81 dB (13,2 ENOB) à un taux de données de 78 kSPS. 

Application d'isolation : communication numérique à haute vitesse

En matière d'automatisation industrielle, les communications numériques à haute vitesse sont idéales. Une entreprise moderne connectée présente un grand nombre de machines, de robots industriels, de capteurs individuels, d'activateurs et de valves sous le contrôle de microcontrôleurs intégrés, de PC industriels et de contrôleurs logiques programmables (PLC). Ces appareils communiquent les uns avec les autres par l'intermédiaire d'un réseau de communication à haute vitesse, grâce à des câbles de plusieurs dizaines ou centaines de mètres de long. Les niveaux de terre à chaque extrémité d'un câble Ethernet de plusieurs centaines de mètres de long peuvent être très différents, en particulier si l'on prend en compte les tensions et les courants élevés consommés par de grandes machines industrielles, telles que les fonderies et les moteurs. Si un déséquilibre se présente entre ces courants, le courant renvoyé peut être très élevé, entraînant une tension différentielle élevée ; cela peut endommager les réseaux numériques à haute vitesse. 

Pour éviter pareille situation, il est possible d'utiliser un isolateur numérique à haute vitesse sur le réseau. TI propose un certain nombre d'isolateurs numériques à haute vitesse pour les applications de réseaux spécialisés comme pour l'utilisation d'E/S. 

Le transmetteur différentiel en ligne RS-45 ISO1176 fonctionne jusqu'à 40 Mo/s. Il est conçu pour une utilisation dans des applications PROFIBUS dans les applications d'automatisation industrielle, comme les capteurs et les moteurs mis en réseau, ainsi que pour le contrôle du mouvement. 

Le modèle ISO1050 est conçu pour une utilisation avec CAN, un autre protocole industriel populaire. L'appareil satisfait aux exigences de la spécification CAN ISO11898-2 et offre une isolation galvanique jusqu'à 5 000 VRMS.

En cas d'E/S numérique à haute vitesse, le modèle ISO7842 est un isolateur numérique à quatre canaux et à haute vitesse avec tension d'isolation de 8 000 VPEAK qui prend en charge un taux de signal jusqu'à 100 Mo/s. Il offre une immunité électromagnétique et des émissions faibles à des niveaux de consommation électrique bas, tout en isolant les E/S numérique CMOS ou LVCMOS avec une tension nominale VDE 0884-10 de 4 000 V en pic. 

Application d'isolation : alimentation électrique Flyback

Un appareil isolé nécessite que les alimentations électriques situées de chaque côté de la barrière d'isolation soient également isolées les unes des autres. Pour les applications à faible alimentation électrique et faible tension (1 ou 2 W), TI propose des convertisseurs CC/CC isolés, issus par exemple de la famille DCH, qui sont intégrés en un paquet unique ; ils s'adressent aux tensions et courants élevés, même si les convertisseurs CC/CC utilisent généralement un contrôleur intégré et des composants discrets, dont un transformateur pour l'isolation entre entrée et sortie. 

La conversion CA/CC est une autre application de conversion d'alimentation électrique pour laquelle l'isolation est une exigence et la sécurité est une problématique primordiale. Comme nous l'avons déjà indiqué, un transformateur fournit l'isolation entre des tensions potentiellement mortelles sur le côté principal et le reste du système. 

Figure 5 : interrupteur Flyback UCC2891x (source : TI)

En fonction de la topologie, le circuit de contrôle peut être soit sur le côté principal, soit sur le secondaire. La figure 5 montre une alimentation électrique à commutation Flyback utilisant le contrôleur UCC289x pour la régulation du côté principal. Les modèles UCC28910 et UCC28911 dont des appareils à haute tension avec un FET d'alimentation de 700 V qui fournit une tension de sortie et régule le courant sans utiliser d'optocoupleur. Une analyse complète du circuit se trouve ici, mais les schémas du circuit principal sont :

1. Résistance de fusible d'entrée : limite le courant de démarrage sur le condensateur d'entrée lorsque la tension de ligne est appliquée et déconnecte la ligne en cas de surtension d'entrée.
2. Diode de pont : corrige la tension de ligne de courant alternatif d'entrée.
3. Filtre de ligne (L1, L2, R1 et R2) : réduit l'EMI générée par la commutation.
4. Condensateur de masse (condensateurs C1 et C2) : stocke l'énergie et réduit l'ondulation de tension d'entrée.
5. Résistances de diviseur VS : détermine le point de régulation de la tension de sortie ; RS1 définit également le point de commutation continue. 
6. Circuit de limitation de tension de drain : protège le FET d'alimentation et atténue l'oscillation provoquée par l'inductance de fuite principale du transformateur.
7. Transformateur : fournit l'isolation ; le câblage auxiliaire fournit l'alimentation électrique au contrôleur.
8. Stade de sortie : taille COUT du condensateur de sortie déterminée par la réponse transitoire en absence de charge. Le RPRL de la résistance en précharge arrête le déclenchement OVP si aucune charge externe n'est connectée.

Dans un convertisseur push-pull, le principal transformateur reçoit du courant issu de la ligne d'entrée par l'intermédiaire de paires de pilotes dans un circuit push-pull symétrique. Les pilotes sont commutés alternativement sur ON et OFF, renversant périodiquement le courant dans le transformateur. Ainsi, le courant est tiré de la ligne à chaque moitié du cycle de commutation. Les convertisseurs push-pull présentent un courant d'entrée plus constant que les convertisseurs buck-boost, créent moins de parasites sur la ligne d'entrée et sont plus efficaces dans les applications nécessitant une alimentation électrique élevée.