Le monde d’aujourd’hui est immergé dans l’électronique numérique haute vitesse et, à mesure que les vitesses de communication augmentent dans des environnements très sensibles, il est devenu essentiel d’employer des stratégies d’isolation pour assurer la sécurité et la fiabilité.
Bien que cette tendance soit principalement observée dans les domaines industriel, médical et aérospatial, de plus en plus d'applications nécessitent désormais des couches de protection supplémentaires. La plupart des applications numériques isolées incluent la minimisation des interférences électromagnétiques par la suppression des terres partagées, la protection contre les niveaux de tension dangereux et le maintien de la transmission de données sans transitoire, ce qui, selon l'application, pourrait entraîner la corruption des données, la perte de connexions et des conditions de fonctionnement potentiellement dangereuses et imprévisibles.
Ce n’est un secret pour personne que l’isolation contribue à de telles situations, et la nouvelle famille Digi-Max d’isolateurs numériques en céramique hors puce d’onsemi offre de nombreux avantages par rapport aux méthodes d’isolation traditionnelles, telles que la vitesse, l’immunité aux transitoires, la température et la durée de vie globale.
Aperçu des technologies d'isolation optique et numérique
L'isolation a pris de nombreuses formes au cours des 60 dernières années, à commencer par l'isolation analogique basée sur l'optique (encore très utilisée dans l'industrie d'aujourd'hui) et, plus récemment, l'isolation numérique intégrant des technologies telles que la transmission CMOS et RF.
En général, l'isolation numérique surpasse l'opto-isolation en raison des taux de commutation plus élevés et des composants internes plus durables. Les LED à opto-isolateur sont généralement responsables des pannes dues aux contraintes thermiques au fil du temps, à la sensibilité aux courants transitoires de pointe, aux limitations de courant de diode et à la durée de vie globale des composants. L'isolation numérique intègre principalement un couplage magnétique et capacitif à travers une barrière interne pour transférer des informations de signal plutôt que des composants sensibles à la lumière, bien que certains isolateurs numériques intègrent également certains composants optiques. De plus, les isolateurs numériques contiennent jusqu'à six canaux dans un seul boîtier, ce qui les rend idéaux pour les bus de données multicanaux.
De manière générale, les isolateurs numériques occupent une plus petite empreinte et sont généralement intégrés à d'autres circuits intégrés utilisés pour les communications sensibles ou critiques, ce qui permet également de réduire la taille et le coût. L'isolation galvanique est considérée comme la forme d'isolation la plus sûre, car elle permet le transfert d'informations d'un circuit à un autre sans connexion électrique ni chemin de fuite.
Bien que les optoisolateurs soient l'une des formes d'isolation galvanique les plus courantes et donc plus sûres que de nombreux types d'isolateurs numériques impliquant des magnétiques, ils sont généralement les plus lents, les plus encombrants et sont relativement énergivores, ce qui n'en fait pas un choix idéal pour un grand nombre de canaux et d'applications à grande vitesse. Reportez-vous à la figure 1 pour consulter une comparaison visuelle de l'opto-isolation par rapport à l'isolation numérique.
La plupart des isolateurs numériques sont dotés d'une technologie capacitive sur puce, qui contient des barrières isolantes minces et des matériaux susceptibles d'être endommagés par une surcharge électrique et une décharge électrostatique. En règle générale, lorsqu'un isolant numérique est endommagé, il peut perdre sa capacité à isoler entre deux plans d'alimentation. Les isolateurs numériques Digi-Max d'onsemi sont non seulement isolés galvaniquement et fournissent des niveaux de sécurité d'isolation opto-isolant traditionnellement plus sûrs, mais ils fonctionnent également aux vitesses élevées nécessaires pour les applications de communication d'aujourd'hui. De plus, si les isolateurs Digi-Max sont endommagés, ils maintiennent toujours intrinsèquement une barrière d'isolation sûre, ce qui se traduit par des modes de défaillance et des conditions de fonctionnement plus sûrs. Les isolateurs Digi-Max utilisent une technologie brevetée d'isolation de condensateur galvanique hors puce associée à une conception de circuit intégré optimisée qui permet d'obtenir une isolation et une immunité au bruit élevées.
L'avantage de Digi-Max
La famille NCID9XXX d'appareils Digi-Max incorpore un substrat en céramique qui permet des épaisseurs de barrière d'isolation de plus de 0,5 mm et est évalué pour des lignes de fuite externes et des distances de dégagement de 8 mm, atteignant des niveaux de fiabilité de sécurité qui sont observés avec les technologies opto-isolantes. Avec de l'air d'une tension de claquage de 3 000 V/mm, l'épaisseur d'isolation de 0,5 mm du Digi-Max garantit une tension de fonctionnement de 1 500 V par conception, même si aucun matériau diélectrique n'était présent entre les points de contact. Avec une tension d'isolation de fonctionnement maximale de 2 000 V, Digi-Max offre un niveau de protection plus durable par rapport à d'autres barrières d'isolation numériques et à la dégradation des LED des optoisolateurs. Et au-delà du haut niveau de sécurité et de fiabilité, la famille NCID9xxx de dispositifs bidirectionnels multicanaux contient d'autres fonctionnalités utiles, telles que :
• Activation de sortie et détection de surchauffe
• Plages de température étendues (-40˚C à 125˚C)
• Technique de modulation on-off utilisée pour la modulation du signal
• Qualification AEC-Q100 (en cours)
• Approbation réglementaire pour UL1577 (5000 Vrms pendant 1 minute)
• Performances constantes à travers la température, le temps et entre les appareils
• Immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) supérieure à 100 kV/µs
• Transmission de données à haut débit jusqu'à 50 Mbits/s
La figure 2 montre un schéma synoptique de la version monocanal de la disposition interne de ces isolateurs Digi-Max.
Examinons rapidement la classification CMTI : CMTI se définit comme le taux maximal de variation entre les potentiels de tension de mode commun que la barrière d'isolation peut supporter, ou fondamentalement dans quelle mesure l'isolation peut rejeter des transitoires rapides et puissants. Bien que la technologie capacitive bloque le courant continu, le rejet en mode commun peut être problématique en isolation capacitive, car le bruit de mode commun et le signal transmis partagent le même chemin. Des techniques de conception brevetées, y compris des techniques activées par la technologie de boîtier hors puce, permettent une immunité au bruit supérieure pour atteindre des performances CMTI typiques de 200 kV/us.
Les modèles de la famille d'appareils Digi-Max présentent généralement un coût élevé, toutefois la fiabilité et la sécurité acquises grâce à l'isolation capacitive hors puce peuvent en valoir la peine. La figure 3 illustre une vue rapprochée de la différence entre la capacité hors puce de Digi-Max et la capacité sur puce.
Applications typiques pour l'isolation
Les applications nécessitant une isolation pour les appareils embarqués ou non incluent la commande de modulation de largeur d'impulsion, les communications de bus de terrain industrielles, les interfaces série avec des systèmes à microprocesseurs tels que SPI, l'acquisition de données et la traduction du niveau de tension. L'une des configurations de système les plus courantes utilisant l'isolation entre un bus maître SPI et un dispositif esclave où le dispositif esclave possède son propre circuit local et est situé à l'extérieur en tant que dispositif périphérique.
La figure 4 montre une conception typique où une carte fille est connectée via une interface de bus SPI. Les deux cartes utilisent des alimentations électriques différentes où il est important d'isoler les signaux SPI et tout bruit de terre généré par la carte fille.
Un autre exemple nécessitant une isolation peut être celui des périphériques externes qui contiennent des signaux numériques sensibles utilisés pour un déclenchement rapide. La figure 5 illustre une application d'imagerie dans laquelle un réseau de portes programmables sur le terrain a de nombreux signaux à déclenchement rapide câblés à des composants externes, tels que des lasers et des caméras (éclairage marche/arrêt pour un laser ou exposition marche/arrêt pour une caméra). Ces appareils ont leurs propres sources d'alimentation qui doivent rester séparées du cœur de traitement pour éviter le bruit ou les transitoires, et le signal de déclenchement doit donc être isolé à chaque extrémité.
Conclusion
Bien qu'il existe de nombreuses autres applications pour l'isolation, chaque méthodologie a ses avantages et ses inconvénients. L'opto-isolation est généralement la solution la moins chère, mais elle est relativement lente et pose des problèmes de dégradation des performances en fonction de la température et du temps. L'isolation capacitive sur puce offre une vitesse et des performances plus élevées à un coût raisonnable, mais ne peut pas offrir la sécurité et la fiabilité de l'isolation hors puce de Digi-Max.
L'isolation ne constitue pas seulement une assurance mais, dans de nombreux cas, une dernière ligne de défense pour la sécurité, les circuits et les données sensibles. La famille d'appareils Digi-Max d'onsemi a montré que ce niveau supérieur de fiabilité et de sécurité peut être atteint sans sacrifier la vitesse ou les performances. La grande fiabilité du Digi-Max d'onsemi offre une nouvelle voie aux concepteurs utilisant des optoisolateurs traditionnels pour migrer vers la technologie d'isolation numérique sans compromettre l'isolation de sécurité.
(Remarque : la comparaison CMTI a été effectuée avec les appareils SiLabs Si860x et TI ISO72x)