Il mondo di oggi è immerso nell'elettronica digitale ad alta velocità e, con l'aumento delle velocità di comunicazione in ambienti altamente sensibili, è diventato fondamentale utilizzare tattiche di isolamento per la sicurezza e l'affidabilità.
Anche se questo aspetto riguarda principalmente i settori industriale, medico e aerospaziale, ora sempre più applicazioni richiedono maggiori livelli di protezione. La maggior parte delle applicazioni digitali isolate include la mitigazione delle interferenze elettromagnetiche attraverso la rimozione delle messe a terra condivise, la protezione contro i livelli di tensione pericolosi e il mantenimento della trasmissione dei dati senza transienti, che, a seconda dell'applicazione, potrebbero causare il danneggiamento dei dati, la perdita di connessioni e condizioni operative potenzialmente insicure e imprevedibili.
Non è un segreto che l'isolamento sia di aiuto in questi casi e la nuova famiglia di isolanti digitali in ceramica off-chip Digi-Max di onsemi offre molti vantaggi rispetto alle metodologie di isolamento tradizionali, ad esempio velocità, immunità ai transienti, temperatura e prestazioni complessive per tutta la durata di impiego.
Uno sguardo alle tecnologie di isolamento ottico e digitale
L'isolamento ha assunto molte forme nel corso degli ultimi 60 anni, a partire dall'isolamento analogico, basato sull'ottica (che è ancora forte nell'industria odierna), e, più recentemente, l'isolamento digitale che include tecnologie come il CMOS e la trasmissione RF.
In generale, l'isolamento digitale supera l'optoisolamento grazie a velocità di commutazione più elevate e a componenti interni più duraturi. I guasti dovuti a stress termico nel tempo, suscettibilità a picchi di corrente transitoria, limitazioni di corrente dei diodi e durata complessiva dei componenti sono generalmente causati dai LED optoisolatori. L'isolamento digitale incorpora principalmente l'accoppiamento magnetico e capacitivo attraverso una barriera interna per trasferire le informazioni del segnale piuttosto che componenti sensibili alla luce, anche se alcuni isolanti digitali includono anche alcuni componenti ottici. Inoltre, gli isolanti digitali contengono fino a sei canali in un unico pacchetto, il che li rende ideali per i bus dati multicanale.
In generale, gli isolanti digitali occupano un ingombro minore e sono comunemente inclusi in altri circuiti integrati utilizzati per comunicazioni sensibili o critiche, risparmiando anche in termini di dimensioni e costi. L'isolamento galvanico è considerato la forma più sicura di isolamento, in quanto fornisce il trasferimento di informazioni da un circuito all'altro senza alcun collegamento elettrico o percorso di dispersione.
Anche se gli optoaccoppiatori sono una delle forme più comuni di isolamento galvanico e, quindi, più sicuri di molti tipi di isolanti digitali che coinvolgono i magneti, sono tipicamente i più lenti, ingombranti e richiedono molta potenza, il che li rende non ideali per applicazioni ad alto numero di canali e ad alta velocità. Per un confronto visivo tra l'optoisolamento e l'isolamento digitale, vedere la figura 1.
La maggior parte degli isolanti digitali è dotata di tecnologia capacitiva on-chip che contiene sottili barriere isolanti e materiali che possono danneggiarsi a causa di sovrastress elettrico e scariche elettrostatiche. In genere, quando un isolante digitale si danneggia, può perdere la sua capacità di garantire un isolamento tra due piani di potenza. La famiglia di isolanti digitali Digi-Max di onsemi non solo è isolata galvanicamente e fornisce livelli di sicurezza di optoisolamento tradizionalmente più sicuri, ma opera anche alle alte velocità necessarie per le odierne applicazioni di comunicazione. Inoltre, se gli isolanti Digi-Max vengono danneggiati, mantengono ancora intrinsecamente una barriera di isolamento sicura, con conseguenti modalità di guasto e condizioni operative più sicure. Gli isolanti Digi-Max utilizzano una tecnologia brevettata per l'isolamento dei condensatori galvanici off-chip accoppiata a un design di circuito integrato ottimizzato che permette di ottenere un isolamento elevato e un'immunità ai disturbi.
Il vantaggio di Digi-Max
La famiglia di dispositivi Digi-Max NCID9XXX incorpora un substrato ceramico che consente di ottenere spessori della barriera di isolamento superiori a 0,5 mm ed è classificata per distanze di dissipazione e dispersione esterne di 8 mm, raggiungendo livelli di affidabilità di sicurezza garantiti dalle tecnologie di optoisolamento. Con una tensione di guasto nell'aria di 3.000 V/mm, lo spessore di isolamento di 0,5 mm di Digi-Max garantisce una tensione di lavoro di 1.500 V come da progetto, anche in assenza di materiale dielettrico tra i punti di contatto. Con una tensione d'isolamento d'esercizio massima di 2.000 Vpicco, Digi-Max fornisce un livello di protezione più duraturo rispetto ad alcune altre barriere di isolamento digitali e al degrado dei LED degli optoaccoppiatori. Oltre all'elevato livello di sicurezza e affidabilità, la famiglia NCID9xxx di dispositivi multicanale e bidirezionali include altre utili funzionalità, ad esempio:
• Autorizzazione all'uscita e rilevamento della sovratemperatura
• Intervalli di temperatura ampi (da -40˚C a 125˚C)
• Tecnica con tasti On/Off utilizzata per la modulazione del segnale
• Qualifica AEC-Q100 (in attesa)
• Approvazione regolamentare per UL1577 (5.000 Vrms per 1 minuto)
• Prestazioni costanti in termini di temperatura, nel tempo e tra i vari dispositivi
• Immunità ai transienti in modalità comune (CMTI) superiore a 100 kV/µs
• Trasmissione dati ad alta velocità fino a 50 Mbit/s
La figura 2 mostra un diagramma a blocchi in versione monocanale del layout interno di questi isolanti Digi-Max
Diamo rapidamente un'occhiata al rating CMTI: con CMTI si intende la massima velocità di variazione tra i potenziali di tensione in modalità comune che la barriera di isolamento può sopportare o, fondamentalmente, il livello massimo a cui l'isolamento può respingere in modo ottimale i transienti veloci e potenti. Anche se la tecnologia capacitiva blocca la corrente continua, il rifiuto in modalità comune può essere problematico nell'isolamento capacitivo, poiché il disturbo in modalità comune e il segnale trasmesso condividono lo stesso percorso. Tecniche di progettazione brevettate, comprese le tecniche abilitate dalla tecnologia del pacchetto off-chip, consentono una superiore immunità al disturbo per raggiungere le prestazioni CMTI tipiche di 200 kV/us.
Poiché la famiglia di dispositivi Digi-Max ha generalmente un costo elevato, l'affidabilità e la sicurezza ottenute con l'isolamento capacitivo off-chip possono essere una valida alternativa. La figura 3 mostra una vista ravvicinata di come la capacità off-chip di Digi-Max differisce dalla capacità on-chip.
Applicazioni tipiche per l'isolamento
Le applicazioni che richiedono l'isolamento per le periferiche integrate ed esterne comprendono il controllo della modulazione dell'ampiezza dell'impulso, le comunicazioni industriali con bus di campo, le interfacce di serie con sistemi a microprocessore come SPI, l'acquisizione dati e la traduzione a livello di tensione. Una delle configurazioni di sistema più comuni è l'isolamento tra un bus master SPI e un dispositivo slave in cui quest'ultimo dispone di circuiti locali propri e si trova all'esterno in qualità di dispositivo periferico.
La figura 4 mostra una tipica struttura in cui una scheda secondaria viene collegata attraverso un'interfaccia bus SPI. Le due schede utilizzano alimentatori diversi in cui è importante isolare i segnali SPI ed eventuali problemi della messa a terra generati dalla scheda secondaria.
Un altro esempio che richiede l'isolamento può essere quello delle periferiche off-board che contengono segnali digitali sensibili utilizzati per il fast trigger. La figura 5 mostra un'applicazione di imaging in cui un array di gate programmabile sul campo ha molti segnali di fast trigger collegati a componenti esterni come laser e telecamere (attivazione/disattivazione dell'illuminazione di un laser o attivazione/disattivazione dell'esposizione di una telecamera). Questi dispositivi hanno le proprie fonti di alimentazione che devono rimanere separate dal core di elaborazione per evitare disturbi o transienti e, di conseguenza, il segnale di trigger deve essere isolato su ogni estremità.
Conclusione
Nonostante ci siano molte altre applicazioni per l'isolamento, ogni metodologia ha i suoi vantaggi e svantaggi. Anche se l'optoisolamento è generalmente il più economico, è relativamente lento e pone sfide in termini di riduzione delle prestazioni, sovratemperatura e tempo. L'isolamento capacitivo on-chip fornisce velocità e prestazioni maggiori a un costo ragionevole, ma non può garantire la sicurezza e l'affidabilità dell'isolamento off-chip di Digi-Max.
Oltre a essere una polizza assicurativa, l'isolamento è, in molti casi, un'ultima linea di difesa per la sicurezza, i circuiti sensibili e i dati. La famiglia di dispositivi Digi-Max di onsemi ha dimostrato che questo più alto livello di affidabilità e sicurezza può essere raggiunto senza sacrificare la velocità o le prestazioni. L'elevata affidabilità di Digi-Max di onsemi offre un nuovo percorso per i progettisti che utilizzano optoaccoppiatori tradizionali per migrare verso la tecnologia di isolamento digitale senza compromettere l'isolamento di sicurezza.
(Nota: il confronto CMTI è stato fatto con i dispositivi SiLabs Si860x e TI ISO72x)