産業オートメーションアプリケーション向けガルバニック絶縁ソリューション

孤立のレベル

分離には4つの異なるレベルがあります。 
- 絶縁がシステムを適切に機能させるために使用され、必ずしも衝撃に対する障壁として機能するわけではない場合、それは 機能的分離。 
- 絶縁バリアが損傷していない限り、絶縁によって感電に対する十分な保護が提供される場合、それは 基本的な隔離。基本的なデジタル絶縁では、最大3kVrmsの絶縁定格を備えたシングル、デュアル、トリプル、クアッド チャネルのデバイスを提供しています。 
- 安全規制では、冗長性のために基本絶縁に二次絶縁バリアを追加して、最初のバリアが故障した場合でも追加のバリアが衝撃保護を提供するようにすることが義務付けられています。これは 二重隔離。 
- システムをコンパクトにしてコストを節約するには、2レベルの基本絶縁に必要な電気強度、信頼性、および衝撃保護を備えた1レベルの絶縁のみを備えることが望ましいです。これは 強化隔離。強化絶縁に関しては、当社のポートフォリオには、最大速度100Mbps、業界最高の最大5.7kVrmsの絶縁定格を備えたデュアルおよびクアッド デバイスが含まれています。

これらの定義と実際のアプリケーションとの関連性を理解することで、設計に適したアイソレータを選択できます。絶縁レベルとそのテスト方法については、TIの「高電圧強化絶縁: 定義とテスト方法」の記事で詳しく説明されています。

いくつかの重要な分離パラメータ

アイソレータの高電圧絶縁性能は、いくつかの重要なパラメータによって表されます。最も重要なのは、 
- 最大過渡絶縁電圧 (VIOTM) と絶縁耐電圧 (VISO) です。これらは、アイソレータが一時的な (60秒未満) 高電圧に耐える能力を示します。
- 最大繰り返しピーク電圧 (VIORM) と動作電圧 (VIOWM) は、アイソレータがその寿命を通じて耐えることができる連続電圧を示します。
- 最大サージ絶縁電圧 (VIOSM)は、アイソレータが耐えられる最大インパルス電圧（立ち上がり時間1.2μs、減衰時間50μsの波形）を示します。
- 沿面距離とクリアランス: アイソレータの片側のピンから反対側のピンまでの、パッケージの表面に沿った距離と空気中の距離。システム レベルの標準では、動作電圧、ピーク過渡電圧、サージ電圧に基づいてこれらのパラメータの最小値が義務付けられています。
- 比較トラッキング指数 (CTI) は、パッケージのモールドコンパウンドが表面劣化なしに安定した高電圧を処理する能力を示します。CTIが高くなると、同じ動作電圧でより小さなパッケージを使用できるようになります。

絶縁データシートには、タイミング、消費電力、過渡現象に対する耐性などに関連する他の多くの仕様が記載されています。 

静電容量絶縁の概要

TIのデジタル アイソレータは、内部の高電圧二酸化シリコン (SiO2) コンデンサを使用して絶縁バリアを形成します。内部的には、アイソレータはボンドワイヤで接続された2つのチップ (送信機と、高電圧コンデンサを含む受信機チップ) で構成されています。

図1: TIの ISO78xx 強化デジタル アイソレータ ファミリで使用されるオンオフ キーイング アーキテクチャ (出典: TI)

図1は、デジタル キャパシティブ アイソレータ (DCI) の1つのチャネルの概念ブロック図を示しています。ISO78xx ファミリは、オンオフキーイング (OOK) と呼ばれる高度なアーキテクチャを使用して、二酸化シリコンベースの絶縁バリアを越えて信号を送信します。入力デジタル ビット ストリームは、内部の拡散スペクトル発振器クロックで変調され、入力状態の1つが搬送周波数の送信で表され、他の状態が送信なしで表されるようにOOK信号を生成します。ISO78xx デバイスには、コモンモード過渡耐性 (CMTI) のパフォーマンスを最大化し、高周波キャリアとI/Oバッファのスイッチングによる放射を最小限に抑えるための高度な回路技術が組み込まれています。 

図2: 16ピン パッケージのアイソレータの例 (出典: TI)

一般的なデジタル アイソレータのピン ダイアグラムを図2に示します。これは、2つの電源VCC1とVCC2、2つのグランドGND1とGND2、およびそれぞれのグランドを基準とする両側の入力ピンと出力ピンで構成されています。ピン1から8はGND1を基準とし、ピン9から16はGND2を基準としています。それぞれのENxピンがハイまたはオープンの場合、両側の出力ピンは有効になります。それ以外の場合、出力は高インピーダンス状態になります。

TIの幅広いデジタル アイソレータおよび絶縁機能のポートフォリオを使用して、できるだけ短時間で設計を開始できるようにするための設計ガイドを作成しました。当社のポートフォリオには、 ISO78xx 5.7 kVrms強化デジタル アイソレータ ファミリ、 ISO73xx 3 kVrmsデジタル アイソレータ ファミリ、 ISO71xx 2.5 kVrmsデジタル アイソレータ ファミリなどが含まれます。 

静電容量式絶縁と光学式絶縁

容量性絶縁技術が、これまで広く使用されてきたもう1つの問題点である光絶縁とどのように比較されるかを見てみましょう。 

光アイソレータ、またはオプトカプラは、LEDを使用してデジタル データを光パルスに変換し、閉じた光チャネルを介して情報をフォトトランジスタまたはフォトダイオードに転送し、そこで電流に変換することで絶縁を実現します。分離は送信機と受信機を物理的に分離することによって実現されます。

光学的絶縁と静電容量的絶縁はどのように比較されるのでしょうか?いくつかの重要な領域で両者を比較してみましょう。

分離の比較

TI容量性アイソレータは、レベル間誘電体としてSiO2コンデンサを使用しており、2つの利点があります。まず、これは最も堅牢な絶縁材料の1つであり、経年劣化の影響が最も少ないため、競合技術よりもはるかに長い耐用年数で容量性アイソレータの寿命を延ばします。第二に、SiO2は標準的な半導体製造法を使用して処理できるため、生産コストを大幅に削減できます。 

一方、オプトカプラはパッケージング レベルで分離されます。LEDとフォトカプラは、80 ～ 1000ミクロンの物理的ギャップで分離された分割リード フレームと、物理的ギャップ、ポリイミド テープ、シリコン フィラー、プラスチック成形化合物の組み合わせによって絶縁される透明絶縁シールドまたはシリコンに取り付けられます。このハイブリッド構造により、部品間のばらつきと複雑さが増し、コストが増加し、信頼性が低下します。

信頼性の比較

半導体メーカーとその顧客は、品質と信頼性に非常にこだわります。非常に高度な（そして高価な）設計、認定、テスト手順を採用して、工場を出荷する前に不良品を確実に排除し、製品がアプリケーションで動作した後は信頼性が最高になるようにします。現場で障害が発生すると、厳格な障害分析と分離のプロセスが開始され、その後、同じ障害が二度と発生しないようにするための是正措置が講じられます。

一定期間内に発生する故障の数である故障時間 (FIT) は、品質および信頼性エンジニアが使用する一般的な指標です。半導体の場合、通常、10億（109）デバイス時間の動作中に予想される故障の数として定義されます。 

経験的データは、故障率と温度または電圧の上昇との間に相関関係があることを示しています。例えば、40歳での失敗率は°Cは55歳の3倍低い°Cと125の80倍優れている°C; 40歳°Cでは20% 低い電圧を使用すると故障率が8倍改善されます。

オプトカプラは、容量性アイソレータよりも故障率がかなり高くなります。2つの異なるデバイス (1つはTIのデジタル アイソレータ、もう1つは有名なオプトカプラ会社のもの) のFIT値を比較すると、次の表が得られます。

図3: 55のFITデータの比較°容量性アイソレータとオプトカプラのCを60%の信頼度で比較

電磁両立性について 

実際のアプリケーションについて説明する前に、電磁両立性 (EMC) について簡単に説明しましょう。

EMCの専門家は、EMCを一種の黒魔術として評価しているとも言えるでしょう。コンデンサをこちらに移動し、レイアウトをあちらに微調整すると、不思議なことに問題が消える... あるいは悪化するのです。それでも、デジタル アイソレータが実際のアプリケーションでどのように動作するかを理解するには、関連するEMCコンプライアンス テストを理解することが重要です。 

人々はこのテーマに人生を費やしてきましたが、心配する必要はありません。私たちは、皆さんのお役に立てるよう、EMCの基礎、適用可能な標準、避けるべき落とし穴、一般的なテスト設定について説明した包括的なホワイト ペーパー「デジタル アイソレータの電磁適合性テストの理解」を作成しました。

ガルバニックアイソレータの産業オートメーションアプリケーション 

産業オートメーションにおける絶縁デバイスの用途は数多くあります。このセクションでは、絶縁が使用される3つの異なる領域、つまりアナログ データ取得、高速デジタル通信、絶縁電源について説明します。

絶縁アプリケーション: アナログデータ取得

リモートセンシングやモーター制御など、潜在的に危険な電圧が存在する状況で低レベルのアナログ信号を検出、増幅、デジタル化する必要がある産業用アプリケーションは数多くあります。絶縁型アナログ-デジタル コンバータ (ADC) は、このような状況に最適です。 

ADCアーキテクチャには、逐次比較 (SAR)、パイプライン、積分などさまざまな種類がありますが、低速での使用では、デルタ シグマ アーキテクチャが高解像度と低電力、低コストを兼ね備えているため、多くの産業用センシング アプリケーションに最適です。

AMC1304 は、LDOレギュレータを内蔵した絶縁型の高精度デルタシグマ (ΔΣ) 変調器です。出力は、VDE V 0884-10、UL1577、およびCSA規格に従って最大7000 VPEAKの強化絶縁を提供する認定を受けた容量性二重絶縁バリアによって入力から分離されています。このデバイスは、絶縁電源と組み合わせて使用することで、高コモンモード電圧ライン上のノイズ電流がローカル システム グランドに入り込み、低電圧回路に干渉したり損傷を与えたりするのを防ぎます。 

図4: AMC1304の機能ブロック図（出典: TI）

AMC1304フロントエンド回路には、差動増幅器とサンプリング ステージが含まれており、その後に2次スイッチド キャパシタ フィードフォワード ΔΣ 変調器が続きます。AMC3104は、78 kSPSのデータ レートで81 dB (13.2 ENOB) のダイナミック レンジで16ビットの解像度を実現できます。 

絶縁アプリケーション: 高速デジタル通信

産業オートメーションでは高速デジタル通信が必須です。現代のコネクテッド ファクトリーには、組み込みマイクロコントローラー、産業用PC、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) によって制御される多数のマシン、産業用ロボット、個々のセンサー、アクチュエーター、バルブがあります。これらのデバイスは、数百フィート、あるいは数千フィートにも及ぶケーブルを使用した高速通信ネットワークを介して相互に通信します。特に製錬所やモーターなどの大型産業機械によって高電圧と高電流が消費される場合、1,000フィートのイーサネット ケーブルの両端の接地レベルは大きく異なる可能性があります。これらの電流に不均衡があると、戻り電流が非常に大きくなり、大きな差動電圧が生じる可能性があります。これにより、高速デジタル ネットワークが損傷する可能性があります。 

ネットワークで高速デジタル アイソレータを使用すると、この状況を回避できます。TIは、特殊なネットワーク アプリケーションと一般的なI/O用途の両方に対応する、多数の高速デジタル アイソレータを提供しています。 

ISO1176 は、最大40Mbpsで動作する絶縁型RS-485差動ライン トランシーバです。これは、ネットワーク センサーやモーターおよびモーション制御などの産業オートメーション アプリケーションのPROFIBUSアプリケーションで使用するために設計されています。 

ISO1050 は、もう1つの一般的な産業プロトコルであるCANで使用するために設計されています。このデバイスはISO11898-2 CAN仕様の要件を満たし、最大5000VRMSのガルバニック絶縁を提供します。

高速デジタルI/O向けのISO7842は、8000 VPEAKの絶縁電圧を備えた高性能の4チャネル デジタル アイソレータであり、最大100 Mbpsの信号速度をサポートします。低消費電力で高い電磁耐性と低放射を提供し、VDE 0884-10ピーク電圧定格4000VでCMOSまたはLVCMOSデジタルI/Oを分離します。 

絶縁アプリケーション: フライバック電源

分離されたデバイスでは、絶縁バリアの両側の電源も互いに分離されている必要があります。TIは、低電圧低電力アプリケーション (1または2W) 向けに、単一パッケージに統合されたDCHファミリなどの絶縁型DC-DCコンバータを提供しています。より高い電圧と電流の場合、DC-DCコンバータの設計では通常、統合型コントローラと、入出力絶縁用のトランスフォーマーなどの個別のコンポーネントが使用されます。 

絶縁が必須で、安全性が最優先されるもう1つの電力変換アプリケーションは、AC-DC変換です。繰り返しになりますが、変圧器は一次側の潜在的に致命的な電圧とシステムの残りの部分との間の絶縁を提供します。 

図5: UCC2891xフライバックスイッチャー（出典: TI）

トポロジに応じて、制御回路は一次側または二次側のいずれかに配置される場合があります。図5は、一次側調整にUCC289xコントローラを使用した絶縁型フライバック スイッチング電源を示しています。UCC28910 および UCC28911 は、オプトカプラを使用せずに出力電圧と電流の調整を提供する700VパワーFETを備えた高電圧デバイスです。完全な回路解析については、 ここただし、主な回路ブロックは次のとおりです。

1. 入力ヒューズ抵抗器: ライン電圧が印加されたときに入力コンデンサの突入電流を制限し、入力過電流の場合はラインを切断します。
2.ブリッジダイオード: 入力ACライン電圧を整流します。
3.ライン フィルタ (L1、L2、R1、R2): スイッチングによって発生するEMIを低減します。
4.バルクコンデンサ（コンデンサC1およびC2）：エネルギーを蓄積し、入力電圧リップルを低減します。
5.VS分割抵抗: 出力電圧調整ポイントを決定します。RS1は連続切り替えポイントも設定します。 
6. ドレイン電圧クランプ回路：パワーFETを保護し、トランス一次漏れインダクタンスによる振動を抑制します。
7.トランス: 絶縁を提供します。補助巻線はコントローラーに電力を供給します。
8.出力段: 出力コンデンサCOUTのサイズは、必要な無負荷過渡応答によって決まります。プリロード抵抗器RPRLは、外部負荷が接続されていない場合にOVPトリップを停止します。

プッシュプル コンバータでは、対称プッシュプル回路内のドライバのペアによって、トランスの一次側に入力ラインから電流が供給されます。ドライバは交互にオンとオフに切り替わり、トランス内の電流を定期的に反転させるため、スイッチング サイクルの両半分でラインから電流が引き出されます。プッシュプル コンバータは、バックブースト コンバータよりも入力電流が安定しており、入力ライン上のノイズが少なく、高電力アプリケーションでより効率的です。