今日の世界は高速デジタル電子機器に浸っており、非常に敏感な環境で通信速度が増加するにつれて、安全性と信頼性を確保するために分離戦術を採用することが重要になっています。
主に工業、医療、航空宇宙の分野で見られますが、現在ではより多くのアプリケーションで追加の保護層が必要になっています。ほとんどの分離されたデジタル アプリケーションには、共有接地の除去による電磁干渉の緩和、危険な電圧レベルからの保護、データ転送の過渡現象の防止などが含まれますが、アプリケーションによっては、データの破損、接続の喪失、潜在的に安全でない予測不可能な動作条件を引き起こす可能性があります。
絶縁がこれらの問題に役立つことは周知の事実であり、オンセミコンダクタの新しいDigi-Maxオフチップ セラミック デジタル アイソレータ ファミリは、速度、過渡耐性、温度、全体的な寿命性能など、従来の絶縁方法に比べて多くの利点を提供します。
光学およびデジタルアイソレーション技術に関する背景
過去60年間、絶縁はさまざまな形態をとってきました。最初はアナログの光学的絶縁 (今日の業界でも依然として根強い) で、最近ではCMOSやRF伝送などの技術を取り入れたデジタル絶縁が登場しました。
一般に、デジタル絶縁はスイッチング速度が高く、内部コンポーネントの寿命が長いため、光絶縁よりも優れています。光アイソレータLEDは、経年変化による熱ストレス、ピーク過渡電流の影響を受けやすさ、ダイオード電流の制限、およびコンポーネント全体の寿命による故障の原因となることが一般的です。デジタル絶縁は、主に、光に敏感なコンポーネントではなく、内部バリアを介した磁気および容量結合を組み込んで信号情報を転送しますが、一部のデジタル絶縁体には光学コンポーネントも組み込まれています。また、デジタル アイソレータは1つのパッケージに最大6つのチャネルが含まれているため、マルチチャネル データ バスに最適です。
一般的に、デジタル アイソレータは占有面積が小さく、機密性の高い通信や重要な通信に使用される他のICに組み込まれることが多く、サイズとコストも節約できます。ガルバニック絶縁は、電気的な接続や漏れ経路なしに、ある回路から別の回路に情報を転送できるため、最も安全な絶縁形式であると考えられています。
オプトカプラはガルバニック絶縁の最も一般的な形式の1つであり、磁気を使用する多くの種類のデジタル アイソレータよりも安全ですが、通常は最も低速で、最も大きく、比較的電力を消費するため、チャンネル数が多く高速なアプリケーションには適していません。光絶縁とデジタル絶縁の視覚的な比較については、図1を参照してください。
ほとんどのデジタル アイソレータにはオンチップ容量性テクノロジが採用されており、これには薄い絶縁バリアと、電気的過負荷や静電放電による損傷を受けやすい材料が含まれています。通常、デジタル絶縁体が損傷すると、2つの電源プレーン間の絶縁能力が失われることがあります。onsemiのDigi-Maxファミリのデジタル アイソレータは、電気的に絶縁され、従来のより安全な光絶縁の安全レベルを提供するだけでなく、今日の通信アプリケーションに必要な高速で動作します。さらに、Digi-Maxアイソレータが損傷した場合でも、本質的に安全な絶縁バリアが維持されるため、より安全な障害モードと動作条件が実現します。Digi-Maxアイソレータは、特許取得済みのガルバニックオフチップコンデンサ絶縁技術と最適化されたIC設計を組み合わせることで、高い絶縁性とノイズ耐性を実現します。
Digi-Maxの利点
Digi-MaxデバイスのNCID9XXXファミリには、0.5 mmを超える絶縁バリア厚を可能にするセラミック基板が組み込まれており、外部沿面距離とクリアランス距離が8 mmに定格されており、光絶縁技術で見られる安全性と信頼性のレベルに達しています。空気の絶縁破壊電圧は3,000V/mmですが、Digi-Maxの0.5mmの絶縁厚は、接触点間に誘電体が存在しない場合でも、設計により1,500Vの動作電圧を保証します。Digi-Maxは、最大動作絶縁電圧が2,000 Vpeakであるため、他のデジタル絶縁バリアやオプトカプラのLED劣化と比較して、より長持ちするレベルの保護を提供します。NCID9xxxファミリのマルチチャネル双方向デバイスには、高い安全性と信頼性に加えて、次のような便利な機能も備わっています。
• 出力イネーブルおよび過熱検出
• 拡張温度範囲 (-40˚C ～ 125˚C)
• 信号変調にオンオフ キーイング技術を使用
• AEC-Q100認定 (申請中)
• 1577 (5,000の規制承認 (1分間121 Vrms)
• 温度、時間、デバイス間で一貫したパフォーマンス
• 100 kV/µsを超えるコモンモード過渡耐性 (CMTI)
• 最大50 Mbits/sの高速データ転送
図2は、これらのDigi-Maxアイソレータの内部レイアウトのシングル チャネル バージョンのブロック図を示しています。
CMTI定格を簡単に見てみましょう。CMTIは、絶縁バリアが耐えることができるコモンモード電圧電位間の最大変化率、つまり、基本的に絶縁体が高速で強力な過渡現象をどれだけうまく排除できるかとして定義されます。容量性技術は直流をブロックしますが、コモンモードノイズと伝送信号が同じパスを共有するため、容量性絶縁ではコモンモード除去が問題になる可能性があります。オフチップ パッケージ テクノロジによって実現される技術を含む特許取得済みの設計技術により、優れたノイズ耐性が実現され、200kV/usの標準CMTIパフォーマンスが達成されます。
Digi-Maxファミリのデバイスは一般にコストが高くなりますが、オフチップ容量性絶縁によって得られる信頼性と安全性は、その価値を十分に秘めています。図3は、Digi-Maxのオフチップ容量がオンチップ容量とどのように異なるかを拡大して示しています。
絶縁の代表的な用途
オンボードまたはオフボード周辺機器の絶縁を必要とするアプリケーションには、パルス幅変調制御、産業用フィールドバス通信、SPIなどのマイクロプロセッサ システムとのシリアル インターフェイス、データ取得、電圧レベル変換などがあります。SPIバス マスターとスレーブ デバイス間の分離を利用する最も一般的なシステム構成の1つで、スレーブ デバイスには独自のローカル回路があり、周辺デバイスとしてオフボードに配置されます。
図4は、SPIバス インターフェイスを介してドーター カードが接続される一般的な設計を示しています。2つのボードは異なる電源を使用しているため、SPI信号とドーター ボードによって生成されるグラウンド ノイズを分離することが重要です。
4チャンネルアイソレータNCID9311
分離が必要な別の例としては、高速トリガーに使用される敏感なデジタル信号を含むオフボード周辺機器が挙げられます。図5は、フィールド プログラマブル ゲート アレイに、レーザーやカメラなどの外部コンポーネントに接続された多数の高速トリガー信号 (レーザーのオン/オフ照明、またはカメラのオン/オフ露出) があるイメージング アプリケーションを示しています。これらのデバイスには独自の電源があり、ノイズや過渡現象を防ぐために処理コアから分離しておく必要があり、そのためトリガー信号は両端で分離する必要があります。
結論
分離には他にも多くの用途がありますが、それぞれの方法には利点と欠点があります。光絶縁は一般的に最も安価ですが、比較的遅く、温度や時間の経過によるパフォーマンスの低下という課題があります。オンチップ容量性絶縁は、合理的なコストでより高い速度とパフォーマンスを提供しますが、Digi-Maxのオフチップ絶縁ほどの安全性と信頼性は提供できません。
絶縁は単なる保険ではなく、多くの場合、安全性、機密回路、およびデータに対する最後の防衛線です。onsemiのDigi-Maxデバイス ファミリは、速度やパフォーマンスを犠牲にすることなく、この高いレベルの信頼性と安全性を実現できることを実証しています。OnsemiのDigi-Maxの高い信頼性により、従来のオプトカプラを使用している設計者は、安全絶縁を損なうことなくデジタル絶縁技術に移行できる新しい方法が得られます。
(注: CMTIの比較は、SiLabs Si860xおよびTI ISO72xデバイスを使用して行われました)