回路保護のためのアナログ絶縁技術

ESD保護回路: アナログアイソレータ

回路保護は、静電放電 (ESD) や干渉などの損傷を引き起こす事象から回路を保護するメカニズムです。回路保護の実装は、電流制限抵抗器、ツェナーダイオード、ヒューズなど、さまざまな方法を使用して行うことができます。ただし、一部のアプリケーションでは、電気的絶縁が必要となる非常に敏感なアプリケーションを扱う場合があります。よくある例としては心電図が挙げられます。

心電図は、患者に接続された導電性パッドを使用して、心臓の鼓動時に発生する電気パルスを測定するという点で独特です。光学的な心拍数測定法とは異なり、心電図では異常な心拍パターンや弱い心拍など、はるかに多くの情報を提供できます。しかし、患者の胸部に導電性電極を取り付けると、電気サージなどの事象が発生した際に、サージが患者に伝わり心停止を引き起こすなど、致命的となる可能性があります。このような場合、回路を絶縁する必要があり、患者に取り付けられた電極は主電源で駆動される心電図から電気的に絶縁されます。その結果、電極は電気的に分離されているため（つまり、直接の電気的接続がないため）、心電図によるサージ体験は電極に伝達されません。

このタイプの絶縁は、光アイソレータなどのデバイスを使用してデジタル世界では非常に簡単に実現できますが、アナログの世界では課題が生じる可能性があります。デジタルの世界は、非電気的に（光の有無にかかわらず）簡単に転送できる1と0のみで構成されていますが、アナログ信号には、その値を保存する必要のある無限の範囲があります。

では、アナログ信号はどのように分離できるのでしょうか。また、世の中にある多くの分離ソリューションには、一般的にどのような利点と欠点があるのでしょうか。

絶縁トランス

何らかの形のアナログ絶縁を実現できる方法の1つは、 トランスです。鉄心を介して磁気的に結合された2つのコイルは、磁場を介して互いにエネルギーを転送できます。これら2つのコイルは電気的に分離されていますが、このタイプの分離には問題があります。1つ目は、2つが電気的に分離されているにもかかわらず、サージ エネルギーが変圧器を介して伝送される可能性があることです。変圧器は多くの場合大きなインダクタンスを持っているため、突然のエネルギースパイク（静電放電またはESDによって発生するものなど）に耐えることができますが、主電源サージ（低周波領域にあるため）に耐えることはより困難になる可能性があります。

トランスのもう1つの問題は、トランスがAC領域で動作し、エネルギー転送は磁場の強度の変化時にのみ発生するため、この方法ではDCアナログ電圧を分離できないことです。さらに、変圧器は特定の周波数で動作するように設計されていることがよくあります。このため、周波数が不明な信号のアナログ測定にはほとんど実用的ではありません。

デジタル信号への切り替え

前述のように、デジタル信号は分離が非常に簡単で、アナログ信号もこの分離ソリューションを利用できます。アナログ信号はまずデジタルパルス幅変調 (PWM) 信号に変換され、PWMのデューティサイクルがアナログ値を表します。このPWM信号はデジタルであるため、オプトアイソレータを使用して分離され、オプトアイソレータの出力はRC回路を使用してアナログ信号に変換されます。この方法は、電気サージとESDの両方から保護し、DC値を維持するため、変圧器よりも理想的な選択肢となります。ただし、アナログ信号をPWM信号に変換する場合、その方法によっては問題が発生する可能性があります。信号がすべてアナログ回路を使用して変換される場合 (アナログ信号と比較すると三角波)、可能な値の無限の範囲が保持されます。しかし、PWMがカウンター (または任意の計算デバイス) を使用して生成される場合、アナログ信号は量子化されます。この量子化は、結果として得られる分離されたアナログ信号が元の信号に忠実ではなく、出力アナログ値が不確実性のレベルを伴う有限の解像度を持つことを意味します。この方法のもう1つの大きな欠点は、元のアナログ信号を変換するために使用される回路が分離されていないため、ESDやその他の高エネルギー源による損傷を受けやすいことです。

線形光絶縁

線形光絶縁は、線形範囲で光アイソレータを使用する技術です。オプトアイソレータは主にデジタル絶縁用に設計されていますが、 LED （通常はIR LED）や フォトトランジスタなどのアナログ部品で構成されています。

光アイソレータを電流領域（電圧領域ではなく）で使用する場合、出力トランジスタはIR LEDの入力電流と線形関係を持ちます。しかし、この方法はさまざまな理由から非常に問題があります。1番目、そしておそらく最も重要なのは、オプトアイソレータの直線性の範囲が非常に狭い (本質的に非直線である) という事実です。次に、アナログ電圧を（電圧ではなく）電流に変換する必要があり、そのためにはオペアンプ回路が必要です。第三に、同じファミリーの光アイソレータはすべて同じ特性を持つわけではないため、動作が異なり、生産品としては実用的ではありません（トリミング回路が含まれていない限り）。この問題を解決するために、特別な範囲の光アイソレータが存在します。これには、オペアンプ回路で一緒に使用できる2つのマッチングされたIR LEDが含まれており、非線形性がアンプにフィードバックされ、アナログ値が保持されます。この分離方法は真の分離を実現しますが、実装が難しい方法です。

絶縁アンプ

絶縁アンプ は、前述の方法の1つを使用してアナログ絶縁を実行する集積回路であり、アナログ絶縁を必要とするエンジニアにとって最も可能性の高い選択肢となります。カスタム絶縁回路ではなく絶縁アンプを使用する理由としては、製造元がすでに複雑な回路を設計して線形関係を生成していること（線形オプトアイソレータ方式を使用している場合）、およびソリューション全体が信号チップに収まることが挙げられます。一部の絶縁アンプでは、アナログ絶縁に内部トランスを使用します。この絶縁方法は、電圧-周波数変換器を使用して入力アナログ電圧を特定の周波数の搬送波に変換し、この搬送波を内部トランスフォーマーに渡した後、周波数-電圧変換器を使用して搬送波を記録されたアナログ電圧に再変換することによって実現されます。

アナログ絶縁のための機械的方法

シナリオによっては、より創造的で「突飛な」解決策が必要になる場合があります。機械的な方法はアナログ絶縁に使用できますが、これは非常に高いエネルギーが関係するシナリオに最適です。機械的絶縁の一例としては、電気的に制御された ポテンショメータモーター（より正確にはサーボ）がポテンショメータの位置を制御します。読み取ったアナログ値に応じて、サーボはポテンショメータを回転させて、アナログ電圧に対応するように回転角度を調整します (分圧器として使用されている場合)。このような方法は非常に遅く、高周波アナログ信号には適していませんが、（おそらく）最高レベルの絶縁を提供できます。しかし、これらの方法は機械部品に依存しており、時間の経過とともに摩耗します。

アナログ絶縁製品の例

DIYソリューションはエンジニアに目の前の問題を解決するための手段を提供できますが、デザイナーにとってはデザイン全体に重点を置くことの方が重要になることがよくあります。したがって、エンジニアにとって、すでに市場に出回っているアナログ絶縁ソリューションを検討することが最善であることがよくあります。これらの製品は設計者の時間とコストを節約します。

AMC1301 は、オフセット誤差とドリフトが低く、固定ゲインが8.2、非直線性が低く、ローサイドとハイサイドの両方で3.3 Vで動作する絶縁アンプです。内部のADCを使用して、読み取ったアナログ信号をデジタル信号に変換し、その後、バリアを介して絶縁し、DACを使用してアナログ信号に再形成します。AMC1301はデジタル方式を採用しているため、絶縁アンプは磁場の影響を受けず、強い磁場が存在する可能性のある環境にも適用できます。

ADUM3190WSRQZ は、受信機/送信機のペアを使用して絶縁する点でAMC1301に似た絶縁アンプです。ただし、ADUM3190WSRQZは、絶縁方法としてトランス (おそらく電圧から周波数への変換方式) を使用します。この絶縁アンプは、初期精度が0.5% で、最大2.5kVまで絶縁でき、広い温度範囲を提供します。ただし、内部トランスを使用しているため、このアンプは強い磁場の影響を受けやすくなります。

結論: 電子機器における絶縁とは何ですか?

アナログ絶縁は簡単なことではなく、設計者がこれをどのように実現するかは完全に設計者次第です。購入したソリューションは実装が簡単ですが、使用するソリューションによっては高価になる可能性があります。一方、カスタム ソリューションは時間がかかり、はるかに複雑になる可能性があります。

ほとんどのアプリケーションでは、分離ではなく保護のみが必要なので、設計者は分離が絶対に必要な場合を認識することが重要です。