Многие современные электронные устройства сегодня требуют гальванической развязки между двумя или более частями оборудования или между двумя критическими секциями одного продукта или системы. Если вы не делали этого раньше, вам придется изучить довольно много материала для понимания основ гальванической развязки, почему она используется, и знакомство с возможными способами ее реализации.
В этой статье дается определение гальванической развязки, объясняются ее преимущества, а затем резюмируются наиболее распространенные способы ее реализации. И это открывает новый подход к обеспечению гальванической развязки с помощью специальных интегральных схем (ИС).
Что такое гальваническая развязка?
Гальваническая развязка — это процесс проектирования электрического оборудования или систем с отдельными источниками питания таким образом, чтобы они не обменивались энергией или никак электрически не взаимодействовали. Идея состоит в том, чтобы поддерживать питание постоянного (и / или переменного тока) отдельно и независимо. Одна система электроснабжения не должна влиять на другую. В то же время, как правило, необходимо полностью изолированно передавать сигналы мониторинга и данные управления между ними.
Изоляция питания достигается за счет того, что две физические секции находятся далеко друг от друга. И это обычно реализуется НЕ подключением заземляющих соединений двух систем. Это устраняет контуры заземления и уменьшает или, по крайней мере, сводит к минимуму любой перенос шума. Когда используются как высоковольтные, так и низковольтные подсистемы, такая физическая изоляция и изоляция заземления также помогает защитить пользователей и специалистов по обслуживанию от ударов электрическим током, низковольтные цепи — от высокого напряжения, а в некоторых случаях защищает и от молнии.
Примеры оборудования, требующего гальванической развязки, включают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в промышленных инструментах и оборудовании, источники бесперебойного питания (ИБП), электроприводы, промышленные роботы, зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи частоты / инверторы и иногда DC-DC преобразователи. Не забываем о постоянно растущем сегменте автомобильных приложениях.
Гальваническая развязка
Для реализации гальванической развязки используется широкий спектр методов. Возможно, самый старый и самый эффективный — это трансформатор. Он позволяет передавать данные, сообщения и коды посредством магнитных полей между первичной и вторичной обмотками. Между первичной и вторичной обмотками НЕТ прямой электрической связи.
На рисунке ниже показан пример базового источника питания, используемого в системе, требующей изоляции. SN6501-Q1 — это генератор модулирующих импульсов, который вырабатывает сигнал переключения для импульсного трансформатора. Трансформатор обеспечивает соотношение витков для получения желаемого выходного напряжения и идеальной развязки, обеспечиваемой только магнитной связью между входом и выходом. Регулятор с малым падением напряжения (LDO) фильтрует выпрямленный сигнал и устанавливает желаемое выходное напряжение.
Оптопары или оптоизоляторы — еще одно почти идеальное устройство для передачи данных с допустимой скоростью. Поток данных о напряжении управляет светодиодом внутри корпуса оптопары. Фототранзистор улавливает свет на расстоянии нескольких миллиметров. Транзисторный выход полностью изолирован от входа.
Один из лучших способов изоляции — использование конденсаторов. Они блокируют постоянный ток, но пропускают переменный ток, что делает их и их варианты чрезвычайно эффективными. Другие устройства, участвующие в создании гальванической развязки, — это специальные компоненты, такие как датчики на эффекте Холла и даже механические реле.
Современная гальваническая развязка
В наши дни лучший способ обеспечить необходимую гальваническую развязку — это использовать компоненты, разработанные специально для этой цели. Примеры включают специальные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), используемые для отправки изолированных данных измерения тока и напряжения, когда это необходимо системе.
Дифференциальные усилители контролируют напряжение на чувствительном резисторе для получения значения тока. Обычно для этого приложения требуются два источника питания (рисунок ниже слева). Однако наличие второго источника питания делает продукт больше, тяжелее и дороже.
Texas Instruments разработала линейку усилителей и АЦП с однополярным питанием, чтобы решить эту проблему. Изолированный усилитель AMC3301 (рисунок выше справа) включает полностью интегрированный преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC) для подачи второго напряжения питания. Изоляция обеспечивается емкостной связью внутри интегральной схемы. AMC3301 соответствует правилам безопасности высоковольтной изоляции для сертификации UL 1577 до 4250 В среднеквадратического значения DIN VDEV 0884-11 для пикового напряжения до 6000 В.
Для обеспечения изолированных данных измерений и управления можно использовать два типа изолирующих устройств — изолированный усилитель и изолированный модулятор. Оба являются типами с однополярным питанием и каждый содержит внутренний дельта-сигма (ΔΣ) АЦП.
Контролируемый аналоговый сигнал отправляется на микросхему, усиливается, а затем оцифровывается АЦП. АЦП генерирует последовательный поток битов, который проходит через емкостный изолирующий барьер на кристалле. Этот последовательный поток битов затем отправляется на фильтр нижних частот, который вырабатывает напряжение, пропорциональное входному сигналу. В этот момент восстановленный сигнал постоянного тока может быть снова оцифрован в другом АЦП, возможно, в обычном системном микроконтроллере.
В качестве другого варианта можно использовать изолированный модулятор, такой как AMC1305 / 06 от TI. Он принимает отслеживаемый сигнал тока или напряжения и усиливает его перед оцифровкой в более быстром ΔΣ АЦП. АЦП посылает свой сигнал через внутренний емкостный изолирующий барьер на выход. Этот сигнал представляет собой серию битов, представляющих напряжение внутри устройства. Внешний фильтр нижних частот генерирует пропорциональный аналоговый сигнал, который снова может быть оцифрован для цифровой обработки сигнала.
Хотя и изолированные усилители, и модуляторы действительно обеспечивают хорошие характеристики, изолирующие модуляторы, как правило, являются лучшей альтернативой. Они обладают превосходным соотношением сигнал / шум, большей точностью и меньшей задержкой.
Гальваническая развязка 101
Для улучшения знаний и понимания гальванической развязки, вам следует рассмотреть эталонный прототип TI TIDA-010065. Эталонный прототип представляет собой упрощенную архитектуру для создания изолированного источника питания для изолированных усилителей, которые измеряют изолированные напряжения и токи. Встроенная цифровая диагностика повышает надежность и производительность системы. Это отличная платформа для самообучения и изучения тонкостей гальванической развязки.
