Çeşitli ultra düşük güç izolasyon teknolojilerinin karşılaştırılması ve uygulanması
Uzun süredir izolasyon, tasarımcılar tarafından temel bir yük olarak görülüyordu. Bu önemlidir çünkü elektronik bileşenleri güvenli hale getirebilir, böylece herkes onu kullanabilir. Bu bir yüktür çünkü iletişim hızını sınırlar, çok fazla güç tüketir ve çok fazla pano alanı kaplar. Eski teknolojilere dayalı optokuplörler ve hatta birçok yeni dijital izolatör, çok yüksek güç tüketimine sahiptir ve bu da belirli uygulama türlerini olanaksız kılar. Bu yazıda, ultra düşük güç izolasyonu alanındaki son gelişmeleri, mevcut teknolojilerle ilişkisini ve uygulanmasını inceleyeceğiz. Aynı zamanda, bu tür yeni cihazlardan yararlanabilecek çeşitli uygulamaları da keşfedeceğiz.
Tasarımcılar için, yaklaşık 45 yıl önce ortaya çıkan modern optokuplörler büyük bir gelişmedir. Güç kontrol devrelerinde geri bildirime, iletişim devrelerinde toprak döngülerini kesmek için sinyal izolasyonuna ve üst düzey güç transistörleri veya akım monitörleriyle iletişime izin verirler.
1970'lerde çok sayıda optoelektronik cihaz ortaya çıktı. Bu cihazlar, RS-232 ve RS-485 gibi iletişim standartlarının geliştirilmesinin yanı sıra 4 ila 20 mA devre döngülerinin ve DeviceNet ve PROFIBUS gibi endüstriyel veri yollarının geliştirilmesini etkilemiştir. İzolasyon cihazının kendisinin sınırlamasından etkilenen optik izolasyon işlevi, bu iletişim veri yollarının birçok özelliğini belirler. Önümüzdeki 20 yıl içinde, izolasyon teknolojisinin gelişimi ve değişiklikleri temelde niceliksel değişikliklerdi ve 2000 yılına gelindiğinde, ilk yeni çip seviyesi dijital izolatör grubu piyasaya çıktı. Bu yeni cihazlar, çip ölçekli transformatörler, GMR malzemeleri ve daha sonra diferansiyel kapasitif kuplaj teknolojisi kullanan endüktif kuplaj teknolojisine dayanıyor. Eski optokuplörlerle karşılaştırıldığında, bu yeni teknolojiler ultra yüksek hız ve ultra düşük güç tüketimi seviyelerine ulaşabilir.Ancak, o sırada uygulanan standartların sınırlamaları nedeniyle, yeni cihazların birçok işlevi (yüksek hız gibi) yeterli değildi Kullanın, çünkü mevcut standart arayüz bu işlevlere ihtiyaç duymuyor.
Dijital izolatör, kodlama ve kod çözme elektronik bileşenlerini üretmek için standart paketleme ve IC teknolojisini benimsedikten sonra, dijital işlevlerin eklenmesi çok basit hale gelir. Düşük güç tüketimi, düşük güç kaynağı voltaj desteği ve yüksek entegrasyon, optik olmayan izolatörlerin ana tasarım avantajları haline gelmiştir. İzolasyon oranını büyük ölçüde artırabilen ve izolasyon güç tüketimini büyük ölçüde azaltabilen yeni teknolojiler, en zorlu yeni arayüz standartlarını destekleyebilir. Şu anda, yeni uygulama alanına girmek için dijital izolatörlerin (optokuplörlerden çok daha düşük) güç tüketiminin iki ila üç kat daha düşük olması gerekiyor. Şimdiye kadar, yüksek performanslı izolasyon bu hedefe ulaşamadı.
Çeşitli teknolojilerin karşılaştırılması
İzolasyon cihazı performansının hızlı gelişimi, veri kodlama şemasının ve veri aktarımı için kullanılan ortamın verimliliğinin birleşik etkisinin sonucudur. Bu yazıda güç tüketimini belirleyen çeşitli yönlere odaklanacağız. Kodlama ve kod çözme şemaları, kabaca kenar kodlu darbe tabanlı sistemler ve seviye kodlu sistemlere bölünebilir. Basitçe ifade etmek gerekirse, seviye tabanlı bir sistem, aktif bir çıkış durumunu korumak için enerjiyi izolasyon bariyerinden sürekli olarak itmelidir, aynı zamanda, izolasyon bariyerinden enerji göndermeyerek pasif bir çıkış durumunu ifade eder.
Bir optik bağlaştırıcıda ışık, enerji aktarımına aracılık eder Doğrudan bir elektrik veya manyetik alan oluşturmayla karşılaştırıldığında, verimliliği daha düşüktür ve alıcı eleman ucunda algılama etkinliği zayıftır. Bu nedenle, basit bir transistör veya PIN diyot tabanlı optokuplörün, girişi açık tutmak için ışık üretmek için çok fazla güç tüketmesi gerekir, ancak alıcının sinyali almak için yalnızca çok az güç tüketmesi gerekir. Bu, PIN diyot alıcısı optokuplörünün güç tüketimini listeleyen Tablo 1'de görülebilir. Ortalama olarak, bu tip optokuplör, yüksek giriş akımı ve düşük çıkış akımı özelliklerine sahiptir. Daha yüksek hızlı dijital optik bağlayıcı, alıcıya bir aktif amplifikatör modülü ekleyerek belirli bir durumu korumak için gereken ışık miktarını azaltır. Bu, LED'in ihtiyaç duyduğu ortalama akımı azaltır, ancak alıcı nispeten büyük bir hareketsiz akıma sahiptir, bu nedenle güç tüketimi gerçekten azalmaz - yalnızca alıcıya itilir. Gerekli güç tüketimini azaltmak, LED ve alıcı bileşenlerinin verimliliğini artırmayı veya kodlama şemasını değiştirmeyi gerektirir. Optocoupler teknolojisinin bu kadar uzun bir süre içinde yalnızca nicel gelişime ulaşmasının nedeni budur.
Kapasitif olarak birleştirilmiş dijital izolatörlerin çoğunda, sistem aslında bir optokuplöre benzer. Bu tür bir cihaz, sinyali bir çift diferansiyel kapasitör üzerinden iletmek için yüksek frekanslı bir osilatör kullanır. Bu osilatör, bir optokuplördeki bir LED gibi, aktif bir durum göndermek için güç tüketmeli ve pasif bir durum göndermek için kapanmalıdır. Alıcı, her iki durumda da öngerilim akımını tüketen aktif bir amplifikatör ile donatılmıştır. Tablo 1'de gösterildiği gibi, kapasitörün daha yüksek kuplaj verimliliği nedeniyle, toplam güç tüketimi optokuplör seçeneğinden önemli ölçüde daha iyidir. Kapasitif kuplaj teknolojisi yerine endüktif kuplaj kullanılırsa, dijital izolatörün güç seviyesinin kabaca eşdeğer olduğu not edilmelidir. Bu durumda, özellikle düşük veri hızlarında en düşük güç seviyesini belirleyen kodlama şemasıdır.
ADI'nin iCoupler dijital izolatörleri (ADuM140x serisi gibi), Şekil 1'de gösterildiği gibi başka bir kodlama şeması kullanır. Bu şemada, girişte kenarlar tespit edilir ve darbelere kodlanır. ADuM140x'te, bir darbe düşen bir kenarı temsil eder ve iki darbe yükselen bir kenarı temsil eder. Bu darbeler, küçük bir çip üstü darbe transformatörü aracılığıyla ikincil sargıya bağlanır. Alıcı darbeleri sayar ve veri akışını yeniden oluşturur. Darbenin kendisi mükemmel bir sağlamlığa sahiptir ve mükemmel bir sinyal-gürültü oranı elde edilebilir, ancak genişliği sadece 1ns'dir.Bu nedenle, her bir darbenin enerjisi çok düşüktür. Sonuç çok iyi bir özelliktir, yani veri değişikliği olmadığında, çıkış terminalinin durumu kilitlenir ve korunur ve neredeyse hiç güç tüketilmez. Bu, güç tüketiminin, darbe akışında iletilen entegre elektrik enerjisi artı belirli bir ön gerilim akımı olduğu anlamına gelir. Veri hızı azaldıkça, güç tüketimi DC'ye kadar doğrusal olarak azalır. Benzer şekilde, kapasitif veya hatta optik sistemlerde uygulanabilen spesifik veri iletim ortamından ziyade güç tüketiminde azalmaya yol açan kodlama şemasıdır.
Şekil 1. Darbe tabanlı kodlama şeması
Darbe kodlama şeması, düşük güç tüketimi için her derde deva değildir. Dezavantajı, girişte mantıksal bir değişiklik yoksa verilerin çıkışa gönderilmemesidir. Bu, başlatma sırasından dolayı DC seviyesinde bir fark varsa, giriş ve çıkışın eşleşmeyeceği anlamına gelir. ADuM140x, giriş kanalında bir yenileme izleme zamanlayıcısı uygulayarak bu sorunu çözer. 1s'den daha uzun süre hiçbir etkinlik algılanmazsa, DC durumu yeniden iletilir. Bu tasarımın sonucu, veri hızı 1 Mbps'den düşük olduğunda, kodlama şemasının artık güç tüketimini azaltmaya devam etmemesidir. Cihaz temelde her zaman en az 1Mbps hızında çalışır, bu nedenle düşük veri hızlarında güç tüketimi düşmeye devam etmez. Yine de, Tablo 1'de gösterilen seviyeye duyarlı şemayla karşılaştırıldığında, darbe kodlama şemasının ortalama güç tüketimi daha düşüktür.
Tablo 1. İzolatör kanalı başına güç tüketiminin karşılaştırması (VDD = 3.3V, 100kbps)
Güç tüketimini daha da azaltın
ADuM140x darbe kodlama şeması, başlangıçta mutlak minimum güç tüketimi yerine yüksek veri hızları için optimize edilmiştir. Kodlama şeması, özellikle DC'nin 1Mbps'ye kadar olan frekans aralığında güç tüketimini azaltmada büyük bir potansiyele sahiptir. Bu veri aralığı, çoğu izolasyon uygulaması, özellikle de düşük güç tüketimi gerektiren izolasyon uygulamaları tarafından kullanılan aralıktır. 4 kanallı ADuM144x ve 2 kanallı ADuM124xiCoupler teknolojisine dayalı cihazlar serisi aşağıdaki yenilikçi teknolojileri kullanır.
1. Tasarım, daha düşük voltajlı bir CMOS işlemi kullanılarak gerçekleştirilir
2. Tüm önyargı akımları değerlendirilir ve önyargı en aza indirilir veya mümkün olduğu kadar ortadan kaldırılır
3. Yenileme akımının frekansını 1MHz'den 17kHz'e düşürün
4. En düşük güç tüketimini elde etmek için yenileme devresi tamamen devre dışı bırakılabilir
Güç tüketimi, Şekil 2'de gösterildiği gibi (ADuM140x ile karşılaştırıldığında) frekansın bir fonksiyonudur. ADuM140x için, yenilemenin neden olduğu eğri "diz" 1Mbps'de açıkça görülebilir ve ADuM144x için, yenileme etkinleştirildiğinde, 17kbps'de açıkça görülebilir. ADuM144x'in kanal başına tipik güç tüketimi 1kbps'de 65 kat daha düşüktür ve yenileme işlevi tamamen devre dışı bırakıldığında yaklaşık 1000 kat daha düşüktür.
Şekil 2. VDDX = 3,3V altında ADuM144x ve ADuM140x cihazları için kanal başına toplam güç tüketimi
Güç tüketimini bu kadar azaltmak neden faydalıdır? Aşağıdaki üç uygulamada, geleneksel optokuplörler ve dijital izolatörler ya zar zor kalifiye ya da tamamen kullanılamaz durumdadır.
4mA ila 20mA izole döngü beslemeli saha cihazı
Şekil 3. İzole, döngü beslemeli akıllı sensör ön ucu, HART modem destekli
Döngü ile çalışan saha cihazlarının güç bütçesi çok sınırlıdır, çünkü tüm elektrik enerjisi 4mA döngü akımından gelir. Neyse ki, döngü sistemden yaklaşık 100 mW güç elde etmek için genellikle yeterli voltaj, genellikle 24V sağlayabilir. Tüm uygulama yaklaşık olarak 12V döngü voltajı (4mA) tüketecektir. Bu bütçe dahilinde, basit bir DC-DC dönüştürücü, yalıtılmış sensöre, analogdan dijitale dönüştürücüye (ADC) ve denetleyiciye güç sağlar. DC-DC dönüştürücünün daha yüksek verime sahip olduğu ve voltaj düşürme oranının 2: 1 olduğu varsayılsa bile, tipik bir sensör ön ucunun sağlayabileceği güç 4mA'dan (3.3V) azdır. Döngünün sonundaki güç bütçesi aşağı yukarı aynıdır. Ana arayüz, ADC'ye bağlı SPI veriyoludur. İzolasyon arayüzünün her bir ucuna döngü tarafından güç verilir ve denetleyicinin tüm ADC'lerine ve sinyal koşullandırma bileşenlerine döngü tarafından güç sağlanır. Tablo 2, her bir izolasyon teknolojisi altında 4 telli bir SPI veri yolunun güç tüketimini göstermektedir. SPI1, yalıtılmış döngü terminal akımıdır ve SPI2 gerekli sensör terminal akımıdır. Optokuplör, izolasyon arayüzünün her bir ucunda güç bütçesinin birkaç katını tüketecektir. Kapasitif dijital izolatör, saha cihazının tüm güç bütçesini tüketecektir. ADuM1401 bir olasılığı temsil eder, ancak sistemin geri kalanı için güç bütçesi, ADC'ye yalnızca tek bir SPI arayüzünü desteklese bile çok dardır. İCoupler teknolojisini kullanan ultra düşük enerji tüketen bir dijital izolatör olan ADuM1441, çok düşük güç tüketimine sahiptir ve güç bütçesinin yalnızca küçük bir bölümünü oluşturur. Bu teknoloji, uygulamanın sadece kendi güç bütçesi dahilinde normal şekilde çalışmasına izin vermekle kalmaz, aynı zamanda şekildeki noktalı çizgi ile gösterildiği gibi, HART modem arayüzünü ve akıllı ön uç denetleyiciyi desteklemek için ikinci bir 4 kanallı izolatörün eklenmesine de izin verir. Ultra düşük güç tüketimine sahip iCoupler teknolojisi, önceki izolasyon uygulamalarında imkansız olan yeni işlevleri gerçekleştirebilir.
Tablo 2. 100 kbps izole SPI arabiriminin her bir ucunun toplam güç tüketimi
Power over Ethernet I2C iletişim veri yolu
Şekil 4. POE, izole edilmiş I2C ve kesintili 4 portlu kontrolör
Power over Ethernet (POE) gibi telekomünikasyon uygulamaları, Ethernet gücü sağlayan nispeten yüksek voltajlı bir raydan güç alır. Kontrol iletişimi arabirimi, yalıtılmış bir DC-DC dönüştürücüden veya 54 V bara voltaj regülatöründen güç almalıdır. Şekil 4'te gösterilen örnekte, 3.3V I2C kontrol veriyolu iletişim arayüzü, POE kontrolöründeki yerleşik voltaj regülatörü tarafından üretilir. Şekil 3, POE denetleyicisinde I2C veri yolu arabirimini çalıştırmak için gereken akımı ve her teknolojiyi desteklemek için POE denetleyicisinin güç tüketimini gösterir. Optokuplör çözümü çipte yarım watt ısı üretir ve bu da muhtemelen termal limitine yakın olacaktır. Tabloda, yukarıdan aşağıya, her arabirim bir öncekinden biraz daha iyidir.Son olarak, yaklaşık 1 mW tüketen ultra düşük güçlü ADuM1441'i görüyoruz. Sonuç olarak, arayüzün termal yükü bu çipte önemsiz görünüyor. Güç kaynağı POE yongası içinde ayarlanmasa bile, güç tüketimi çok düşüktür Basit bir Zener diyot ve direnç kullanılabilir, böylece enerji tasarrufu sağlayan bileşenlerin maliyeti ve soğutma yükü makul bir seviyeye ulaşabilir. Bu teknoloji, güç mimarisini basitleştirir.
Tablo 3. POE uygulamalarında çeşitli izolasyon teknolojilerinin toplam güç tüketimi
Pille çalışan ekipman
Şekil 5. Pille çalışan tıbbi sensörler
Ultra düşük güç tüketiminin üçüncü uygulama örneği, daha uzun pille çalışan uygulamalar için destek sağlamaktır. Evde sağlık takibi için tıbbi ekipman (kan şekeri ölçüm cihazları, nabız oksimetreleri gibi) hastalarla temas halindeyken tıbbi olmayan bilgisayarlara bağlanabilmesi için özel bir yapıya sahip olmalıdır. Seri arayüze güç verilmeli ve cihaz bilgisayara bağlandığında uyandırılmalı, bu nedenle bekleme devresinde aktif bir izolatör kullanılmalıdır. Bu durumda, ADuM1441'in yenileme devre dışı bırakma işlevinin kullanılması, aygıtın pil güç tüketimini 4A'nın altına düşürebilir. Bu güç tüketimi seviyesi çok düşüktür, bir düğme pili bile bekleme akımını birkaç yıl koruyabilir.
ADuM1441'in ultra düşük güç tüketimi, bilgisayara bakan izolasyon modülünün ucu için uygun güç kaynağını da destekler. Arayüz çalışmasını gerçekleştirmek için yalnızca birkaç A akım gereklidir, bu nedenle seri arayüzdeki bir durum hattı yalnızca izolatörü çalıştırmak için kullanılabilir, bu nedenle özel bir güç kaynağı kullanmaya gerek yoktur.
Tablo 4, optokuplörün bazı özelliklerini ve bekleme modunda çalışan çeşitli dijital izolasyonları göstermektedir. Doğru boşta durumu seçilirse, PIN / transistör izolatörünün bekleme akımının aslında ultra düşük güç iCoupler'a dayalı bir ürün kadar düşük olabileceğini lütfen unutmayın. İnsanlar, birçok uygulamada düşük güçte bekleme durumuna ulaşmak için optokuplörlerin bu özelliğinden yararlanır. Ancak, iletişim başladıktan sonra, güç tüketimi daha yüksek bir seviyeye yükselecektir, bu ADuM1441 çözümünde durum böyle değildir.
Tablo 4. İzolatörün toplam düşük hız ve boşta güç tüketimi
sonuç olarak
ADI, son derece düşük güç tüketimi için optimize edilmiş darbe kodlu iCoupler dijital izolatörün yeni bir versiyonunu geliştirdi. Cihazda yapılan değişiklikler cihazın izolasyon fonksiyonunu etkilememiştir çünkü kullanılan izolasyon teknolojisi, yüksek çözünürlüklü güçlendirilmiş izolasyon cihazındaki ile birebir aynıdır. Sinyal bütünlüğü, son 13 yıldır piyasada bulunan standart iCoupler'a benzer. Tasarıma göre, bu cihazlar DC ile 1Mbps aralığında ultra düşük güçte çalışmayı destekleyebilir.Veri hızı ne kadar düşükse, güç tüketimi o kadar düşük olur. Bu teknoloji çok daha düşük çalışma gücü tüketimine sahiptir, bu nedenle daha önce imkansız olan arayüz izolasyon performansına ulaşabilir.
