Projektowanie systemów cyfrowych z wykorzystaniem izolatorów

Technologia i wymagania izolatora

Powodzenie w realizacji koncepcji pojedynczego izolatora zdolnego do transmisji szerokopasmowej (od prądu stałego do ponad 150 Mbps) zainspirowało Texas Instruments do stworzenia jednokierunkowego i dwukierunkowego urządzenia w wersji podwójnej, potrójnej i poczwórnej, które jest zgodne w najbardziej typowymi interfejsami cyfrowymi spotykanymi w zastosowaniach przemysłowych.

Rys. 4. Przegląd układów z rodziny samodzielnych izolatorów cyfrowych

Wszystkie cyfrowe izolatory wykorzystują jednokierunkowe układy logiczne CMOS zasilane napięciem 3 V / 5 V. Ich nominalne napięcie pracy jest określone w zakresie 3,3 do 5 V dla obu zacisków, Vcc1 i Vcc2, i pozwala na dowolna kombinację tych wartości.

Podczas projektowania z w wykorzystaniem cyfrowych izolatorów należy mieć na uwadze, iż ze względu na strukturę jednokierunkową izolatory cyfrowe nie spełniają żadnego określonego standardu interfejsu i są przeznaczone wyłącznie jako izolacja końca linii sygnałowej 3 lub 5 V.

Na rysunkach od 5 do 8 przedstawiono przykłady izolowanych interfejsów SPI, RS-232 i RS-485. Co istotne, izolator jest zawsze umieszczony pomiędzy kontrolerem danych (tj. mikrokontrolerem lub układem UART), a konwerterem danych lub nadajnikiem linii, niezależnie od standardu czy typu interfejsu.

Rys. 5. Izolowany interfejs SPI

Na rysunku 5 przedstawiono najprostsze zastosowanie izolatora. W tym przypadku cały obwód stanowi jednokierunkowy, niskonapięciowy system, w którym izolator cyfrowy łączy interfejs SPI kontrolera z interfejsem SPI konwertera danych. Najczęściej stosowanymi izolatorami dla interfejsów SPI są ISO7231 oraz ISO7241, gdyż przeznaczono je właśnie do izolacji trzech lub czterech kanałów SPI.

Pełny izolowany interfejs RS-232 widoczny na rysunku 6 wymaga dwóch poczwórnych izolatorów ze względu na sześć sygnałów kontrolnych obecnych poza właściwymi liniami danych, RX i TX. Choć cały system jest jednokierunkowy, wymagania na wysokie napięcie symetrycznej szyny zasilania +-13 V sprawiają, że konieczne jest galwaniczne rozdzielenie łącza danych pomiędzy układem UART a niskonapięciowym układem nadawczo-odbiorczym magistrali.

Rys. 6. Izolowany interfejs RS-232

Podobnie jak w przykładzie na rysunku 6, izolacja interfejsu RS-485 zaprezentowana na rysunku 7 występuje między kontrolerem a nadajnikiem magistrali. Pomimo tego, iż cały obwód interfejsu jest systemem niskonapięciowym, różnicowy charakter transmisji na szynie wymaga uprzedniej izolacji na jednym z końców.

Rys. 7. Izolowany interfejs RS-485

Dzięki swej prostocie, schemat ukazany na rysunku 8 umożliwił włączenie funkcji izolatora do obwodu nadajnika, tworząc tym samym układ izolujący przeznaczony dla konkretnego zastosowania, o niewielkiej liczbie elementów i niskim koszcie.

Rys. 8. Zintegrowany izolator interfejsu RS-485

By uprościć wybór izolatora odpowiedniego do danego zastosowania, w tabeli 1 umieszczono wyczerpujący przegląd cyfrowych izolatorów firmy Texas Instruments.