Izolacja poszczególnych bloków funkcjonalnych urządzenia jest istotna nie tylko ze względu na bezpieczeństwo. Rozwiązania takie stosuje się także w celu poprawienia jakości sygnału przesyłanego między blokami. Jest to dość skuteczna metoda redukcji szumów pozwalająca unikać niepożądanych pętli masy stanowiących spory problem dla konstruktorów PCB. 

W artykule zostanie opisany izolowany interfejs cyfrowy ezLINX obejmujący warstwy fizyczne 8 różnych standardów wykorzystywanych do łączenia urządzeń elektronicznych. Są to: USB, RS-485, RS-422, CAN, RS-232, SPI, I²C i LVDS. Interfejs został oparty na układach pełniących funkcję pełnej izolacji sygnałów cyfrowych – iCoupler, a także zapewniających izolowane zasilanie obu stron interfejsu – isoPower. Układy zostały opracowane przez Analog Devices. Płytka demonstracyjna zawiera procesor Blackfin BF548.

Technologia jak z powieści SF

Najprostszą, i do niedawna niemal wyłącznie stosowaną technologią zapewnienia galwanicznej izolacji dwóch współpracujących ze sobą urządzeń była optoizolacja, najczęściej realizowana przy użyciu dyskretnych transoptorów. Elementy te charakteryzują się jednak stosunkowo małą szybkością przełączania, więc wykonanie szybkich interfejsów zawsze było dość poważnym wyzwaniem dla konstruktorów. Jeszcze większym problem jest zapewnienie zasilania po stronie izolowanej, należy pamiętać, że interfejs pracuje bez wspólnego punktu odniesienia dla wejść i wyjść (rys. 2). Jeżeli napięcie takie jest wymagane, stosowana jest zwykle odpowiednia przetwornica DC-DC. Rozwiązanie takie wymaga jednak uwzględnienia dodatkowych elementów oraz miejsca na płytce.

Rys. 2. Interfejs z izolacją galwaniczną sygnałów

Wydawać by się mogło, że metoda optyczna jest jedyną, jaką można zastosować do realizacji izolowanych interfejsów sygnałów cyfrowych, a już na pewno pomysł z zastosowaniem transformatorów musiałby co najwyżej wzbudzić uśmiech politowania dla jego autorów. A jednak…

Niesamowite, na pozór nierealne pomysły okazują się w wielu przypadkach skuteczne. Przekonaliśmy się o tym, gdy elektroniczne czujniki różnych wielkości fizycznych wykonywane w technologii MEMS trafiły do powszechnego użytku. Elementy te bardzo szybko zyskały popularność, i dziś są trudno by było wyobrazić sobie działanie bez nich wielu urządzeń. Przypomnijmy, że są to elementy, w których w spektakularny sposób połączono działanie mikro-, a właściwie nanomechanizmów z elektroniką. Całość mieści się w stosowanych powszechnie obudowach układów scalonych przeznaczonych do montażu powierzchniowego.

Na równie szalony pomysł wpadli konstruktorzy Analog Devices, którzy opracowali technologię produkcji izolowanych interfejsów cyfrowych, nazwaną iCoupler. Chip takiego elementu zawiera strukturę CMOS oraz… kilka mikrotransformatorów zapewniających galwaniczną separację obwodów wyjściowych od wejściowych. Mimo małych rozmiarów (układy są produkowane w obudowach SOIC i QSOP) rozwiązanie takie gwarantuje izolację rzędu 5 kV. Jakby tego było mało, stosując układy iCoupler można w wielu przypadkach bez dodatkowych elementów zewnętrznych realizować izolowane zasilanie obwodu wyjściowego, co jest możliwe dzięki technologii isoPower implementowanej także w układach iCoupler. Technologia jest na tyle ciekawa, że warto się jej przyjrzeć bliżej.

Przekrój układu iCoupler przedstawiono na rys. 3. Znaczną część chipu zajmuje maleńka płytka z umieszczonymi na niej transformatorami. Subminiaturowe wymiary tych elementów pozwalają na pracę z częstotliwościami przełączania dochodzącymi nawet do 300 MHz. Jest to wbrew teorii obowiązującej dla klasycznych transformatorów z rdzeniem ferromagnetycznym, dla których straty w rdzeniu przy wysokich częstotliwościach są na tyle duże, że uniemożliwiają jakąkolwiek pracę. Transformatory układów iCoupler nie zawierają jednak rdzenia ferromagnetycznego, więc podobne ograniczenia ich nie dotyczą. Uzwojenia są nawinięte posrebrzanym drutem o grubości 6 ?m na poliamidowym 20 mikrometrowym karkasie. Konstrukcja ta zapewnia izolację nie mniejszą niż 5 kV. Dodatkowa podkładka pod transformatorami o grubości 5 ?m, także wykonana z poliamidu oraz inne rozwiązania technologiczne zapewniają minimalizację pojemności pasożytniczych i strat w podłożu. W zależności od liczby kanałów obsługiwanych przez danych typ układu, w jednym chipie może znajdować się kilka takich transformatorów. Przykładowe rozwiązanie przedstawiono na fot. 4.

Rys. 3. Przekrój transformatora układu iCoupler

Rys. 4. Widok z góry na transformatory układu iCoupler

Konstrukcja układów iCoupler i zastosowane w nich technologie bez dokładnej analizy mogą budzić pewne wątpliwości. Okazuje się jednak, że dobroć uzwojeń transformatorów przy częstotliwości 300 MHz jest rzędu 15…20, co jest wartością wystarczającą do transformacji mocy wymaganej do działania interfejsu. Zupełnie innym zagadnieniem jest przenoszenie sygnałów cyfrowych o dużych częstotliwościach przez transformatory. Wydaje się to zupełnie niemożliwe i ileś prawdy w takim stwierdzeniu jest. W układach iCoupler zastosowano jednak dość sprytne rozwiązanie, dzięki któremu możliwe stało się ominięcie istotnych ograniczeń. W przeciwieństwie do optoizolatorów, układy iCoupler zawierają wbudowaną część elektroniczną wykorzystywaną do prawidłowego „transformowania” sygnału cyfrowego. Co więcej, oryginalny sygnał cyfrowy podawany na wejście właściwie nawet nie dociera do transformatora. Transformowane są de facto bardzo krótkie impulsy o szerokości 1 ns generowane przez odpowiednio zaprojektowany układ elektroniczny, w chwilach odpowiadających występowaniu zboczy sygnału cyfrowego. Na narastającym zboczu do transformatora są podawane dwa impulsy, a na opadającym jeden. Schemat całego toru sygnału cyfrowego zastosowanego w izolatorach iCoupler przedstawiono na rys. 5. Układ jest stosunkowo prosty. Oparto go na nieretrygowalnych przerzutnikach monostabilnych ustawiających wyjście w stan wysoki jeśli zostaną wykryte dwa impulsy, i w stan niski po wykryciu jednego impulsu. Zapewniono jednocześnie wytworzenie pary impulsów regenerujących, gdy wejście przez dłuższy czas pozostaje w stanie wysokim. Dzięki temu, zostaje również utrzymany stan wysoki na wyjściu. Zastosowana metoda pozwala „przepuszczać” przez transformatory sygnały cyfrowe nawet o dużych częstotliwościach, a więc doskonale nadaje się do wykorzystania w szybkich szeregowych interfejsach komunikacyjnych z izolacją galwaniczną.