Progettazione degli isolatori digitali: le 9 domande principali

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Se siete alla ricerca di ulteriori informazioni sugli isolatori digitali, la Community TI E2E™ ha redatto un elenco delle domande più frequenti relative alle sfide poste dalla progettazione di isolatori digitali. Speriamo che questo elenco possa fornire utili informazioni sull’isolamento di segnali e potenza.

1. Qual è la differenza fra isolatori digitali di base e rinforzati?

Gli isolatori digitali di base devono superare una serie di test conformi a norme a livello di componente, come ad esempio la DIN V VDE V 0884-11 dell’Istituto tedesco per la normazione (DIN) e dell’associazione tedesca per elettrotecnica, elettronica e informatica (VDE). La norma DIN V VDE V 0884-11 definisce i livelli di tensione a cui l’isolatore può resistere, come la tensione massima di isolamento da sovratensione, V_IOSM, la tensione massima di isolamento dai transienti, V_OITM e la tensione massima di isolamento di picco ripetitiva, V_IORM (come spiegato nel white paper «Isolamento rinforzato contro l’alta tensione: definizioni e metodologie di test»). Gli isolatore digitali rinforzati, oltre a superare questi test, devono superare un livello di test minimo per la tensione di sovratensione di 10.000 V_PK.

2. Che cosa devo sapere per scegliere un isolatore digitale?

Il primo passo consiste nel comprendere i requisiti delle specifiche di isolamento per il vostro sistema. Sebbene talvolta i requisiti possano sembrare un elenco senza fine, vi sono alcuni aspetti da considerare in merito alla struttura di isolamento comune per poter iniziare.

Tensione di tenuta dell’isolamento (V_ISO)

Tensione di esercizio (V_IOWM)

Grado di isolamento da sovratensione (V_IOSM)

Distanza superficiale/distanza di isolamento

Immunità ai transienti di modo comune (CMTI)

Consumo di potenza

Velocità dati

Dopo aver ristretto i requisiti delle specifiche del vostro isolatore digitale, il passo successivo consiste nel prendere in considerazione diverse opzioni per il package.

I package possono fare una grande differenza quando si tratta di isolamento, in quanto le dimensioni e le caratteristiche del package hanno un effetto diretto sulle capacità in alta tensione di un dispositivo. Alcuni degli stessi requisiti per alta tensione discussi in precedenza (distanza superficiale, distanza di isolamento, tensione di esercizio, tensione di picco, tensione di tenuta dell’isolamento) possono entrare in gioco nella scelta del package giusto. Un package di maggiori dimensioni con maggiore distanza di isolamento in aria e superficiale permette specifiche superiori in termini di tensione di isolamento.

Se i requisiti normativi del vostro sistema possono essere soddisfatti con un package di minori dimensioni, è possibile prendere in considerazione questa opzione per risparmiare sia spazio sulla scheda che denaro. Inoltre, potrebbe essere opportuno considerare quanti canali di isolamento sono richiesti dalla vostra interfaccia di comunicazione, in quanto un maggior numero di canali determina il tipo di package che è possibile utilizzare.

Dopo le specifiche, i requisiti e il package, è importante anche considerare quanti canali sono necessari per i segnali e in quale direzione viene inviato ciascun segnale. Ciò contribuisce a determinare il numero di canali e la configurazione di canali necessari. Inoltre, occorre considerare lo stato di output di default (o stato fail-safe) che si preferisce per il proprio progetto e che determina quale Stato predefinito, ossia high o low, viene assunto da un pin di output quando un canale di input di un isolatore digitale non è alimentato o se si lasciano liberi i pin (floating).

3. Come faccio a trovare il giusto dispositivo TI per il mio progetto?

Dopo aver chiarito i requisiti fondamentali, la Figura 1 mostra un semplice diagramma di flusso per la selezione del isolatore digitale, che può aiutare a determinare il dispositivo giusto per il proprio progetto.

Figura 1: Diagramma di flusso per la selezione dell’isolatore digitale TI

Utilizzate questo elenco per saperne di più sui dispositivi riportati nel diagramma di flusso per la selezione del isolatore digitale TI:

ISO67xx: isolamento di base rinforzato per applicazioni con attenzione ai costi.

ISO77xx: isolatori digitali di base e rinforzati.

ISO78xx: isolatori digitali rinforzati con grado di isolamento massimo, massima distanza superficiale/distanza di isolamento.

ISO70xx: isolatori digitali a bassissima potenza.

ISO73xx: isolatori digitali a bassa potenza e basso jitter.

ISO76xx: isolamento ad alta velocità, 150 Mbps.

4. È possibile alimentare i due lati di un isolatore digitale con tensioni diverse?

Sì. Gli isolatori digitali possono essere alimentati con tensioni all’interno delle condizioni di esercizio raccomandate su entrambi i lati del dispositivo. Poiché una barriera di isolamento separa i due lati, ciascun lato può essere alimentato indipendentemente con qualsiasi tensione che rientri nelle condizioni di esercizio raccomandate. Ad esempio, è possibile alimentare l’ISO6721 V_CC1 a 3,3 V (che rientra nell’intervallo fra 2,25 V e 5,5 V) e V_CC2 a 5 V (compresa anch’essa tra 2,25 V e 5,5 V). In questo modo, è possibile utilizzare l’isolatore digitale come traduttore di livello logico oltre che per fornire isolamento. I due lati dell’isolatore sono indipendenti.

5. La tensione di segnale di un isolatore digitale può essere diversa dalla sua tensione di alimentazione di potenza?

No. Le tensioni di segnale di input/output degli isolatori digitali dipendono dalla tensione di alimentazione di potenza applicata. Pertanto, affinché l’isolatore digitale sia compatibile con i dispositivi con cui si interfacce, è opportuno che le tensioni di segnale siano simili alla tensione di alimentazione di potenza dell’isolatore. Ad esempio, se l’ISO6721 è alimentato a 5 V e si interfaccia con un microcontroller (MCU), è importante che i segnali dell’MCU funzionino anch’essi a livelli logici a 5 V.

6. Qual è lo stato logico di un isolatore digitale senza segnale di input?

Quando il canale di input di un isolatore digitale non è alimentato o se i pin sono lasciati liberi (floating), il rispettivo pin di output assume uno stato predefinito (detto stato di default o stato di fail-safe), che può essere low o high a seconda del dispositivo scelto. Il suffisso «F» nel codice articolo di un dispositivo indica lo stato di default dei canali di output dell’isolatore. Ad esempio, l’assenza di una F nell’ISO7721DWR indica che lo stato di default per questo dispositivo è high. Analogamente, la F nell’ISO7721FDWR indica che lo stato di default per questo dispositivo è low.

7. Posso lasciare liberi (floating) i pin di canali inutilizzati su un isolatore digitale?

No. Gli input dei canali inutilizzati di un isolatore digitale possono essere lasciati liberi (floating) a scopo di test; tuttavia, nelle applicazioni, lasciare liberi i pin inutilizzati potrebbe rendere il prodotto meno immune al rumore.

I pin liberi (floating) mostrano una particolare tendenza al rilevamento del rumore quando il sistema è sottoposto a test di compatibilità elettromagnetica (EMC)/immunità. Per rendere il sistema immune a tale rumore, è opportuno legare gli input di canale ai rispettivi stati logici di default.

Ad esempio, per l’ISO7721DWR, è opportuno collegare il pin di input del segnale inutilizzato alla sua V_CC tramite una resistenza di pull-up (preferibilmente con una resistenza a 4,7 kΩ). Per l’ISO7721FDWR di TI la soluzione migliore è collegare il pin di input del segnale inutilizzato al suo pin GND e lasciarlo. Per entrambi i dispositivi è meglio lasciare scollegati i pin di output di tutti i canali inutilizzati.

8. Come è possibile determinare il consumo di potenza di un isolatore digitale?

È possibile calcolare il consumo di potenza di un isolatore digitale partendo dalle specifiche riportate nella sua scheda tecnica. Trovate la tabella delle Caratteristiche della corrente di alimentazione per la tensione di alimentazione in questione (2,5 V, 3,3 V, 5 V). In questa tabella, trovate la velocità dati che più si avvicina alla velocità dei segnali della vostra applicazione. La scheda tecnica elenca il consumo di corrente per quella particolare velocità dati come totale separato per ciascun lato della barriera di isolamento (I_CC1 e I_CC2). Sommando fra loro queste due correnti si ottiene il consumo di corrente totale del dispositivo in quelle condizioni di esercizio. Dividendolo per il numero di canali dell’isolatore digitale si ottiene il consumo di corrente per canale. Alcune schede tecniche indicano inoltre questa corrente di alimentazione separatamente per ciascun canale. Ad esempio, la scheda tecnica dell’ISO7041 mostra un consumo di corrente tipico di 4,2 µA nel parametro Corrente di alimentazione totale per canale, ossia la somma tra le correnti I_CC1(ch) e I_CC2(ch).

9. Come è possibile generare potenza isolata per un isolatore digitale?

Molte opzioni per generare la potenza isolata per un isolatore digitale: la soluzione migliore dipende dalle esigenze specifiche dell’applicazione.

Un’opzione consiste nell’utilizzare un driver trasformatore come il SN6501 di TI, che lavora in una configurazione push-pull con un trasformatore e con un regolatore raddrizzatore opzionale a basso dropout sul lato secondario (Figura 2). Il SN6501 è in grado di erogare fino a 1,5 W di potenza isolata. Questo dispositivo è dotato della flessibilità necessaria per essere utilizzato in quasi tutte le applicazioni, in quanto il trasformatore e il rapporto delle spire possono offrire il grado di isolamento necessario e la tensione di output per l’alimentazione di potenza. È possibile utilizzare il SN6505x anziché il SN6501 fino a 5 W di potenza di output se è necessario avere potenza isolata per ulteriori dispositivi. Il SN6505 è dotato di ulteriori caratteristiche di protezione, ad esempio da sovraccarico e cortocircuito, spegnimento termico, avviamento dolce e controllo dello slew rate, ottenendo quindi una soluzione affidabile.

Figura 2: Potenza isolata per l’ISO7741 con utilizzo del SN6501

Un’altra opzione per applicazioni con vincoli di spazio è costituita dalla famiglia ISOW78xx di dispositivi che comprende l’ISOW7841, il quale fornisce isolamento del segnale e della potenza in un package SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) a 16 pin. Questa combinazione, come mostrato in Figura 3, è compatta, non richiede un trasformatore e facilita le certificazioni.

Figura 3: Isolatore digitale con segnale e potenza integrati con utilizzo dell’ISOW7841

Quale domande abbiamo dimenticato?

Se cercate ulteriori informazioni sugli isolatori digitali o se avete domande che vorreste vedere inserite in questo elenco, lasciate un commento qui sotto e aiutateci ad aggiornare questo discorso.

Risorse supplementari

Ulteriori informazioni sulle soluzioni di isolamento di TI e sulla sua gamma di isolatori digitali.

Leggete «Considerazioni per la selezione di isolatori digitali».

I nostri isolatori sono certificati. E i vostri?

Controllate nel posto sul forum dal titolo «Come si leggono i codici articolo degli isolatori digitali di TI?»

Luke Trowbridge, Product Marketing Engineer, Texas Instruments

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