Цифровой изолятор или оптопара? На сегодняшний день оптопары являются наиболее распространенным элементом гальванической развязки в аппаратуре. Передача электрических сигналов посредством преобразования в электрически нейтральный свет и обратно в электрический сигнал является очевидным и понятным способом обеспечения гальванической развязки. Отметим, что технические характеристики отечественных оптопар сегодня застыли на месте и перестали учитывать требования современной аппаратуры. Огромный ток управления светодиодом 10 мА требует от разработчика обеспечивать оптопару отдельным драйвером. С системами с напряжением питания 3.3 В отечественные оптопары не совместимы. Также для нормальной работы оптопары нужен солидный «обвес» из токогасящих и нагрузочных резисторов и блокировочных конденсаторов. А такие проблемы оптопар как деградация излучательной способности светодиодов и поляризация компаундов, приводящая к утечкам фотоприемника до сих пор не решены. За рубежом многие изготовители полупроводников в последнее время разработали и начали серийно выпускать микросхемы гальванической изоляции, основанные на принципах индуктивной (Analog Devices), емкостной (Silicon Labs), магнитной (Broadcom) связи, что позволило резко увеличить скорость передачи данных, снизить потребление от источника питания, повысить устойчивость к синфазным помехам, исключить необходимость согласования по входным цепям, упростить и удешевить процесс изготовления изоляторов за счет исключения светодиода из конструкции. Сегодня на АО БЗПП разработана серия образцов цифровых изоляторов на основе высоковольтных конденсаторов с использованием системы импульсно-частотного кодирования логических уровней. Цифровые изоляторы полностью выполнены по радиационно-стойкой КМОП-технологии. На рис. 1 показана блок-схема одного канала такого цифрового изолятора. Рис. 1 Схема передатчика имеет 2 канала, один для передачи логического «0», другой – для передачи логической «1». Декодер приемника восстанавливает логические уровни и через выходной драйвер передает восстановленный сигнал в выходные цепи. Данная структура цифровых изоляторов обеспечивает передачу как постоянных уровней логических сигналов, так и импульсных логических сигналов. Изоляционный барьер выполнен на основе высоковольтных конденсаторов с многослойным изолятором на основе двуокиси кремния. Дифференциальная структура передатчика и приемника способствует обеспечению высокого уровня устойчивости цифровых изоляторов к синфазным быстро изменяющимся помехам по цепям изоляции. Расчетная скорость изменения напряжения изоляции – не менее 20 кВ/мкс. Диаграмма внутренних сигналов иллюстрируется рис. 2. Частотное заполнение необходимо для распознавания постоянных и медленно изменяющихся логических уровней и для обеспечения устойчивости работы при сбоях по питанию и при воздействии внешних импульсных помех. Рис. 2 Внутренняя конструкция двухканального цифрового изолятора показана на рис.3. Рис. 3 Все кристаллы выполнены по единой технологии поэтому сборка цифровых изоляторов легко поддается автоматизации в отличии от оптопар, которые собираются исключительно вручную из-за особенностей технологии монтажа кристалла светодиода. Для исключения электрического пробоя по внутренним элементам конструкции полость корпуса заполнена кремнийорганическим изоляционным компаундом. На рис. 4 приведена типовая схема включения цифрового изолятора в аппаратуре. Рис. 4 Экспериментальные образцы цифровых изоляторов имеют следующие типовые параметры (на 1 канал): — напряжение питания 3.3-5.0 В — ток потребления 1.5 мА в состоянии покоя при Епит 5.0 В 3.5 мА на частоте 3 МГц — время задержки распр. сигнала 200 нс при Епит 5.0 В при Сн=30 пФ 400 нс при Епит 3.3 В при Сн=30 пФ — время нарастания/спада вых. сигнала 20 нс при Сн=30 пФ — предельная частота 4 МГц — входной ток < 10 нА — выходной ток 5 мА — напряжение пробоя изоляции 1600 В (амплитудное значение) — рабочий диапазон температур -60…125°С Прогнозируемая радиационная стойкость цифровых изоляторов – не ниже 4Ус. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики отечественных оптопар для специальной техники и цифровых изоляторов в 2-х канальном исполнении. Таблица 1 Параметр Оптопара 249ЛП8 Цифровой изолятор Напряжение питания, В 5 3.3-5 Ток потребления, мА 24 3.5 Скорость передачи данных, Мб/с 10 4 Критическая скорость напр. изоляции, В/мкс <1 000 >20 000 Напряжение изоляции, В 1500 1500 Радиационная стойкость 3Ус 4Ус Деградация параметров при эксплуатации Есть Нет Взаимное влияние каналов Есть Нет Необходимость внешних резисторов Требуется Нет Макс. число каналов в 16-выв. корпусе 4 6 Сложность изготовления Ручная Автоматизированная Получено предварительное обозначение одноканальных и двухканальных цифровых изоляторов для серийного производства. Обозначения приведены в табл. 2 Таблица 2 Обозначение опытных образцов Присвоенное обозначение Количество каналов Напряжение питания, В КБ01 2637АХ014 1 5 КБ02 2637АХ024 2 5 КБ03 2637АХ034 2 5 КБ04 2637АХ044 2 5 КБ01-3 2637АХ014А 1 3.3-5 КБ02-3 2637АХ024А 2 3.3-5 КБ03-3 2637АХ034А 2 3.3-5 КБ04-3 2637АХ044А 2 3.3-5
