วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการแยกและประสิทธิภาพการทำงานด้วยการใช้ตัวแยกดิจิทัลขั้นสูง

ผู้ออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องรวมการแยกพลังงานและสัญญาณเพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพและปฏิบัติตามข้อกำหนดทางกฎหมายเพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้และอุปกรณ์ การแยกเส้นทางไฟฟ้ากระแสสลับสามารถทำได้อย่างง่ายดายโดยใช้หม้อแปลง การแยกรางไฟฟ้า DC ยังต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าด้วย ถึงแม้ว่าจะต้องมีวงจรไฟฟ้ามากขึ้นก็ตาม อย่างไรก็ตาม การแยกสัญญาณอนาลอกที่ถูกแปลงเป็นดิจิทัล รวมไปถึงสตรีมข้อมูลอนุกรมดิจิทัล นำมาซึ่งความท้าทายและความยุ่งยากที่แตกต่างกัน

ในกรณีนี้ เทคนิคการถ่ายโอนพลังงานที่ใช้ในการแยกสัญญาณจะต้องรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณข้ามอุปสรรคการแยกสัญญาณเพื่อรักษาประสิทธิภาพของระบบ แม้ว่าจะมีหลายวิธีในการใช้การแยกสัญญาณ แต่ผู้ออกแบบจะต้องแน่ใจว่าสัญญาณมีความสมบูรณ์ในอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นและในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงหันมาใช้อุปกรณ์แยกสัญญาณดิจิทัลที่สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ 150 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) มากขึ้น

บทความนี้จะอธิบายโดยย่อว่าเหตุใดจึงต้องมีการแยกตัว โดยเน้นย้ำถึงความจำเป็นในวงจรที่ใช้เซ็นเซอร์ จากนั้นจะพิจารณาถึงแง่มุมต่าง ๆ ของการแยกสัญญาณโดยใช้ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลล้ำสมัยจาก Analog Devices และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างไร

การแยก: แยกทำไมและแยกที่ไหน

มีหลายเหตุผลว่าทำไมจึงต้องมีการแยกในวงจรที่ใช้เซ็นเซอร์:

1. การแยกสามารถกำจัดความแปรผันของแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปและลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าบางประเภท (EMI) ให้เหลือน้อยที่สุด ช่วยให้การวัดมีความสะอาดและแม่นยำมากขึ้นโดยป้องกันไม่ให้แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนภายนอกมาทำลายสัญญาณที่รับได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถวัดสัญญาณขนาดเล็กที่มีแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปสูงได้
2. เนื่องจากความต่างศักย์ระหว่างกราวด์วงจร ลูปกราวด์จึงสามารถสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้นมา ซึ่งจะทำให้สัญญาณที่วัดได้บิดเบือนได้ การแยกส่วนทำลายลูปกราวด์
3. การแยกจะป้องกันไม่ให้เกิดไฟกระชาก แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ หรือไฟกระชากอันเป็นอันตรายไปถึงส่วนประกอบการวัดที่ละเอียดอ่อน ซึ่งจะช่วยป้องกันวงจรการวัด อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ และผู้ใช้
4. การแยกรองรับการแปลระดับที่ปลอดภัยระหว่างฟังก์ชันวงจรที่แตกต่างกัน วงจรด้านหนึ่งของแผงกั้นแยกสามารถอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าของตัวแปลงสัญญาณ ในขณะที่วงจรอีกด้านหนึ่งสามารถอยู่ที่ 3.3V หรือ 5V สำหรับสัญญาณระดับลอจิก

ตัวอย่างเช่น ในแบตเตอรี่แรงดันสูง มักจำเป็นต้องทราบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์เพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานได้อย่างปลอดภัยและทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ จะต้องวัดแรงดันไฟฟ้าข้ามเซลล์เดียวแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปสูงถึงหลายร้อยโวลต์ในสแต็กแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมก็ตาม

แม้ว่าจะสามารถใช้วงจรอนาลอกและเครื่องขยายสัญญาณแบบแยกส่วนเพื่อเอาชนะปัญหานี้ได้ แต่แนวทางดังกล่าวไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการวัดด้วยแบนด์วิดท์และความละเอียดสูงขึ้น ในขณะที่ยังคงความแม่นยำ ความเป็นเส้นตรง และความสม่ำเสมอของระบบไว้ได้

ในทางกลับกันม เทคนิคที่แม่นยำ, ประหยัด, และมีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการดำเนินการวัดเหล่านี้ คือ การแยกส่วนการวัดทั้งหมด รวมถึงตัวแปลงอนาลอกเป็นดิจิทัล (ADC) แล้วใช้ลิงก์อนุกรมแบบแยกสำหรับข้อมูลดิจิทัลไปยังส่วนที่เหลือของระบบ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การใช้ฟรอนต์เอนด์แบบแยกส่วนในการวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เดี่ยวในสแต็กแรงดันไฟฟ้าสูงช่วยเอาชนะความท้าทายของแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปได้ (ที่มาของภาพ: Analog Devices)

วิธีการนี้จะทำการแยกแรงดันไฟฟ้าร่วมของแบตเตอรี่สแต็ก ในขณะที่ป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้าที่อันตรายสูงไหลไปยังฝั่งข้อมูลหรือลูกค้าในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด

โปรดทราบว่าเมื่อใดก็ตามที่มีความจำเป็นต้องมีการแยกสัญญาณ ก็จะต้องมีการจัดหาพลังงานแบบแยกด้วย เนื่องจากรางพลังงานที่ไม่แยกจะขัดแย้งหรือขัดขวางการแยกสัญญาณ การแยกพลังงานที่จำเป็นสามารถทำได้โดยผ่านวงจรแยกพลังงานแยกต่างหาก หรือโดยใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานอิสระและแยกเดี่ยว

วิธีการให้การแยกตัว

พารามิเตอร์จำนวนมากช่วยกำหนดประสิทธิภาพการแยก ในจำนวนนี้รวมถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่แผงกั้นสามารถทนได้ก่อนที่จะล้มเหลว กฎระเบียบจะควบคุมค่าสูงสุดที่ต้องการ โดยทั่วไปคือหลายพันโวลต์ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

เทคโนโลยีที่แตกต่างกันหลายอย่างสามารถนำมาใช้เพื่อแยกสัญญาณดิจิทัลได้ ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อแบบความจุ การเชื่อมต่อแบบออปติคัล (LED และโฟโตทรานซิสเตอร์) การส่ง RF ในระดับ "ไมโคร" และการเชื่อมต่อแบบแม่เหล็ก

วิธีหลังเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้ซึ่งมีคุณลักษณะเชิงบวกมากมาย แต่ในอดีตจำเป็นต้องใช้หม้อแปลงสัญญาณที่ค่อนข้างใหญ่และมีราคาแพง สถานการณ์นั้นเปลี่ยนไปด้วยการนำเทคโนโลยี iCoupler มาจาก Analog Devices แนวทางนี้ใช้ขดลวดหม้อแปลงปฐมภูมิและทุติยภูมิขนาดชิปที่แยกจากกันด้วยแผงกั้นที่สร้างขึ้นจากชั้นฉนวนโพลีอิไมด์ (รูปที่ 2) ตัวพาความถี่สูงจะส่งข้อมูลข้ามกำแพงกั้นไปยังคอยล์รอง

รูปที่ 2: เทคโนโลยี iCoupler ใช้คลื่นความถี่สูงในการส่งข้อมูลจากขดลวดหลักไปยังขดลวดรองผ่านฉนวนโพลีอิมไดด์ที่หนา

ในการทำงาน หม้อแปลงหลักจะถูกขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ผ่านขดลวดหลักเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขนาดเล็กในพื้นที่เฉพาะที่เหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในขดลวดรอง พัลส์กระแสไฟฟ้ามีความสั้น ประมาณ 1 นาโนวินาที (1ns) ดังนั้นค่าเฉลี่ยกระแสไฟฟ้าจึงต่ำ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการใช้พลังงานต่ำ นอกจากนี้ เทคนิคการเปิด/ปิดคีย์ (OOK) ที่ใช้สำหรับการสร้างพัลส์และสถาปัตยกรรมเชิงอนุพันธ์ยังให้ความล่าช้าในการแพร่กระจายที่ต่ำมากและมีศักยภาพความเร็วสูงอีกด้วย

วัสดุโพลีเมอร์ที่ใช้ใน iCoupler ช่วยให้แยกตัวได้อย่างแข็งแกร่ง เนื่องจากวัสดุนี้มีคุณสมบัติในเกือบทุกการใช้งาน กรณีการใช้งานที่ท้าทายที่สุด เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์อุตสาหกรรมหนัก จะได้รับประโยชน์สูงสุดจากความสามารถในการทำงานนี้

โพลิอิไมด์ยังมีความเค้นต่ำกว่าซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO₂) ซึ่งเป็นวัสดุกั้นทางเลือก และสามารถเพิ่มความหนาได้ตามต้องการ ในทางตรงกันข้าม ความหนา_{ของ SiO2} และด้วยเหตุนี้ ความสามารถในการแยกจึงมีจำกัด แรงเครียดที่ความหนามากกว่า 15 ไมโครเมตร (μm) อาจทำให้เวเฟอร์แตกร้าวในระหว่างการประมวลผล หรือเกิดการแยกตัวออกตลอดอายุการใช้งานของตัวแยก ไอโซเลเตอร์ดิจิทัลโพลิอิไมด์ใช้ชั้นไอโซเลเตอร์ที่มีความหนาถึง 26μm

Analog Devices นำเสนอตัวแยกดิจิทัล iCoupler ที่ใช้หม้อแปลงหลากหลายชนิด ในจำนวนนี้ มีตัวแยก 3000V rms, ADUM341E0BRWZ - RL และ ADUM342E1WBRWZ สำหรับอินเทอร์เฟซ CAN, RS-485 และ SPI

ตัวแยกดิจิทัลทั้งสามนี้เรียกรวมกันว่าอุปกรณ์ ADuM34xE ซึ่งแตกต่างกันหลักๆ ในเรื่องทิศทางของช่องสัญญาณ ADuM340E มีช่องสัญญาณไปข้างหน้า 4 ช่อง ADuM341E มีช่องสัญญาณไปข้างหน้า 3 ช่องและช่องสัญญาณถอยหลัง 1 ช่อง และ ADuM3421 มีช่องสัญญาณไปข้างหน้า 2 ช่องและช่องสัญญาณถอยหลัง 2 ช่อง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลสี่ช่องจำนวน 3 ตัวในซีรีย์ ADuM34xE มีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน แต่แตกต่างกันในทิศทางของช่องสัญญาณ (ที่มาของภาพ: Analog Devices)ส

ตัวแยกสัญญาณทั้งสามตัวนั้นมีให้เลือกใช้โดยสามารถเลือกได้ 2 โหมดป้องกันความผิดพลาด (รูปที่ 4): สถานะเอาต์พุตจะถูกตั้งเป็นต่ำ หากด้านอินพุตปิดหรือไม่ทำงาน (ป้องกันความผิดพลาดระดับต่ำ) หรือสถานะเอาต์พุตจะถูกตั้งเป็นสูง หากด้านอินพุตปิดหรือไม่ทำงาน (ป้องกันความผิดพลาดระดับสูง) วิธีนี้ช่วยให้ตัวแยกสามารถกลับไปสู่สถานะที่ทราบได้เมื่อใช้งานในแอปพลิเคชันที่สำคัญ

รูปที่ 4: แสดงแผนผังบล็อกการทำงานของช่องสัญญาณเดียวของอุปกรณ์ ADuM34xE ที่แสดงตัวเลือกความปลอดภัยต่ำ (ด้านบน) และความปลอดภัยสูง (ด้านล่าง) (ที่มาของภาพ: Analog Devices)

โปรดทราบว่าไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างแหล่งจ่ายไฟด้านอินพุต (พิน V_DD1 ในรูปที่ 3) และด้านเอาต์พุต (V_DD2) สามารถทำงานพร้อมกันได้ในทุกแรงดันไฟฟ้าภายในช่วงการทำงานและลำดับที่ระบุ คุณลักษณะนี้จะช่วยให้ตัวแยกสามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นลอจิก 2.5V, 3.3V และ 5V เป็นต้น

ความแตกต่างของคุณลักษณะประสิทธิภาพของ ADuM34xE

แรงดันแยกที่สูง ความเร็วสูง กำลังไฟต่ำ และความล่าช้าในการแพร่กระจายต่ำของตัวแยก ADuM34xE นั้นมีการใช้งานโดยตรง แต่สถาปัตยกรรมของตัวแยกนี้มีข้อได้เปรียบที่ละเอียดอ่อนกว่าซึ่งนักออกแบบสามารถใช้ได้ ตัวอย่างเช่น การใช้พลังงานรวมจะปรับขนาดตามความถี่ในการทำงาน และความต้องการพลังงานจะแปรผันตามความเร็วการทำงานของอุปกรณ์โดยประมาณ ดังนั้นช่องที่ไม่ได้ใช้งานหรือที่สลับด้วยความเร็วต่ำมากจะใช้พลังงานน้อยมาก ผลลัพธ์คือการลดการใช้พลังงานลงเมื่อเทียบกับเทคนิคการแยกแบบอื่นถึงหนึ่งถึงสองเท่า

นอกจากนี้ หลังจากที่ผู้ออกแบบได้กำหนดอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาอนุกรมสูงสุดสำหรับแอปพลิเคชันแล้ว ก็สามารถเลือกแหล่งจ่ายไฟแยกที่เกี่ยวข้องเพื่อให้กระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะรองรับอัตราดังกล่าวได้ โดยไม่จำเป็นต้องกำหนดค่าเกินกว่าค่าสูงสุดของตัวแยก

เนื่องจากความสำคัญของการกำหนดเวลาและความล่าช้าในการแพร่กระจายในลิงก์อนุกรมความเร็วสูง จึงควรทราบว่าประสิทธิภาพของตัวแยกสัญญาณดิจิทัลจะไม่ลดลงหรือเปลี่ยนแปลงตามเวลาและอุณหภูมิ ในขณะที่ค่าจิตเตอร์เป็นปัญหาน้อยลงที่อัตราการส่งสัญญาณต่ำซึ่งมีข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับช่วงเวลาของคลื่น แต่ที่อัตราข้อมูลที่สูงกว่า ค่าจิตเตอร์ตามระยะเวลาจะกลายเป็นเปอร์เซ็นต์ที่สำคัญของช่วงเวลาของสัญญาณ การเลือกใช้ไอโซเลเตอร์ที่มีค่าจิตเตอร์ต่ำที่สุดจะช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และประสิทธิภาพของวงจรแยกได้

เนื่องจากลักษณะเฉพาะเหล่านี้ของสถาปัตยกรรม iCoupler แผ่นข้อมูลอุปกรณ์จึงกำหนดการใช้พลังงานต่ำสุดและสูงสุดที่รับประกัน ความล่าช้าในการแพร่กระจาย และข้อกำหนดการบิดเบือนพัลส์ตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานทั้งหมดตั้งแต่ -40°C ถึง +125°C สำหรับนักออกแบบ การมีข้อมูลจำเพาะที่ครบถ้วนเหล่านี้ทำให้การคำนวณที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของระบบในกรณีเลวร้ายที่สุดเป็นเรื่องง่ายขึ้น

ด้วยจำนวนที่รับประกันของตัวแยกสัญญาณดิจิทัลที่เกี่ยวข้องกับความล่าช้าในการแพร่กระจาย (สูงสุด 10ns (รูปที่ 5), การเอียง (skew) และการจับคู่ระหว่างช่องสัญญาณ (channel-to-channel matching) สามารถทำการจำลองและประเมินข้อกำหนดเวลาระบบระดับสูงได้เช่นเดียวกับวงจรดิจิทัล IC อื่นๆ

รูปที่ 5: เทคโนโลยี iCoupler ส่งผลให้ค่าความล่าช้าในการแพร่กระจายต่ำมากและมีลักษณะครบถ้วนที่น้อยกว่า 10ns ตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานเต็มรูปแบบ (ที่มาของภาพ: Analog Devices)

ภูมิคุ้มกันชั่วคราวโหมดทั่วไป (CMTI) เป็นข้อกำหนดที่น้อยคนจะรู้จักและมักมองข้าม การสลับอย่างต่อเนื่องในแอพพลิเคชั่นแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น วงจรการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และ EV ไฮบริด (HEV) ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ และไดรฟ์มอเตอร์ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโหมดทั่วไป เช่น เสียงเรียกเข้าและเสียงรบกวน เทคโนโลยีการแยกตัวในอุปกรณ์ ADuM34xE ใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรมหม้อแปลงแบบแตะตรงกลางแบบติดกันซึ่งมอบเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำลงสู่กราวด์เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนที่ด้านใดด้านหนึ่งของแผงกั้นการแยกตัว ซึ่งช่วยให้สามารถบรรลุค่า CMTI ที่ 100 กิโลโวลต์ต่อไมโครวินาที (kV/µs) (ขั้นต่ำ) ซึ่งช่วยเพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณที่แยกได้อย่างมีนัยสำคัญ

นักออกแบบที่คุ้นเคยกับแม่เหล็กอาจกังวลว่าตัวแยกสัญญาณเหล่านี้จะได้รับผลกระทบจากการรบกวนทางแม่เหล็กซึ่งอาจทำให้พัลส์ส่งสัญญาณข้ามตัวกั้นสัญญาณเสียหาย ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดได้ ข้อกังวลนี้ไม่ถูกต้อง เนื่องจากรัศมีขนาดเล็กและแกนอากาศของหม้อแปลงหมายถึงต้องใช้สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่มากหรือความถี่สูงมากจึงจะทำให้เกิดความผิดพลาดได้ ตัวแยกดิจิทัลไม่ได้รับผลกระทบจากกระแส 500 แอมแปร์ (A) ที่ 1 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ในสายที่ห่างจากอุปกรณ์เพียง 5 มิลลิเมตร (mm)

การประเมินตัวแยกสัญญาณดิจิตอล

แม้ว่าฟังก์ชันการทำงานของตัวแยกเหล่านี้จะตรงไปตรงมา แต่การนำไปใช้งานต้องใส่ใจในรายละเอียด เช่น การจัดวางแผง เพื่อให้แน่ใจว่าความสามารถในการแยกแรงดันไฟฟ้าสูงและการทำงานความเร็วสูงจะไม่ลดลง

เพื่อช่วยให้นักออกแบบใช้งานและประเมินอุปกรณ์ได้ Analog Devices จึงนำเสนอบอร์ดประเมินอินเทอร์เฟซไอโซเลเตอร์ดิจิทัล EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler (รูปที่ 6) บอร์ดนี้มีตำแหน่งและเค้าโครงสำหรับไอโซเลเตอร์แต่ละตัว รวมถึงตำแหน่งที่ยังไม่ได้ระบุตำแหน่งที่สี่ บอร์ดนี้มีร่องรูปตัววีระหว่างส่วนประกอบแต่ละชิ้น (U1 ถึง U4) เพื่อให้ผู้ใช้แบ่งบอร์ดออกเป็นส่วนๆ และตรวจสอบอุปกรณ์เฉพาะบนแผงทดลองหรืออุปกรณ์ทดสอบที่คล้ายคลึงกัน

รูปที่ 6: บอร์ดประเมินผล EVAL-ADuM34XEEBZ รองรับอุปกรณ์ ADuM34xE ทั้งสามรุ่นและมีตำแหน่งเปิดสำหรับให้ผู้ใช้เลือกอุปกรณ์ที่เข้ากันได้กับพินเอาต์ (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

บอร์ด EVAL-ADuM34XEEBZ ปฏิบัติตามหลักการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ที่เหมาะสม ซึ่งรวมถึงระนาบกราวด์ที่แต่ละด้านของแผงกั้นแยก การประเมินอุปกรณ์ iCoupler โดยใช้บอร์ดนี้ต้องการเพียงออสซิลโลสโคป เครื่องกำเนิดสัญญาณ และแหล่งจ่ายไฟ 2.25V ถึง 5.5V เท่านั้น

บทสรุป

จำเป็นต้องมีการแยกสัญญาณในรูปแบบต่างๆ มากมายเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ เพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้และอุปกรณ์ และเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดทางกฎหมาย อุปกรณ์แยกดิจิทัลที่ใช้เทคโนโลยีการจับคู่แม่เหล็ก iCoupler จาก Analog Devices มอบโซลูชันความเร็วสูงที่ใช้งานง่ายและเชื่อถือได้ ข้อมูลจำเพาะหลัก ได้แก่ การเสื่อมสภาพน้อยที่สุดตามกาลเวลาและอุณหภูมิ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในระยะยาว