Гальваническая развязка: способы, параметры и расчёт

Зачем нужна развязка

Безопасность. Барьер защищает человека и низковольтную электронику от опасного напряжения. TI приводит два примера: медицинский прибор, где даже малый ток через пациента опасен, и измерение высокого напряжения, где датчик под потенциалом, а обработка — на безопасной стороне (SLLA198, разд. 2).

Земляные петли. Удалённые узлы питаются от разных частей электроустановки, и их земли расходятся по потенциалу. Если соединить их проводом, по нему потечёт уравнивающий ток, который наводит синфазную помеху в линии данных; если не соединять — разность может выйти за синфазный диапазон приёмника (SLLA272, разд. 11). Развязка разрывает петлю: напряжение помехи падает на высоком сопротивлении барьера, а не на входе приёмника (SLLA198, разд. 2). Подробно о петлях — в словарной статье «Земляная петля».

Сигналы на «плавающем» потенциале. Драйвер верхнего ключа моста, датчик тока в силовой шине, ячейка батареи в стеке: их «земля» движется на сотни вольт относительно управляющей схемы. TI называет управление верхними ключами в приводах и преобразователях одной из основных задач изоляторов (SLLA284, разд. 2).

Насколько строгой должна быть изоляция, определяет её назначение (TI SLLA353, разд. 1.1; SLYY063):

Vishay формулирует практическое правило для оптопар так: между опасной цепью (например, сетью) и доступной для прикосновения безопасной низковольтной цепью (SELV) нужна усиленная изоляция, между опасной цепью и недоступной низковольтной (ELV) — основная (AN42).

Способы развязки

Оптопары

Светодиод и фотоприёмник в одном корпусе, между ними — прозрачный изолятор. Свет не боится внешних электрических и магнитных полей, и оптопара передаёт постоянный уровень без модуляции; минусы — скорость, потребление и деградация светодиода (SLLA198, разд. 3.1). Устройство и типы — в статье «Оптопары».

У оптопары с фототранзистором главный параметр — CTR, отношение тока коллектора к току светодиода. Он зависит от тока светодиода, напряжения на транзисторе и температуры, а со временем падает: излучение светодиода слабеет. Насколько — производители оценивают по-разному. Vishay в AN45 закладывает 20 % за 10 лет, Sharp в даташите PC817 советует учитывать общую деградацию инфракрасных светодиодов в 50 % за 5 лет. Срок службы, по Vishay, зависит от тока светодиода и длительной температуры (FAQ, вопрос 11), поэтому «поднять ток с запасом» — палка о двух концах.

Разброс CTR у одного типа огромен. У LTV-817 Lite-On делит выпуск на ранги от L (50–100 %) до D (300–600 %) при токе 5 мА. У PC817 в таблице модельного ряда ток коллектора при 5 мА — от 2,5 до 30 мА, то есть 50–600 %, хотя на первой странице того же документа написано 50–400 % (наше наблюдение по даташиту Sharp OP18002EN): расчёт ведут по таблице и рангу, который указан в заказе.

Скорость у оптопары с фототранзистором — единицы и десятки микросекунд: у 4N35 типично 10 мкс на включение и выключение при нагрузке 100 Ом, и время растёт с сопротивлением нагрузки (Vishay 83717, рис. 13). Быстрые оптопары с логическим выходом, такие как 6N137, передают 10 Мбод с задержкой до 100 нс, но им нужен ток светодиода 5–15 мА и питание выходной стороны (Vishay 84732).

Цифровые изоляторы

Вместо света — высокочастотный сигнал через миниатюрный конденсатор или трансформатор на кристалле. Барьер у изоляторов TI — конденсаторы с диэлектриком из диоксида кремния (SLLA284, разд. 1). Конденсатор и трансформатор не пропускают постоянный уровень, поэтому сигнал модулируют: в архитектуре с передачей фронтов быстрые изменения идут через один канал, а медленные — через второй, с ШИМ-модуляцией несущей; в архитектуре OOK одно логическое состояние передаётся наличием несущей, другое — её отсутствием (SLLA284, разд. 1.1–1.2).

TI сравнивает два варианта связи так. Индуктивная связь энергетически эффективна и может различать синфазную помеху и полезный дифференциальный сигнал, но чувствительна к внешним магнитным полям — например, рядом с двигателями. Ёмкостная связь к магнитным полям нечувствительна, зато сигнал и помеха идут одним путём, и частота несущей должна быть намного выше частоты помех (SLLA198, разд. 3.2–3.3).

Цифровой изолятор — это два питания и две земли, по одному на каждую сторону. Каналы однонаправленные, несимметричные (single-ended), с уровнями КМОП, и TI подчёркивает, что изоляторы не соответствуют стандартам интерфейсов: стандарты выполняют изолированные трансиверы (SLLA284, разд. 2). Направление каналов задано типом микросхемы: ISOW7840–ISOW7844 выпускаются в одном корпусе и различаются числом прямых и обратных каналов — у ISOW7841 три в одну сторону и один обратно.

Трансформаторы и изолированное питание

Сигнальный изолятор развязывает только сигналы: изолированной стороне нужно своё питание. Его дают трансформатором — принцип и расчёт описаны в статье «Трансформаторы». Для маломощного питания интерфейсов TI предлагает драйвер SN6501: двухтактный ключ на маленький трансформатор с отводом от середины, от 5 В — до 350 мА в первичной обмотке; на выходе рекомендуется LDO (SN6501, с. 1, разд. 8.2). Другой путь — изолятор со встроенным преобразователем: ISOW7841 отдаёт до 0,65 Вт через трансформатор внутри корпуса (SLLSEY2G, с. 1).

Изолированные усилители и АЦП

Аналоговый сигнал через барьер передают двумя способами. Изолированный усилитель AMC1301 принимает напряжение с шунта в пределах ±250 мВ и отдаёт его на безопасную сторону с усилением 8,2. Изолированный модулятор AMC1306 вместо напряжения передаёт поток битов дельта-сигма модулятора; из него цифровой фильтр в микроконтроллере делает отсчёты — по TI 16 бит при 78 тыс. отсчётов в секунду (SBAS667G, SBAS734D). Обоим нужно питание на стороне высокого напряжения.

Изолированные интерфейсы

RS-485. Изоляцию ставят между контроллером и трансивером: на обычном изоляторе с отдельным трансивером или на трансивере со встроенным барьером (SLLA284, разд. 2). Встроенный барьер не отменяет изолированного питания: у ISO3082 сторона шины питается отдельно, и TI предлагает для неё SN6501 (SLOS581J, разд. 10). В сети с изоляцией TI советует оставить неизолированным только один узел — он задаёт опорную землю всей шины (SLLA272, разд. 11). Как устроена шина — в статье «RS-485».

CAN. ISO1042 — трансивер CAN с барьером на 5000 В ср. кв. и рабочим напряжением 1060 В ср. кв.; сторону шины питают от изолированных 4,5–5,5 В (SLLSF09F).

I²C. Линия SDA двунаправленная и с открытым стоком, а каналы обычного изолятора однонаправленные — поэтому для I²C выпускают отдельные изолированные буферы, в таблице TI это семейство ISO16xx (SLLA284, табл. 3-1; вывод о двунаправленности — наш).

Сравнение

Значения — из даташитов (DW-16 у ISO7741, 5 В); «—» означает, что производитель параметр не указывает.

Строка «Старение» у 6N137 — наш вывод: у оптопары с логическим выходом слабеющий светодиод приближает ток срабатывания к рабочему; численно Vishay это не нормирует.

Параметры изоляции в даташите

Строк изоляции в даташите много, и у каждой своя длительность воздействия (TI SLLA353; SLLA284, разд. 3.1):

Для синусоиды VIORM и VIOWM связаны как пик и действующее значение (SLYY063): у ISO7741 1500 В ср. кв. × √2 ≈ 2121 В пик. (наш пересчёт). Сетевые 230 В — это 325 В пикового значения.

Как испытывают. По описанию TI, VIOTM при сертификации проверяют 60 с, а в производстве каждый прибор — 1 с при VIOTM, после чего измеряют частичные разряды при 1,875·VIORM: они говорят о дефектах внутри изоляции (SLYY063). В даташите ISO7741 производственное испытание (метод b1) указано строже — 1 с при 1,2·VIOTM (табл. 5.6). VISO по UL 1577 — минута при сертификации и 1 с при 1,2·VISO в производстве (SLYY063; ISO7741, табл. 5.6). Рабочее напряжение подтверждают ускоренными испытаниями на пробой со временем (TDDB): у ISO7741 расчётный срок — 20 лет, а для сертификата усиленной изоляции VDE требует запас: 30 лет при напряжении на 20 % выше рабочего (SLLSEP4K, разд. 8.2.3.1).

Основная или усиленная. По описанию TI, сделанному по редакции VDE 0884-10, компонент можно назвать усиленным, только если он выдержал импульсное испытание выше 10 кВ, а заявленный VIOSM подтверждают импульсом 1,3·VIOSM для основной изоляции и 1,6·VIOSM для усиленной (SLYY063). В даташитах по новой норме импульсных строк две: VIMP — испытание корпуса в воздухе, VIOSM — самого барьера в масле, не меньше 1,3·VIMP; у ISO7741 в корпусе DW-16 это 8000 и 12 800 В (табл. 5.6). Нормы, по которым это проверяют, в даташитах названы так: компонентные — DIN EN IEC 60747-17 (VDE 0884-17) у изоляторов TI, DIN V VDE V 0884-11 в даташите ISOW784x 2021 года, DIN EN 60747-5-5 у оптопар Vishay и Lite-On, UL 1577 для VISO; на изделие — IEC 62368-1, IEC 61010-1, IEC 60601-1. Требуемые путь утечки и воздушный зазор, по сноске TI, задаёт стандарт на конкретное изделие (ISO7741, табл. 5.6, сноска 1); он же определяет, какой класс изоляции нужен.

Путь утечки и зазор. Путь утечки — по поверхности изоляции, воздушный зазор — по воздуху (SLLA353). Путь утечки зависит от CTI материала и загрязнения: чем выше CTI, тем меньше требуемое расстояние. Материалы делят на группы: I — CTI от 600, II — 400–600, IIIa — 175–400, IIIb — 100–175. Минимальные расстояния задают стандарты на изделие — по рабочему напряжению, пиковому перенапряжению и импульсу (SLLA284, разд. 3.1); в таблице изоляции ISO7741 рядом с расстояниями указаны категории перенапряжения по IEC 60664-1, для которых годится корпус. Vishay в AN71 называет высоту над уровнем моря единственным фактором для воздушного зазора — это верно лишь в том смысле, что при заданных напряжениях высота меняет требуемый зазор; само требование определяют напряжения (наше уточнение). У ISO7741 оба расстояния больше 8 мм в корпусе DW-16, больше 21,2 мм в широком DUW-16 и всего 3,7 мм в маленьком DBQ-16; у 4N35 — от 7 мм. Подробнее о строках VISO, VIORM и VIOTM — в словарной статье «Напряжение изоляции».

Стойкость к синфазным помехам. CMTI — допустимая скорость изменения напряжения между землями сторон, при которой выход не сбивается (SLLA284, разд. 3.1). Физика простая: скачок прокачивает через ёмкость барьера ток

Через 1 пФ барьера ISO7741 при 100 кВ/мкс течёт 100 мА, через 4 пФ 6N137 при 1 кВ/мкс — 4 мА (наш расчёт). Схема изолятора должна отличить такой ток от сигнала. В быстрых оптопарах для этого ставят прозрачный проводящий экран между светодиодом и приёмником (Vishay AN71), в изоляторах TI — дифференциальную передачу через барьер и цепи формирования сигнала, которые улучшают подавление синфазной помехи (SLLA284, разд. 1.1–1.2). В приводах с ключами на сотни вольт фронты быстрые, поэтому CMTI выбирают с запасом.

Задержка и перекос. Задержка важна, когда сигнал идёт через барьер туда и обратно — как в SPI — или входит в контур регулирования. Перекос — когда такт и данные идут по разным каналам и их взаимное положение важно (SLLA284, разд. 3.1). У ISO7741 при 5 В задержка 6–17 нс, разница между каналами одной микросхемы — до 4 нс, между разными микросхемами — до 4,4 нс (табл. 5.15). Фильтр помех в изоляторе повышает устойчивость, но увеличивает задержку и снижает скорость (SLLA284, разд. 3.1).

Пример: SPI через изолятор (наш расчёт). Ведущий выставляет такт, тот проходит барьер, ведомый отвечает, ответ возвращается через второй канал. Только сами изоляторы дают 2 × 17 = 34 нс. Если ведущий читает данные через полпериода такта, полпериода должно быть больше этой задержки — частота такта ниже примерно 14,7 МГц ещё до учёта задержки выхода ведомого и времени установки ведущего.

Потребление. Изоляторы на модуляции потребляют и в покое; ток растёт со скоростью. ISO7741 при 3,3 В и 1 Мбит/с — около 3,2 мА на стороне 1 и 2,7 мА на стороне 2, при 100 Мбит/с — 8 и 15 мА (табл. 5.12).

Состояние по умолчанию. Если пропало питание входной стороны, выход изолятора переходит в заданное состояние: у ISO774x — высокое, у версии с суффиксом F — низкое, примерно за 0,1–0,3 мкс (с. 1, табл. 5.15). Вариант выбирают так, чтобы при отказе питания нагрузка выключалась.

Как читать даташит изолятора

1. Назначение барьера. Функциональная, основная или усиленная изоляция нужна по стандарту на изделие? Есть ли сертификат на усиленную изоляцию по компонентной норме (VDE 0884-17, DIN EN 60747-5-5) и по UL 1577?
2. Рабочее напряжение. Сравните VIOWM и VIORM с реальным напряжением между сторонами с учётом пиков — не VISO.
3. Перенапряжения. VIOTM и VIOSM — против перенапряжений, которые допускает категория установки.
4. Расстояния. CLR и CPG корпуса не меньше требуемых стандартом; на плате их нельзя уменьшить площадками.
5. CMTI. Минимальное значение, не типичное, и при каком напряжении скачка его проверяли.
6. Скорость и время. Максимальная задержка, перекос, искажение длительности импульса при вашем питании и температуре.
7. Питание. Ток каждой стороны на вашей скорости и откуда берётся питание изолированной стороны.
8. Поведение при отказе. Состояние выхода без питания входной стороны.
9. Для оптопары — минимальный CTR вашего ранга при вашей температуре, кривые насыщения и деградация светодиода.

Развязка на печатной плате

Барьер работает, только если плата его не закорачивает:

• Под изолятором — ничего. TI требует держать пространство под изолятором свободным от дорожек, переходных отверстий и площадок на всех слоях, чтобы не уменьшить путь утечки (SLLA284, разд. 4.3). Vishay для импульсных блоков питания пишет то же: расстояние между сетевой и низковольтной зоной соблюдают не только у выводов, но и на всех слоях между ними (AN42).
• Площадки не съедают расстояние. Посадочное место под изолятор не должно уменьшать путь утечки и зазор корпуса (ISO7741, табл. 5.6, сноска 1). Vishay приводит для импульсных БП ориентир 8 мм для сети 250 В — для этого у оптопар есть исполнения с широким шагом выводов 0,4 дюйма (AN42, 2011; конкретную норму берите из действующего стандарта на изделие).
• Прорезь. Если расстояния не хватает, в плате прорезают щель: путь утечки по плате заменяется воздушным зазором через щель, но путь утечки по корпусу микросхемы остаётся (Vishay AN71). Для канавки шире 1 мм TI даёт правило: имеющийся путь утечки плюс ширина канавки и две её глубины должны быть не меньше требуемого пути (SLLA284, разд. 4.3).
• Две земли — два полигона. Каждая сторона разводится на своём опорном полигоне, полигоны не пересекают зону барьера. Для быстрых изоляторов TI рекомендует четыре слоя: быстрые сигналы, земля, питание, медленные сигналы (SLLA284, разд. 4.2).
• Блокировка питания. Конденсатор 0,1 мкФ у выводов питания с каждой стороны, как можно ближе к выводам (ISO7741, разд. 8.3; Vishay AN71 для 6N137).

Типичные ошибки

• Общий провод через барьер. Земли сторон соединили перемычкой, экраном кабеля или общим полигоном «для надёжности» — петля восстановлена, а при сетевой стороне опасный потенциал выходит на безопасную. Изолированной стороне — своё питание и своя земля.
• Конденсатор поперёк барьера. Y-конденсатор между сетевой и низковольтной частью ставят ради подавления помех, но через него течёт ток с частотой сети — поэтому, например, корпус прибора без заземления слегка щиплет (разбор с расчётом). Если такой конденсатор нужен, это конденсатор класса Y с номиналом и классом, которые допускает стандарт на изделие, а не обычная керамика (классы X и Y). На барьере сигнального изолятора лишний конденсатор, кроме того, добавляет ёмкость: по формуле выше растёт ток синфазных помех (наш вывод).
• VISO вместо рабочего напряжения. Строка 5000 В — испытание; длительно допустимо VIORM или VIOWM, у 6N137 — 630 В пик.
• Оптопара на слишком малом токе. Sharp предупреждает, что при токе светодиода меньше 1 мА разброс CTR растёт; у 6N137 порог срабатывания — до 5 мА, и на 3 мА часть экземпляров может не переключиться. Расчёт ведут по минимальному CTR с запасом на температуру, насыщение и старение — пример ниже.
• Расчёт по типичному CTR. Типичный CTR — середина распределения; на него можно попасть одним экземпляром, но не партией.
• Изолятор без изолированного питания. Сигнальный барьер есть, а сторона шины питается от общего источника — развязки нет.
• Не та скорость. Фототранзисторная оптопара на UART 115 200 бод или изолятор с фильтром помех в SPI на десятках мегагерц.

Пример 1: оптопара 4N35 через десять лет

Узел передаёт логический сигнал между двумя схемами на 5 В: светодиод 4N35 включается выходом первой схемы, фототранзистор тянет вход второй схемы к её общему проводу, резистор RL подтягивает вход к её питанию. Температура −55…+100 °C, срок службы — 10 лет. Расчёт наш, по данным Vishay 83717, AN45 и Sharp OP18002EN.

1. Ток светодиода. CTR 4N35 нормирован при 10 мА — этот ток и берём. Светодиод питается от выхода первой схемы через RV, как на рисунке. Примем, что выход в состоянии единицы даёт не меньше 4,6 В при токе до 15 мА — это требование к выходному каскаду. Прямое напряжение светодиода — до 1,5 В при 25 °C и до 1,7 В при −55 °C:

С 270 Ом ток не меньше 10,7 мА на холоде и 11,5 мА при 25 °C, а наибольший — при выходе 5 В и прямом напряжении 0,9 В — около 15,2 мА, далеко от предельных 60 мА.

2. CTR в начале срока. По даташиту CTR 4N35 не меньше 40 % во всём диапазоне −55…+100 °C, но при VCE = 10 В. В ключе транзистор насыщен, и CTR ниже — Vishay даёт для этого графики (рис. 8 и 10), а не гарантированный минимум. Закладываем множитель 0,75 — это допущение, взятое из примера 1 AN45, где нормированный CTR в насыщении у VOL617A-3 при 5 мА и 0…+70 °C равен 0,75. Для 4N35 сверьте его с рис. 8 и 10 даташита.

3. Старение и разброс. AN45 (пример 2, уравнение 4) закладывает 0,8 на старение за 10 лет и ещё 0,75 на разброс:

Если вместо 0,8 взять оценку Sharp для инфракрасных светодиодов — 50 % за 5 лет, — то CTR = 40 % · 0,75 · 0,5 · 0,75 ≈ 11,3 % и I_C ≥ 1,13 мА уже через пять лет.

4. Подтяжка. Чтобы транзистор вошёл в насыщение и на входе был ноль не выше 0,4 В, подтяжка должна требовать меньше тока, чем гарантирует оптопара (AN45, уравнение 2):

Берём 4,7 кОм: ему нужно 0,98 мА — в пределах обеих оценок.

5. Расплата — скорость. Время выключения растёт с сопротивлением нагрузки (рис. 13 даташита), поэтому большой запас по RL делает оптопару медленнее. Если скорость не устраивает, поднимают ток светодиода — и ускоряют его старение, — берут ранг с большим CTR или переходят на 6N137 или цифровой изолятор.

Тот же расчёт для своих деталей делает калькулятор оптопары, схема с VO617A между двумя STM32 разобрана в статье «Развязка на оптопаре».

Пример 2: питание изолированного узла RS-485

Узел подключён к шине RS-485 через изолятор со встроенным DC-DC ISOW7841: три канала идут к трансиверу (данные D, разрешения DE и RE), один — обратно (приёмник R), а встроенный преобразователь питает сторону шины. Трансивер — SN65HVD3082E, ему нужно 4,5–5,5 В. Хватит ли преобразователя? Расчёт наш, по данным TI SLLSEY2G и SLLS562O.

1. Нагрузка на изолированной стороне. TI оценивает ток, который передатчик отдаёт в нагруженную шину — терминаторы и приёмники других узлов, — до 60 мА (SLLS562O, разд. 9.2.2.1). Сам трансивер потребляет до 0,9 мА. Итого около 61 мА.
2. Что даёт ISOW7841. В режиме 5 → 5 В — не меньше 128 мА при выходном напряжении 4,5–5,43 В, а выше 80 °C ток снижают на 2 мА/°C: при 85 °C — 118 мА. Запас — около 57 мА; напряжение не выходит за пределы питания трансивера.
3. Потребление с основной стороны. При полной нагрузке 130 мА КПД — 53 %: на выходе 5,07 В · 0,13 А ≈ 0,66 Вт, на входе ≈ 1,24 Вт, то есть около 250 мА от 5 В и 276 мА при 4,5 В; около 0,58 Вт уходит в тепло в корпусе микросхемы. Для нашей нагрузки 61 мА при том же КПД было бы около 117 мА, но КПД при неполной нагрузке в таблице не нормирован, поэтому основной источник рассчитываем на полную нагрузку преобразователя — 0,3 А.
4. А если на плате только 3,3 В. В режиме 3,3 → 5 В ISOW7841 отдаёт лишь 40 мА — меньше 61 мА, этот вариант не проходит. Режим 3,3 → 3,3 В даёт 75 мА, но SN65HVD3082E от 3,3 В не работает: нужен трансивер с питанием от 3 В, например THVD1450, и новый расчёт тока шины.

То же для изолированного CAN-трансивера ISO1042: в доминантном состоянии сторона шины потребляет до 73,4 мА на нагрузке 60 Ом (SLLSF09F, разд. 5.10), так что источник на 40 мА не годится, а 118 мА хватает.

Калькуляторы и справочник

• Калькулятор оптопары — CTR с запасом на температуру, разброс и старение, резистор нагрузки.
• Резистор для светодиода — ток светодиода оптопары.
• Стойкость к синфазным помехам, путь утечки и воздушный зазор, напряжение изоляции — термины словаря.