Isolamento di segnale e potenza: 4 domande comuni

La progettazione di un circuito ad alta tensione richiede l’isolamento per proteggere gli operatori umani, per consentire la comunicazione con circuiti a bassa tensione e per eliminare il rumore indesiderato all’interno del sistema. Gli isolatori digitali forniscono un modo semplice e affidabile per realizzare comunicazioni isolate ad alta tensione in applicazioni industriali e automotive.

Il mantenimento dell’integrità di un segnale attraverso una barriera di isolamento richiede l’isolamento di tutti i percorsi di accoppiamento tra i lati primario e secondario del circuito, compresi gli alimentatori. Sebbene il lato secondario di un isolatore digitale richieda generalmente poca potenza, i progettisti di sistemi includono spesso un’indennità di potenza supplementare per fornire l’alimentazione a più dispositivi.

In questo articolo tratteremo alcune comuni domande relative all’isolamento di segnale e potenza in un progetto e forniremo una breve panoramica delle opzioni discrete e integrate disponibili.

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Domanda n. 1: Perché isolare l’alimentazione per gli isolatori digitali?

L’architettura interna di un isolatore digitale è costituita da due circuiti integrati digitali (IC) separati su un lead frame (quadro conduttore) diviso e con una barriera dielettrica di isolamento ad alta tensione interposta fra loro, come mostrato nella Figura 1. Ciascun circuito integrato richiede un’alimentazione e una messa a terra separate per entrambi i lati primario e secondario del dispositivo, senza connessione fisica tra di loro. Questo requisito è indipendente dal fatto che un dispositivo supporti l’isolamento di base o rinforzato e si applica agli isolatori digitali ed ai dispositivi isolati con interfacce integrate.

Domanda n. 2: Quali sono i requisiti di alimentazione per un isolatore digitale?

Prima di scegliere una topologia di alimentazione per una soluzione con isolatore digitale, è importante stabilire i requisiti di alimentazione di base dell’alimentatore, compresi l’intervallo di tensione di ingresso, la tensione di uscita, la potenza di uscita necessaria per il lato secondario e il numero di rail di uscita. Ulteriori considerazioni per le soluzioni di alimentazione isolate rispetto alle soluzioni di alimentazione non isolate includono i valori di isolamento del sistema e le distanze di isolamento in aria e superficiale richieste, insieme ai requisiti di compatibilità elettromagnetica, come le scariche elettrostatiche e le prestazioni in materia di emissioni del sistema. Le normative per apparecchiature finali nel settore definiscono molti di questi requisiti. Ulteriori informazioni sui valori di isolamento, sulla dispersione e sulle distanze di isolamento in aria e superficiale per i sistemi isolati sono disponibili nella Serie di video sull’isolamento di TI Precision Labs.

Le tensioni dei segnali di ingresso e uscita di un isolatore digitale dipendono spesso dalla loro tensione di alimentazione applicata e, di solito, sono in relazione diretta con la tensione di alimentazione (VCC) sul lato secondario. Prima di definire i requisiti di ingresso e uscita dell’alimentazione, è consigliabile rivedere attentamente i requisiti di alimentazione sulla scheda tecnica dell’isolatore digitale. Inoltre, è anche opportuno ottimizzare l’isolatore digitale per i livelli logici dei componenti di interfaccia. Ad esempio, quando si alimenta a 5 V un isolatore digitale che si interfaccia con un microcontroller, occorre scegliere segnali che funzionino anche a livelli logici a 5 V o vicini a tale valore sul lato secondario.

Domanda n. 3: Un’alimentazione su lato secondario funziona per l’alimentazione isolata?

In alcuni casi, potrebbero già essere disponibili due rail di alimentazione separati all’interno del sistema per l’alimentazione del lato primario e secondario, a condizione di soddisfare i requisiti minimi della logica dell’isolatore. Questi includono livelli di tensione di alimentazione che corrispondono ai livelli del segnale di ingresso e di uscita, ciascuno con una messa a terra separata. Sebbene sia possibile l’uso di alimentazioni secondarie già esistenti, l’accoppiamento del rumore e la regolazione dell’alimentazione diventano spesso problematici. I progettisti scelgono spesso di progettare alimentatori isolati ottimizzati per logica e prestazioni di rumore del sistema.

Domanda n. 4: Quali soluzioni sono disponibili per isolare gli alimentatori?

Sono disponibili molte opzioni per la progettazione di un alimentatore isolato per circuiti isolati digitalmente. Le soluzioni di alimentazione per isolatori digitali includono flyback, induttore-induttore-condensatore a ponte H, push-pull e soluzioni integrate per dati e potenza isolati.

Le soluzioni integrate per dati e potenza isolati come l’isolatore digitale ISOW7741 con alimentazione, il transceiver RS-485 isolato ISOW1412 con alimentazione o il transceiver Controller Area Network ISOW1044 con alimentazione dispongono di un convertitore CC/CC integrato. Questi dispositivi sono progettati per soddisfare i limiti CISPR 32 Classe B del Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques con una soluzione di dimensioni nettamente inferiori rispetto alle alternative progettate in modo discreto. Il vantaggio dell’eliminazione di un trasformatore sulla scheda, la riduzione delle dimensioni della scheda e la maggiore facilità di certificazione sono spesso considerati validi compromessi per realizzare un progetto ad alte prestazioni con il minor ingombro possibile.

Pertanto, mentre le soluzioni discrete possono offrire una maggiore efficienza e minori emissioni irradiate in alcuni casi, i vantaggi in termini di riduzione degli ingombri e semplificazione della certificazione consentono in definitiva di ridurre il time-to-market.

Ulteriori informazioni sui vantaggi di questi dispositivi sono disponibili nel brief applicativo «Come soddisfare i limiti per le emissioni irradiate CISPR 32 con ISOW7741».