А. Шинкарь

Высокоскоростные изолирующие ИС фирмы NVE (ответы на вопросы)

Статья "Высокоскоростные изолирующие ИС фирмы NVE" в предыдущем номере вызвала живой интерес у профессионалов. Возникли вопросы, отвечая на которые постараемся убедить разработчиков в преимуществах новых микросхем по сравнению с оптоизоляторами.

Технология

Многие слышали о магниторезистивном эффекте, но мало кто осознает, что именно применение GMR-технологии позволило создать новые устройства IsoLoop лучше оптоизоляторов.

1. GMR материалы меняют свое сопротивление под воздействием магнитного поля. Используется два основных типа материалов:
   1. Тип 1, который используется в т.н. "линейных" датчиках. GMR-материал этого типа изменяет свое сопротивление пропорционально магнитному полю. При исчезновении магнитного поля сопротивление возвращается к своему первоначальному значению.
   2. Тип 2, используемый в IsoLoop-приборах, относится к материалам, известным как "спиновый вентиль". Помещенный в магнитное поле, он также может изменить свое сопротивление. Если поле ослабевает, не меняя направления, величина сопротивления остается без изменения. И лишь при изменении направления магнитного поля сопротивление возвращается к своему первоначальному значению.
   Принцип действия напоминает работу 1-битовой ячейки памяти.
2. Блок-схема IsoLoop-приборов серии IL7xx приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема IsoLoop-приборов серии IL7xx

Продифференцированный входной сигнал в виде узких (2.5нс) выбросов тока протекает по виткам индуктивности L. Это приводит к тому, что соответственно направленные магнитные поля изменяют сопротивления GMR-резисторов, образующих мостовую схему. Сопротивления переключаются менее, чем за 1нс. Это говорит о том, что есть возможность проектировать еще более быстродействующие устройства, чем это позволяют изолирующие схемы, в настоящее время представленные на рынке.

Сравнение IsoLoop® приборов с оптоизоляторами

Вопрос: Что можно сказать об ИС IsoLoop® по сравнению с оптоэлектронными изоляторами?

Ответ: Каждая микросхема IsoLoop® превосходит оптоизоляторы по всем параметрам!

Смотрите "The IsoLoop® Advantage" на сайте www.nve.com

1. Скорость: 110Мбод. Не всегда необходима, но уже возможна.
2. Задержка распространения: 15нс. Отсутствие задержки важно, поскольку большинство систем ведет передачу в обоих направлениях. Следовательно, 30нс (IsoLoop╝) по сравнению с 80нс (оптоизоляторы) уже позволяют говорить о трехкратном улучшении.
3. Искажения по ширине импульса: 3нс против 6нс или 8нс.
4. Рассогласование по задержке распространения: 4нс против 20нс. Используя двух- или четырехканальные устройства, можно снизить рассогласование до 1нс.
5. Стойкость к синфазным импульсным помехам: 20кВ/мкс. Это способность противостоять нежелательному изменению выходного сигнала из-за разности потенциалов "земель". Разность потенциалов обычно вызвана токами, протекающими по общей шине в цепях мощных устройств (двигатели, сварочные аппараты и т.п.) или устройств, работающих с очень быстрыми цифровыми сигналами (ЦСП и т.п.).
6. Температурный диапазон: от -40╟C до +100╟C Шире, чем у большинства оптоизоляторов.
   • В отличие от оптоизоляторов не нужно учитывать температурные зависимости. Все характеристики IsoLoop® определены для полного диапазона температур.
7. Ток потребления: Средний ток потребления в динамике ниже, т.к. импульсы тока в витках L, очень короткие (2.5нс). Остальной вклад в общий ток потребления дает резистивный мост (~2.5мкA) и ток покоя КМОП-логики (~10мкA).
   • Важно отметить роль развязывающего конденсатора при формировании импульсов тока в витках индуктивности. Конденсатор должен быть с низким значением ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) - керамическим или полипропиленовым (существенно дороже). Развязывающий конденсатор ДОЛЖЕН быть как можно ближе к выводам Vdd и GND. Следует особо подчеркнуть - большинство проблем у пользователей возникает по причине несоблюдения этих требований.

Преимущества в приложениях

1. Дальнейшие преимущества IsoLoop® проявляются в двух- и четырехканальных устройствах.
   • 99.9% применений требуют 2-х или более каналов.
     1. Шина CAN протокола. 2 канала. IL712
     2. АЦП. 3 или 4 канала. IL717, IL716, IL711, IL712
     3. c.RS485. 3 канала IL485
     4. d.RS422. 3 или 4 канала IL422
2. IsoLoop® приборы являются полностью законченными логическими устройствами. TTL/CMOS по входу, TTL/CMOS по выходу. В отличие от оптоизоляторов, не требуется никаких других компонентов, кроме развязывающего конденсатора.

   Некоторые одинарные оптоизоляторы тоже являются полностью логическими. Многоканальные оптоизоляторы имеют диод на входе и, как правило, транзистор на выходе. Они требуют внешних компонентов для улучшения переходных характеристик.

3. Способность сдвигать уровни. Микросхемы серии IL7xx могут работать при любом сочетании напряжений питания 3.3В или 5В для обеих изолированных частей, обеспечивая сдвиг логического уровня.
4. Шинные формирователи с оптоизоляторами потребляют больше мощности, чем с применением IsoLoop®.

   Т.е. старое решение требует более мощного dc-dc преобразователя и большего размера печатной платы.

5. Корпуса SOIC оптоизоляторов имеют толщину 3мм-4мм против 1.75мм у стандартного корпуса NVE.

   В многоплатных конструкциях высота оптоизоляторов может потребовать больших размеров между платами и, как следствие (что иногда важнее), утяжелит конструкцию.

IL485, IL485W и IL422

Самые миниатюрные и быстродействующие законченные решения. ИС IL485 принята к применению для шины PROFIBUS. Это единственный изолированный приемопередатчик стандарта RS485, рекомендованный к применению.

Вопрос: Цена?

Ответ: На первый взгляд оптоизоляторы дешевле. Но сравните оба решения: традиционные и на основе ИС NVE (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Сравнение традиционной схемотехники и решения от NVE

По цепи сигнала RTS используется HCPL-0601, дешевая, но имеющая недостаточно хорошие передаточные характеристики. Чтобы они соответствовали передаваемым сигналам, нужен фильтр (RC-цепочка на входе) и триггер Шмитта для формирования крутых перепадов, подаваемых затем на SN75ALS176.

• Обратите внимание на количество компонентов.
• NVE решение требует всего одной микросхемы - с лучшими характеристиками, более высокой надежностью и долговечностью.

Вопрос: Каким стандартам соответствуют приборы IsoLoop?

Ответ: UL1577 и IEC61010-1

• UL1577 - это стандарт для оптоизоляторов. 2500В (эфф) в течении 1минуты.
• IEC61010-1 был выбран потому, что многие OEM-производители тестируют свое оборудование на соответствие этому стандарту. Это позволяет разработчикам прямо ссылаться на требования по изоляции из этого стандарта, а не пытаться увязывать его требования с требованиями какого-либо другого. Большинство требований различных стандартов никак не связаны.

Вопрос: Являются ли микросхемы IsoLoop® полностью (pin-for-pin) совместимыми с оптоизоляторами?

Ответ: Т.к. большинство оптоизоляторов не являются полностью логическими по входу и выходу, только IL710 соответствует по выводам HCPL-0720 и ее аналогам. Эта особенность Il710 позволяет разработчикам без переделки печатной платы сравнить оба решения.

Вопрос: Какие значения внешнего магнитного поля могут все же воздействовать на IsoLoop®?

Ответ: Поле в 100Эрстед и выше (под воздействием тока вдоль осей Y и Z - на рисунке 3 выделены красным цветом).

Рисунок 3. Схема распределения полей

Поле в 100 Эрстед эквивалентно:
8000A на расстоянии 1метр
90A на расстоянии 32мм
9A - 5.6мм
3A - 2.4мм

На практике это маловероятные ситуации.

Важно заметить, что даже такие сильные поля не приводят к необратимым изменениям. Они вызывают лишь срабатывание GMR-сенсора. Когда поле перестает воздействовать, устройство продолжает нормально функционировать.

Контакты по техническим вопросам:

Vladimir.Temchenko@kvazar-micro.com тел: (044) 442-94-59

Alexander.Shynkar@kvazar-micro.com тел: (044) 442-94-58

Справки по вопросам поставок и наличия на складе по телефонам:

(044) 239-98-68
(044) 442-93-61