Изолированные усилители и линейные оптоэлектронные развязки компании Broadcom

Рисунок 1. Схематическое изображение конструкции оптоэлектронной гальванической развязки

Оптоэлектронные гальванические развязки (ГР), конструкция которых схематично показаны на рисунке 1, – не единственный тип ГР. Однако помимо способов передачи сигнала через изоляционный барьер, из ряда ГР, произведенных по другим технологиям, их выделяет еще и толщина диэлектрического изоляционного барьера. У оптоэлектронных ГР Broadcom эта толщина варьируется в пределах 80–1000 мкм, тогда как у ГР других технологий аналогичный параметр обычно не превышает 17–20 мкм.

Таким образом, оптоэлектронные ГР значительно лучше защищены от электростатических разрядов и всплесков перенапряжения. Они выдерживали и сохраняли работоспособность при испытаниях на электростатический разряд напряжением 20 кВ, что превышает возможности ГР других технологий. Кроме того, оптоэлектронные ГР Broadcom гораздо лучше переносили повторяющиеся пиковые значение напряжения VIORM, прикладываемого к изоляционному барьеру.

В компании провели сравнительные испытания электрической прочности изоляции ГР Broadcom и электромагнитной ГР другого производителя. Между закороченными входами и выходами ГР прикладывалось высокое напряжение. Его величина для электромагнитной ГР составила 2,5 кВ, а для ГР Broadcom – 3,5 кВ. Электромагнитные ГР вышли из строя через 10,5 ч, а ГР Broadcom сохранили работоспособность и после 168 ч испытаний.

Еще одним преимуществом оптоэлектронных ГР является их электромагнитная совместимость. Они практически невосприимчивы к электромагнитным помехам (ЭМП) и заметно меньше их излучают. Таким образом, оптоэлектронные ГР Broadcom отлично подходят для эксплуатации в зашумленной ЭМП среде с частыми всплесками перенапряжений, возникающими при работе электрооборудования средней и большой мощности.

Наилучшими областями их применения является промышленная и автомобильная электроника, а также авиакосмическая промышленность. Именно для этих приложений в основном и производятся ГР Broadcom. По сферам применения Broadcom и, соответственно, конструктивному исполнению производитель разделяет оптоэлектронные развязки следующим образом.

• ГР для автомобильной электроники с расширенным диапазоном рабочей температуры: –40…125°С;
• ГР в пластмассовых корпусах для промышленных приложений;
• ГР в герметичных корпусах для жестких условий эксплуатации в военной и авиакосмической промышленностях.

По своему функциональному назначению оптоэлектронные ГР охватывают практически все возможные области применения. Рассмотрим только линейные оптоэлектронные ГР, к которым относятся изолированные усилители и линейные оптопары.

Рисунок 2. Структурная схема изолированного усилителя

Структурная схема изолированного усилителя показана на рисунке 2. Его входной сигнал модулируется сигма-дельта модулятором, который преобразует входное напряжение в высокоскоростную последовательность битов.

Далее битовый поток кодируется и передается через изоляционный барьер. На вторичной стороне происходит декодирование сигнала и преобразование его в аналоговый фильтр. Фильтр на выходе усилителя сглаживает помехи, возникающие в тракте преобразования. Компания Broadcom производит довольно много модификаций изолированных усилителей, и попытка представить их основные параметры привела бы к появлению громоздкой, плохо читаемой таблицы. Поэтому мы только перечислим значения основных параметров усилителей в общем виде, не указывая их конкретный типы:

• электрическая прочность изоляции: 3 750; 5000; 7500 В (СКЗ);
• допустимые повторяющиеся пиковые значение напряжения изоляционного барьера V_IORM: 891; 1414; 2252 В;
• напряжение питания: 3–5,5; 4,5–5,5; 3,3 В;
• входы: дифференциальный 0–200 мВ; дифференциальный 0–2 В;
• выходы: дифференциальный, несимметричный;
• ошибка коэффициента усиления при 25°C: ±0,5; ±1; ±3; ±5%;
• нелинейность: 0,0037; 0,04; 0,05; 0,06%;
• полоса пропускания: 30; 100; 200 кГц;
• максимально допустимое синфазное напряжение: 1000 В;
• максимально допустимое изменение синфазного напряжения: 15000 В/мкс;
• диапазон рабочей температуры: –40…85; –40…105; –40…110°С;
• корпуса: SO8; SSO8; SO16; DIP8.

Рисунок 3. Линейные аналоговые оптопары HCNR 200 и HCNR 201

Изолированные усилители с таким параметрами отлично подходят для применения в низковольтных (до 1000 В) силовых преобразователях, электроприводах, в промышленном оборудовании. Максимально допустимое синфазное напряжение 1000 В позволяет использовать изолированные усилители в 600-В инверторах. Если в системе имеются мощные токоприемники, порождающие при коммутации переходные процессы с выбросами перенапряжения, следует выбирать изолированные усилители с максимальным значением напряжения V_IORM = 2252 В.

Устойчивость к изменению синфазного напряжения до 15000 В/мкс означает, что допускается изменение синфазного напряжения 600 В в течение 40 нс, что обеспечивает солидный запас при работе усилителей в качестве токочувствительного усилителя с токовым шунтом или измерителя напряжения.

Однако следует учесть, что в преобразователях и инверторах при коммутации силовых ключей могут возникать высокочастотные переходные процессы частотой в десятки мегагерц. Поскольку частота этих помех превышает частоту модуляции сигналов в усилителе, они могут вызвать искажение сигнала. Чтобы избежать искажений, следует установить фильтрующие емкости параллельно шунту или резистору, если речь идет об измерении напряжения. Мы не будем приводить в нашем кратком обзоре типовые схемы включения усилителей – они даются в документации производителя.

Линейные аналоговые оптопары HCNR 200 и HCNR 201 (см. рис. 3) в ряде случаев могут служить экономичной альтернативой изолированным усилителям. К тому же, у них больше полоса пропускания. Как видно из рисунка 3, в оптопаре используются два фотодиода, один из которых (PD1) расположен на первичной стороне, а другой, выходной фотодиод PD2, – на вторичной стороне.

Рисунок 4. Упрощенная схема включения аналоговой оптопары

Таким образом, с помощью фотодиода PD1 и внешней схемы можно организовать обратную связь, что позволяет значительно улучшить линейность характеристики. На рисунке 4 показана упрощенная схема включения аналоговой оптопары. Обратная связь операционного усилителя А1 не показана – она зависит от назначения схемы. Для простоты положим, что усилитель А1 обладает идеальными характеристиками – входные токи отсутствуют, коэффициент усиления бесконечен, следовательно, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны. При соблюдении этих условий ток через фотодиод PD1 определится следующим выражением:

(1):  I_PD1 = V_IN/R1

Из (1) следует, что ток через фотодиод PD1 пропорционален входному напряжению, что обеспечивает довольно высокую линейность передаточной характеристики. Например, дрейф светового потока из-за изменения температуры светодиода вызовет изменение выходного напряжения усилителя А1, что приведет к соответствующему изменению тока светодиода так, чтобы выполнялось соотношение (1).

Распределение светового потока между фотодиодами зависит от конструкции оптопары и описывается коэффициентом К.

(2): К = I_PD1/I_PD2                                                                    

Выходной сигнал схемы на рисунке 4 можно выразить соотношением:

(3): V_OUT = I_PD2 х R2                                                   

С учетом соотношений (2) и (3) окончательно получаем выражение для выходного сигнала.

V_OUT = K x VIN x (R2/R1)

В заключение приведем основные параметры линейных оптопар. В скобках указаны значения для HCNR 201:

• коэффициент передачи: 200 ±15% (201 ±5%);
• нелинейность: 0,01%;
• температурный дрейф: 65 ppm;
• V_IORM: 1414 В;
• диапазон рабочей температуры: –40…85°С;
• корпус: DIP8.