Întrebare: Cum poate adăuga izolare galvanică la ADC-ul meu fără a-i afecta performanța?
Răspuns: Pentru ADC-urile izolate galvanic de înaltă performanță, trebuie să acordați atenție izolării semnalelor de ceas și izolării sursei de alimentare.
Convertoarele ADC SAR (Successive Approximation Register) au fost utilizate în trecut pentru rate de eșantionare și rezoluții mai mici. În prezent, sunt disponibile ADC-uri SAR rapide, de înaltă precizie, pe 20-biți, care eșantionează la 1 MSPS, cum ar fi LTC2378-20 și ADC-uri SAR supra eșantionate cu rezoluție pe 32-biți, cum ar fi LTC2500-32. Atunci când proiectele vizează performanțe ridicate (prin utilizarea performanțelor ADC-ului), este necesar un zgomot foarte redus pe întregul lanț de semnal. Dar când este necesară o izolare suplimentară pentru un lanț de semnal, performanța va fi afectată.
Există trei subiecte de izolare care trebuie luate în considerare:
- Putere izolată pentru a asigura alimentarea părții active (fierbinți)
- Izolarea datelor pentru a asigura izolarea căii de date
- Izolarea ceasului ADC-ului (ceas de eșantionare sau semnal de conversie), în cazul în care ceasul nu este generat pe partea activă a circuitului
Izolarea puterii (comparație între topologiile ‘Flyback’ și ‚Push-Pull’)
Figura 1: O topologie tipică de convertor flyback. (© ADI)
Pentru aplicațiile cu senzori, puterea izolată este de obicei mai mică de 10W.
Convertoarele Flyback sunt alese pe scară largă pentru izolarea galvanică a sursei de alimentare. Figura 1 prezintă schema electrică unui convertor flyback. Avantajul acestei topologii este simplitatea și utilizarea unui număr mic de componente externe. Convertoarele flyback au un singur switch integrat. Acest comutator poate fi principala sursă de zgomot care afectează performanța lanțului de semnal. Pentru proiectarea analogică de înaltă performanță, convertorul flyback generează perturbații sub formă de radiații electromagnetice numite EMI, care pot limita performanța circuitului.
Figura 2: Curenți de comutație (pentru LT8301) în înfășurările transformatorului. (© ADI)
Figura 2 formele de undă ale curentului în înfășurările transformatorului L1 și L2. Curenții variază de la valori ridicate la zero într-o perioadă scurtă de timp în înfășurările primare (L1) și secundare (L2). Vârfurile de curent pot fi observate în traseele I(L1)/I(L2) din figura 3. Curentul care curge face ca energia să fie acumulată în inductanța primară și apoi transferată către inductanța din înfășurarea secundară atunci când comutatorul este oprit, ceea ce creează fenomene tranzitorii și generează zgomot. Efectele zgomotului de comutație trebuie reduse și, în consecință, trebuie introduse în proiectare elemente atenuatoare și filtre. În afară de filtrele suplimentare, un dezavantaj suplimentar al topologiei flyback este că utilizarea materialului magnetic este scăzută, ceea ce duce la transformatoare mai mari din cauza inductanțelor ridicate necesare. În plus, buclele fierbinți ale convertorului flyback sunt mari și nu sunt ușor de gestionat. Pentru informații de bază despre buclele fierbinți, vă rugăm să citiți Nota de aplicație AN139.
Figura 3: (a) Modificarea frecvenței LT8301 (b) detaliu privind modificarea frecvenței de la 2,13 ms la 2,23 ms. (© ADI)
O altă provocare a convertorului flyback implică schimbarea frecvenței de comutare. Figura 3 prezintă cum se modifică frecvența datorită modificării sarcinii. După cum se observă în figura 3a, t1 < t2. Aceasta înseamnă că fSWITCH apare atunci când curentul de sarcină scade de la curentul de sarcină mai mare I1 la curentul de sarcină mai mic I2. Variațiile de frecvență creează zgomot intern și neliniaritate în momente imprevizibile. În plus, frecvențele vor fi, de asemenea, diferite chiar și între diferite instanțe ale sistemului, ceea ce va face mai dificilă filtrarea lor, deoarece ar fi necesară o filtrare ajustată pentru fiecare PCB în parte. Dacă luăm ca exemplu un ADC SAR pe 20-biți, cu un interval de intrare de 5V, bitul cel mai puțin semnificativ (LSB) corespunde la ~5 μV. Erorile introduse prin zgomot EMI ar trebui să fie sub 5μV, ceea ce înseamnă că nu ar trebui selectată o topologie flyback atunci când se izolează alimentarea pentru un sistem de precizie.
Figura 4: Un LT3999 cu un stabilizator suplimentar, cu zgomot foarte redus. (© ADI)
Există și alte arhitecturi de surse de alimentare izolate cu emisii radiante mai mici. Convertoarele push-pull sunt mult mai potrivite în ceea ce privește radiațiile în comparație cu convertoarele flyback. Un regulator push-pull precum LT3999 oferă posibilitatea de sincronizare a ceasului cu ADC-ul și ajută la obținerea unor performanțe ridicate. Figura 4 prezintă LT3999 într-un circuit de alimentare izolat sincronizat cu ceasul ADC. Amintiți-vă: capacitorul de la primar la secundar oferă o cale de întoarcere pentru zgomotul de comutare ceea ce ajută la reducerea efectelor zgomotului de mod comun. Acest capacitor poate fi implementat, într-un design PCB, ca o capacitate între straturile PCB-ului și/sau ca un simplu capacitor.
Figura 5: Forme de undă ale curentului prin LT3999. (© ADI)
Figura 5 prezintă formele de undă ale curentului prin transformator (atât curentul din partea primară, cât și cel din partea secundară), ceea ce oferă o mai bună utilizare a transformatorului și un comportament EMI mai bun.
Figura 6: LT3999 și relația de comutare cu pinul de sincronizare. (© ADI)
Figura 6 prezintă sincronizarea convertorului cu un semnal de la un ceas extern. Sfârșitul fazei de achiziție a datelor este asociat cu frontul pozitiv al pinului de sincronizare. După cum se poate vedea în formele de undă, imediat apare un moment de “liniște” pe linia de alimentare, de aproximativ 4μs. Acest lucru permite convertorului să eșantioneze un semnal de intrare în acest interval de timp și să elimine la minimum efectele tranzitorii în puterea izolată. De exemplu, convertorul LTC2378-20 are un timp de achiziție de 312 ns, care este ideal pentru fereastra de „liniște” <1 μs.
Izolarea datelor
Figura 7: Jitter de ceas vs. performanța ADC-ului. (© ADI)
Izolarea datelor poate fi realizată cu izolatoare digitale tradiționale, cum ar fi cele din familia ADuMx. Aceste izolatoare digitale sunt disponibile pentru multe interfețe standard, cum ar fi SPI, I2C, CAN etc. − de exemplu, ADuM140 poate fi utilizat pentru izolarea SPI. Pentru a realiza izolarea datelor, semnalul SPI ceasul SPI, SDO, SCK și Busy trebuie doar să circule prin circuit (izolatorul de date). În izolarea datelor, energia electrică este transferată de la partea primară la partea secundară prin bariera de izolare inductivă. Trebuie adăugată o cale de întoarcere a curentului, ceea ce se face cu ajutorul unui capacitor. Acesta poate fi construit pe PCB ca o cuplare a straturilor suprapuse ale PCB-ului.
Izolarea ceasului
Figura 8: Izolarea ceasului folosind un izolator standard. (© ADI)
Izolarea ceasului este o altă sarcină importantă. În cazul în care utilizați un ADC de înaltă performanță pe 20-biți la o rată de eșantionare de 1 MHz, cum ar fi LTC2378-20, se poate obține un raport semnal/zgomot (SNR) de 104 dB. Pentru a obține performanțe ridicate, este necesar un ceas fără fluctuații (jitter). De ce nu ar trebui să folosiți un izolator standard precum cel din seria ADuM14x? Izolatorul standard va limita performanța ADC-ului, deoarece adaugă fluctuații la ceas. Mai multe detalii pot fi găsite în Nota de aplicație DN1013.
Figura 7 prezintă limita teoretică a SNR-ului în funcție de frecvență pentru diferite tipuri de oscilații ale ceasului. ADC-urile de înaltă performanță, cum ar fi LTC2378, au un jitter de deschidere de 4 ps, ceea ce oferă o limită teoretică de 106 dB la o intrare de 200 kHz.
Figura 9: Izolarea ceasului cu ajutorul unui izolator de ceas LVDS. (© ADI)
O schemă bloc mai detaliată pentru o optimizare a ceasului cu un PLL este prezentată în figura 11. Puteți utiliza ADF4360-9 pentru a crește acuratețea ceasului și puteți adăuga un divizor de frecvență cu 2 la ieșire. AD7760 este caracterizat până la 1,1 MHz.
Conceptele standard de izolator de ceas ilustrate în figura 8 includ:
- Un izolator digital standard de bună calitate, cum ar fi ADuM250N, introduce un jitter de 70 ps rms. Pentru a obține un SNR de 100 dB, ratele de eșantionare a semnalului sunt limitate la 20 kHz din cauza fluctuațiilor ceasului.
- Un izolator de ceas optimizat, precum LTM2893, oferă un jitter de numai 30 ps rms. Pentru a obține un SNR de 100 dB, rata de eșantionare a semnalului este acum de 50 kHz, ceea ce vă oferă o lățime de bandă mai mare la performanțe SNR complete.
Figura 10: Izolarea ceasului utilizând un PLL suplimentar pentru eliminarea jitterului ceasului. (© ADI)
Pentru frecvențe de intrare mai mari (figura 9), trebuie utilizate izolatoare LVDS. ADN4654 introduce un jitter de 2,6 ps, ceea ce vă permite să vă apropiați de cea mai bună performanță pentru un ADC. Un astfel de jitter scăzut vă permite să obțineți un SNR de 110 dB la 100 kHz.
Figura 10 arată cum se folosește un PLL pentru eliminarea fluctuațiilor ceasului. Un ADF4360-9 poate ajuta la reducerea fluctuației ceasului.
Figura 11: Un ADF4360-9 utilizat ca dispozitiv de eliminare a fluctuațiilor ceasului. (© ADI)
Astfel, un ADC SAR de 1 MSPS, cum ar fi LTC2378, nu va fi acceptat în mod direct. În acest caz, un circuit bistabil cu jitter scăzut, care funcționează ca un divizor de frecvență cu 2, este util.
În figura 13 se arată o altă posibilitate de a obține un ceas cu caracteristicile de jitter necesare, prin generarea locală a semnalului de ceas. Generarea locală a ceasului face ca arhitectura de ceas să fie mai complicată, deoarece introduce domenii de ceas asincrone în sistem. De exemplu, dacă doriți să folosiți două ADC-uri izolate separate, ceasurile lor pot diferi ca frecvență absolută, ceea ce înseamnă că trebuie adăugată o conversie a ratei de eșantionare pentru a potrivi din nou ceasurile. Unele detalii privind conversia ratei de eșantionare pot fi găsite în Nota de la inginer la inginer, EE-268.
Figura 12: Un bistabil utilizat pentru a diviza ceasul pentru LTC2378. (© ADI)
Semnal de ceas pentru ADC-uri Sigma-Delta de înaltă performanță
Probleme similare de ceas se aplică și în cazul ADC-urilor sigma-delta de înaltă performanță precum AD7760. Aici, semnalul de ceas important este dat de ceasul de supraeșantionare fără jitter la, de exemplu, 40 MHz. În acest caz, nu sunt necesare divizoare suplimentare.
Concluzie
Figura 13: Generarea ceasului pe partea izolată (fierbinte). (© ADI)
Amplificatoarele de semnal de înaltă performanță izolate necesită o proiectare izolată atentă și o selecție a diferitelor tehnici de izolare pentru a obține un SNR de înaltă performanță de peste 100 dB. Trebuie acordată o atenție deosebită izolării semnalului de ceas, deoarece aceasta este esențială pentru acuratețea sistemului. În al doilea rând, trebuie să se acorde atenție izolării puterii. Topologiile simple de izolare, cum ar fi un flyback, introduc perturbații tranzitorii EMI ridicate.
Pentru o performanță mai bună, trebuie utilizat un convertor push-pull. Izolarea datelor este o altă preocupare, deși mai puțin importantă, deoarece dispozitivele standard disponibile oferă performanțe bune și au un impact mai mic asupra performanței generale a sistemului. Abordarea acestor trei subiecte de izolare permite proiectantului să vină cu o soluție de sistem izolat de înaltă performanță.
Despre autor
Wilfried Platzer a studiat tehnologia informației, cu accent pe radiofrecvență, la Karlsruhe, Germania. A început să lucreze la ITT în 1997, iar mai târziu a lucrat la TDK-Micronas. Wilfried a ocupat mai multe poziții, începând ca inginer de aplicații de teren și apoi concentrându-se pe conceptul de circuite integrate și pe ingineria arhitecturii de sistem pentru circuite integrate cu semnale mixte. După 11 ani, s-a mutat într-o poziție de pre-dezvoltare electronică la Auma, iar în 2015 s-a alăturat Linear Technology (acum parte a Analog Devices). În prezent, Wilfried este inginer senior de aplicații de teren la Analog Devices, asigurând asistență regională pentru Elveția. El poate fi contactat la wilfried.platzer@analog.com.
Vizitați https://ez.analog.com
Contact România:
Email: inforomania@arroweurope.com
Mobil: +40 731 016 104
Arrow Electronics | https://www.arrow.com
