Устройство передачи данных с гальванической развязкой посредством импульсного трансформатора
DATA TRANSMISSION DEVICE WITH GALVANIC ISOLATION BY MEANS OF PULSE TRANSFORMER

Настоящее изобретение относится к области электроники и устройствам передачи цифровых данных. Оно предназначено для использования в качестве устройства передачи данных с гальванической развязкой посредством импульсного трансформатора со скоростью передачи данных не менее 20 Мбит/с.
Известно, что для передачи данных с гальванической развязкой можно использовать различные физические принципы передачи сигнала через изолирующую не проводящую среду. К таким принципам относятся:
1. Передача сигналов посредством статического магнитного поля.
При этом используется пара: источник магнитного поля - открытая электромагнитная катушка и магниточувствительный элемент, например, магниточувствительный резистор или датчик Холла. Примером таких устройств является серия микросхем IL600 фирмы NVE Corporation, изготовленная по технологии IsoLoop и защищенная патентами США №US 5,831,426; и №US 6,300,617.
К недостаткам такого принципа передачи сигнала можно отнести следующее:
- чувствительность к внешним постоянным магнитным полям,
- технологическая сложность процесса изготовления магниточувствительных элементов в рамках типовых кремниевых КМОП-технологий.
2. Передача сигналов посредством электростатического поля.
При этом высоковольтный конденсатор используется в качестве элемента высоковольтной развязки. Примером таких устройств является серия микросхем ISO723X фирмы Texas Instruments Incorporated.
К недостаткам такого принципа передачи сигнала можно отнести следующее:
- сложность формирования сигнала: используется способ частотного разделения передаваемого сигнала и «сборку» его на вторичной стороне.
- Необходимая величина пробивного напряжения достигается дополнительной, не типовой, технологической операцией КМОП процесса.
3. Передача сигналов через электромагнитное поле (микромощный радиосигнал). При этом также используется разделительный конденсатор. Примером таких устройств является серия микросхем Si84xx фирмы Silicon Laboratories Inc (US №7738568).
К недостаткам такого принципа передачи сигнала можно отнести следующее:
- те же недостатки, что и в предыдущем варианте плюс повышенная потребляемая мощность.
Наиболее близким к изобретению является устройство передачи данных с гальванической развязкой с помощью импульсного трансформатора, которое основано на изолирующей технологии фирмы Analog Devices, получившей название iCoupler. [US patent №7683654]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
В формуле патента приведено 11 пунктов, описывающих различные способы выделения переднего и заднего фронтов входного передаваемого логического сигнала и способы его восстановления на вторичной стороне. Основная идея изобретения заключается в различных способах преобразования фронтов входного сигнала в различные униполярные импульсы, отличающиеся друг от друга или по количеству, или по длительности.
Более подробно в российской литературе принцип действия системы «iCoupler» описан в статье [1].
К недостаткам данного технического решения можно отнести следующее:
- необходимость ограничения по минимальной длительности импульсов входного сигнала для однозначной селекции передачи переднего или заднего фронтов;
- при указанном способе формирования импульсов возникает постоянная составляющая в трансформаторе, которая приводит к возникновению межсимвольной интерференции выходного сигнала.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в расширении функциональных возможностей устройства:
- в повышении помехоустойчивости;
- однозначности восстановления формы исходного сигнала;
- в уменьшении межсимвольной интерференции.
Это достигается за счет того, что в устройстве передачи данных с гальванической развязкой, с гальванической развязкой посредством импульсного трансформатора, содержащее входной триггер Шмита с парафазным выходом к неинвертирующему выходу которого присоединен первый одновибратор к выходу которого присоединен третий одновибратор, а к инвертирующему выходу входного триггера Шмита присоединен второй одновибратор выходы первого и четвертого одновибраторов присоединены к первому логическому элементу ИЛИ, выходы второго и третьего одновибраторов присоединены ко второму логическому элементу ИЛИ, выходы логических элементов ИЛИ соответственно присоединены ко входам буферных усилителей, выходы которых в свою очередь присоединены ко входам первичной обмотки трансформатора.
В свою очередь выходы импульсного трансформатора присоединены к дифференциальному корректирующему усилителю, содержащему пропорционально-интегрирующие RC-звенья, дифференциальный выход усилителя присоединен ко входам двух компараторов, первый из которых срабатывает при входном сигнале положительной полярности, а второй срабатывает при сигнале отрицательной полярности, выходы компараторов присоединены к входам RS-триггера, который восстанавливает форму входного сигнала, к выходу RS-триггера присоединен выходной буферный усилитель устройства.
Существует вариант, в котором к выходу первого компаратора присоединен вход сброса первого мультивибратора, выход которого присоединен ко второму альтернативному входу сброса RS-триггера.
Возможен вариант где к выходам первого и второго одновибраторов присоединен логический элемент «ИЛИ», выход которого присоединен ко входу сброса второго мультивибратора, выход которого присоединен к первым альтернативным входам первого и второго логических элементов «И», ко вторым входам которых соответственно присоединены неинвертирующий и инвертирующий выходы триггера Шмита, при этом выход первого логического элемента «И» присоединен ко второму альтернативному входу первого одновибратора, а выход второго логического элемента И присоединен ко второму альтернативному входу второго одновибратора.
Возможен также вариант, в котором к выходам планарного трансформатора присоединены резисторы, общая точка которых присоединена к выходу операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого присоединен источник питания, с выходным напряжением равным половине напряжения питания дифференциального усилителя, а к инвертирующему входу присоединена общая точка резисторов, вторые концы которых присоединены ко входам дифференциального усилителя.
На рис. 1 приведена схема заявляемого устройства передачи данных с гальванической развязкой с помощью планарного трансформатора, где:
100 - входной триггер Шмита; 101, 102, 103, 104 - одновибраторы; 105, 106 - логические элементы ИЛИ; 107, 108 - буферные усилители; 109 - импульсный трансформатор; 114 - дифференциальный усилитель; 110, 111, 113, 115 - резисторы цепей частотной коррекции; 112, 116 - конденсаторы частотной коррекции; 117, 118 - компараторы с несимметричным порогом; 119, - RS-триггер; 120 - выходной буферный усилитель.
На рис. 2 приведен вариант устройства, отличающийся от варианта по рис 1 тем, что к выходу первого компаратора 117 присоединен вход сброса первого мультивибратора 400, выход которого присоединен ко второму альтернативному входу сброса RS триггера 119.
На рис. 3 приведена схема устройства, в котором по сравнению с вариантом рис 1, к выходам одновибраторов 101 и 102 присоединен логический элемент ИЛИ 302, выход которого присоединен ко входу сброса второго мультивибратора 303, выход которого присоединен к первым альтернативным входам первого и второго логических элементов «И» 300 и 301, ко вторым входам которых соответственно присоединены неинвертирующий и инвертирующий выходы триггера Шмита 100, при этом выход первого логического элемента И 300 присоединен ко второму альтернативному входу первого одновибратора 101, а выход второго логического элемента И 301 присоединен ко второму альтернативному входу второго одновибратора 102,
На рис. 4 приведена схема отличающаяся от варианта по рис 1, тем, что к выходам 200 и 201 импульсного трансформатора 109 добавлены резисторы 500 и 501, общая точка которых присоединена к выходу операционного усилителя 502, к неинвертирующему входу которого присоединен источник питания, с выходным напряжением равным половине напряжения питания дифференциального усилителя, а к инвертирующему входу присоединена общая точка резисторов 503 и 504, вторые концы которых присоединены ко входам дифференциального усилителя 114.
Устройство передачи данных с гальванической развязкой посредством импульсного трансформатора (рис. 1), содержащее входной триггер Шмита с парафазным выходом к неинвертирующему выходу которого присоединен первый одновибратор к выходу которого присоединен третий одновибратор, а к инвертирующему выходу входного триггера Шмита присоединен второй одновибратор выходы первого и четвертого одновибраторов присоединены к первому логическому элементу «ИЛИ», выходы второго и третьего одновибраторов присоединены ко второму логическому элементу ИЛИ, выходы логических элементов «ИЛИ» соответственно присоединены ко входам буферных усилителей, выходы которых в свою очередь присоединены ко входам первичной обмотки планарного трансформатора,
в свою очередь выходы планарного трансформатора присоединены ко входному дифференциальному корректирующему усилителю, содержащему пропорционально-интегрирующие RC звенья, дифференциальный выход усилителя присоединен ко входам двух компараторов, первый из которых срабатывает при входном сигнале положительной полярности, а второй срабатывает при сигнале отрицательной полярности, выходы компараторов присоединены ко входам RS-триггера, который восстанавливает форму входного сигнала, к выходу RS-триггера присоединен выходной буферный усилитель устройства передачи данных с гальванической развязкой с помощью планарного трансформатора.
Существует вариант (рис. 2), в котором к выходу первого компаратора присоединен вход сброса первого мультивибратора, выход которого присоединен ко второму альтернативному входу сброса RS-триггера.
Существует вариант (рис. 3) в котором к выходам первого и второго одновибраторов присоединен логический элемент «ИЛИ», выход которого присоединен ко входу сброса второго мультивибратора, выход которого присоединен к первым альтернативным входам первого и второго логических элементов «И», ко вторым входам которых соответственно присоединены неинвертирующий и инвертирующий выходы триггера Шмита, при этом выход первого логического элемента «И» присоединен ко второму альтернативному входу первого одновибратора, а выход второго логического элемента «И» присоединен ко второму альтернативному входу второго одновибратора.
Возможен также вариант (рис. 4), в котором к выходам импульсного трансформатора присоединены резисторы, общая точка которых присоединена к выходу операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого присоединен источник питания, с выходным напряжением равным половине напряжения питания дифференциального усилителя, а к инвертирующему входу присоединена общая точка резисторов, вторые концы которых присоединены ко входам дифференциального усилителя.
Устройство работает следующим образом:
Входной цифровой сигнал с фронтами произвольной длительности, вплоть до 2-3 мкс, поступает на вход триггера Шмита (100) с парафазным выходом, где преобразуется в парафазный сигнал с крутыми фронтами. Далее этот сигнал поступает на входы одновибраторов 101 и 102, которые соответственно срабатывают по фронту (101) или спаду (102) входного сигнала и вырабатывают одиночные, так называемые «информационные», импульсы длительностью около 2-3 нс, эти импульсы в свою очередь запускают одновибратор 103 или 104 соответственно. Одновибраторы 103 и 104 формируют одиночные, так называемые «размагничивающие» импульсы. «Размагничивающие» импульсы необходимы для возвращения тока трансформатора в исходное, «нулевое», состояние, и тем самым устраняется межсимвольная интерференция. Далее выходные сигналы поступают на логические элементы «ИЛИ» (105, 106) и на буферные усилители 107 и 108. с выходов буферных усилителей сигналы поступают на первичную обмотку планарного трансформатора 109. Далее с выхода трансформатора сигнал поступает на корректирующий усилитель 114, частотная коррекция осуществляется элементами 110, 111, 112, 113, 115 и 116. Частотная коррекция необходима для компенсации искажений, возникающих в импульсном трансформаторе. Восстановленный сигнал поступает на входы компараторов 117 и 118, которые преобразуют, за счет смещенного порога срабатывания, разнополярные сигналы трансформатора в короткие импульсы положительной полярности. Далее с помощью RS-триггера 119 восстанавливается исходный входной сигнал, который поступает на выходной буферный усилитель 120.
Временные диаграммы, поясняющие работу устройства приведена на рис. 5а и 5б. На рис. 5а верхний график показывает входное напряжение, на следующем графике показаны выходные сигналы одновибраторов, следующие друг за другом первый импульс назовем «информационный», а второй «размагничивающий». На следующем графике показано дифференциальное напряжение на первичной обмотке трансформатора. Из графика видно, что первый импульс по амплитуде меньше чем второй, это обусловлено тем что на первом импульсе ток противоположен напряжению (противоЭДС) а во втором импульсе напряжение и ток совпадают по направлению падение напряжения от протекающего тока складывается с ЭДС обмотки трансформатора. На последнем графике показан ток первичной обмотки трансформатора. Из графика также видно, что ток, обусловленный малым значением индуктивности импульсного трансформатора, сначала нарастает, а при подаче «размагничивающего» импульса спадает со скоростью, обусловленной напряжением питания выходных буферных усилителей.
ЭДС обмотки примерно соответствует:
TV
cc
m
buf
TV
При подаче «информационного» импульса E=V-I*(R+R),
TV
cc
m
buf
TV
При подаче «размагничивающего» импульса E=V+I*(R+R),
TV
cc
m
buf
TV
m
TV
TV
TV
Где E - ЭДС обмотки, V - напряжение питания буферных усилителей, I - ток обмотки трансформатора, R - выходное сопротивление буферных усилителей, R - сопротивление обмотки трансформатора, скорость нарастания тока обмотки трансформатора определяется по формуле dI/dt=E/L, где L - индуктивность обмотки трансформатора.
Из приведенных формул видно, что на практике, параметрическим (косвенным) способом, регулируя величину длительности «размагничивающего» в зависимости от сопротивлений, можно достичь малого остаточного значения тока обмотки трансформатора, тем самым обеспечить независимость формы последующих импульсов от предыдущих при высокой частоте следования входных сигналов. Т.е. обеспечить минимальную межсимвольную интерференцию и повысить помехоустойчивость при высокой частоте следования входных импульсов.
На рис. 5б на верхнем графике показаны входной и выходной сигналы устройства, на следующем графике показано дифференциальное напряжение на выходе планарного трансформатора, далее показано выходное напряжения корректирующего усилителя и на последнем графике показаны выходные напряжения компараторов. Из графиков видно, что при длительности входных импульсов на уровне 12 нс, межсимвольная интерференция полностью отсутствует. Изготовление экспериментальных образцов показало, что при реализации микросхемы по технологии 0,25 мкм предельная частота передачи данных без искажения может достигать 200 Мбит/с.
В случаях, если возникает необходимость снятия неопределенности выходного сигнала при пропадании напряжения питания на входной части устройства (до импульсного трансформатора) или «зависания» источника входного сигнала устройство может быть дополнено, так как это показано на рис. 2. В схему выходной части устройства на выходе компаратора 117 (компаратор приема сигнала логической «1» на входе установлен мультивибратор, сбрасываемый сигналом этого компаратора и выполняющий функцию временной задержки. И, если в течение заданной временной задержки не поступит входной сигнал сброса отсчета времени, то первый же выходной сигнал мультивибратора сбрасывает выходной сигнал устройства в состояние лог «0», снимая тем самым неопределенность во входном сигнале.
В случаях, когда входной сигнал меняет свое состояние достаточно редко, а на выходе устройства желательно иметь сведения о состоянии (активности) входа не реже чем, например, 1 мс, то в схему входной части устройства можно ввести мультивибратор 303, периодически подтверждающий импульсами в трансформаторе, состояние входного сигнала, так как это показано на рис. 3. Для этого на выходе компараторов 101 и 102 устанавливается элемент «ИЛИ» 302, который при наличии активности во входном сигнале постоянно сбрасывает мультивибратор 303. Если состояние входного сигнала не меняется в течении времени, заданном мультивибратором, то выходной сигнал мультивибратора периодически через схемы совпадения «И» 300 или 301 подтверждает текущее состояние входа и в трансформаторе формируются импульсы подтверждения, передаваемые на выход устройства.
В случаях, когда необходимо обеспечить работу устройства при высоких скоростях изменения напряжения изоляции и подавления синфазного тока, протекающего через проходная емкость трансформатора и поступающего на вход дифференциального усилителя с уровнем, угрожающим вызвать насыщение входных каскадов в схемы приема сигнала трансформатора можно ввести компенсирующий операционный усилитель, удерживающий входное синфазное напряжение на заданном уровне. Предельная скорость нарастания напряжения изоляции, при котором может подавляться синфазный паразитный ток определяется по формуле:
amp
TV
comp
amp
TV
comp
dU/dt=±V/(C*R), где dU/dt=- скорость изменения напряжения изоляции, ±V - размах выходного напряжения компенсирующего усилителя, C - проходная емкость трансформатора. R - значение компенсирующих резисторов.
amp
TV
comp
При ±V=1,5 В, C=2 пФ, R=30 Ом dU/dt=25 кВ/мкс,
что является хорошим показателем для устройств подобного типа.
Применение двух буферных усилителей с парафазным выходом на обмотку трансформатора дало возможность подачи на трансформатор последовательности из двух следующих друг за другом разнополярных импульсов, возникающих в устройстве передачи данных с гальванической развязкой посредством планарного трансформатора, содержащее входной триггер Шмита с парафазным выходом к неинвертирующему выходу которого присоединен первый одновибратор к выходу которого присоединен третий одновибратор, а к инвертирующему выходу входного триггера Шмита присоединен второй одновибратор выходы первого и четвертого одновибраторов присоединены к первому логическому элементу «ИЛИ», выходы второго и третьего одновибраторов присоединены ко второму логическому элементу «ИЛИ», выходы логических элементов «ИЛИ» соответственно присоединены ко входам буферных усилителей, выходы которых в свою очередь присоединены ко входам первичной обмотки планарного трансформатора, что привело подавлению межсимвольной интерференции, повышению скорости передачи сигналов и повышению помехозащищенности устройство в целом.
Выполнение в выходной части устройства первого мультивибратора, входом сброса присоединенного к выходу первого компаратора присоединен, выходом ко второму альтернативному входу сброса RS триггера, позволило снять неопределенность в выходном сигнале при пропадании питания входной части и в других несанкционированных случаях.
Присоединение к выходам первого и второго одновибраторов логического элемента «ИЛИ», выход которого присоединен ко входу сброса второго мультивибратора, выход которого присоединен к первым альтернативным входам первого и второго логических элементов «И», ко вторым входам которых соответственно присоединены неинвертирующий и инвертирующий выходы триггера Шмита, при этом выход первого логического элемента «И» присоединен ко второму альтернативному входу первого одновибратора, а выход второго логического элемента «И» присоединен к второму альтернативному входу второго одновибратора, обеспечивает подтверждение логического состояния входного сигнала путем повторной передачи пары биполярных импульсов с периодом работы мультивибратора.
Присоединение к выходам планарного трансформатора двух резисторов, общая точка которых присоединена к выходу операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого присоединен источник питания, с выходным напряжением равным половине напряжения питания дифференциального усилителя, а к инвертирующему входу присоединена общая точка резисторов, вторые концы которых присоединены ко входам дифференциального усилителя, обеспечивает компенсацию паразитных токов, протекающих через проходную емкость трансформатора при резких перепадах напряжения между двумя сторонами гальванической развязки.
Источники информации
1. Изолирующие микросхемы на основе технологии iCoupler фирмы Analog Devices. Дмитрий Иоффе. Компоненты и технологии №7 2006 г.
2. Цифровые изоляторы Si84XX от компании Silicon Laboratories. Ярослав Комолов. Компоненты и технологии №2 2007 г
3. Преимущества применения сдвоенного емкостного барьера в новых цифровых изоляторах Texas Instruments. Сергей Пичугин. Компоненты и технологии №14 2008 г
4. «Микросхемы встраиваемых проводных модемов ISOmodem производства компании SiLabs» Алексей Курилин. "Электронные компоненты" №5, 2006 г
5. «Цифровые устройства / Генераторы/ одновибраторы» digital.sibsutis.ru/
6. «Inside Coupler Technology: ADuM347x PWM Controller and Transformer Driver with Quad-Channel Isolators» Design Summary. By Flow Zhao, Design Engineer. 2010 Analog Devices, Inc.
7. «HCPL-9000/-0900/-9030/-0930/9021/0931/-900J/-090J/-901J/-091J/-902J/-092J» Data Sheet. Agilent Technologies 2002.
8. «ISOLATED RS-485 PROFIBUS TRANSCEIVER» Data Sheet. 2008, Texas Instruments Incorporated
9. «HIGH SPEED, TRIPLE DIGITAL ISOLATORS)) Data Sheet. 2008, Texas Instruments Incorporated
10. «Si8410/20/21» Data Sheet. 2011 Silicon Laboratories
11. «High-Voltage Lifetime of the ISO72x Family of Digital Isolators)) Application Report 2006, Texas Instruments Incorporated
12. US patent 5,952,849. Sep. 1999.
13. US patent 6,873,065. Mar. 2005.
14. US patent 6,903,578. Jun. 2005.
15. US patent 7,683,654. Mar. 2010.
16. US patent 7,738,568. Jun. 2010.