/>
Ео Сёк Бин(Yeo Siok Been)
Оптронынеобходимы для обеспечения надежной высоковольтной развязки от импульсныхперенапряжений, а также для подавления синфазных переходных помех, воздействующихна входные сигналы. Оптроны нового поколения компании Avago TechnologiesACPL-M61L/061L/064L/W61L/K64L (ACPL-x6xL) имеют значительно меньшееэнергопотребление при столь же высоких характеристиках помехоподавления иразвязки.
Введение
Энергоэффективность— один из главных параметров, который проектировщики оборудования постоянностремятся повысить. Есть четыре важные причины, по которым проектировщики всевремя охотятся за оптронами с низким энергопотреблением:
Усветодиода в оптроне должен быть малый прямой ток, чтобы им можно былоуправлять напрямую, без внешних буферов, большинством микроконтроллеров илиспециализированных микросхем (рис. 1).
Необходимостьснижения энергопотребления, особенно в многоканальных параллельных линиях связи.Оптрон состоит из светодиода на входе изолирующего барьера и детектора навыходе. Используя энергоэффективные светодиод и детектор, можно снизитьпотребление тока в каждом канале связи. Тем самым эффективность будет темзначительнее, чем больше каналов в линиях связи. С уменьшениемэнергопотребления снизится тепловыделение, за счет чего можно будет упроститьотвод тепла в конструкции.
КПДпреобразователя постоянного тока с гальванической развязкой часто определяетполезную мощность модуля. В этом случае, чтобы не превышать бюджет мощности, необходимыоптроны с низким энергопотреблением.
Приуправлении на меньшем прямом токе продлевается срок службы светодиода оптрона.
/>
Рис.1. Управление оптроном ACPL-M61L напрямую от специализированной ИС, безвнешнего буфера
Оптронынового поколения компании Avago Technologies ACPL-M61L/061L/064L/W61L/K64L(ACPL-x6xL) характеризуются значительно большей энергоэффективностью привысоких характеристиках помехоподавления и изоляции. Новые оптроны потребляютна 90% меньше энергии по сравнению со стандартными оптронами, представленнымисегодня на рынке, и на 40% меньше энергии по сравнению с устройствами развязкидругих типов.
Функции оптронов
Двеглавные причины использования оптронов — это развязка от высокого напряжения ипомехоподавление. Электрооборудование, особенно промышленного назначения, должноработать десятилетиями. Поэтому для обеспечения высочайшей надежностивысоковольтной развязки в оптроне должен быть высококачественный изолирующийбарьер. Кроме того, оптроны служат для подавления сильных синфазных переходныхпомех. Отсутствие оптронов может привести к аномальным перепадам напряжения илиизбыточной зашумленности выходного сигнала. Эта характеристика оптроновназывается помехоподавлением.
Существующиерешения для изоляции
Существуютдругие решения для развязки, в которых энергопотребление снижается за счетповышения коэффициента передачи сигнала ценой уменьшения толщины изолирующегобарьера. Кроме того, для обеспечения требуемого энергетического КПДиспользуется метод кодирования с запуском по фронту (в отличие от кодирования сзапуском по уровню, применяемого в оптронах). Эти методы кодированияиллюстрирует рис. 2. При кодировании с запуском по фронту внутренний сигналпередается коротким импульсом во время нарастания входного сигнала. Этот методкодирования повышает энергетический КПД при низкой скорости передачи данных, нос ростом частоты энергопотребление повышается. При кодировании с запуском поуровню светодиод детектирует уровень прямого тока, установленного входнымсигналом, и передает выходной сигнал на детектор в виде светового импульса. Таккак суммарная энергия (определенная как общая площадь под кривой) кодированногосигнала оказывается выше при запуске по уровню, то вероятность искажения этогосигнала синфазным током утечки меньше. Таким образом, данный метод болееустойчив к синфазным помехам.
/>
Рис.2. Различные методы декодирования сигнала: а) схема передачи сигнала с запускомпо уровню; б) схема передачи сигнала с запуском по фронту
ACPL-x6xL— новое поколение оптронов компании Avago Technologies с низкимэнергопотреблением
Чтобыоптроны имели высокое напряжение изоляции и обеспечивали эффективноепомехоподавление, необходимо сохранить состав и толщину изолирующего барьера. Уновых оптронов серии ACPL-x6xL пиковое рабочее напряжение составляет 1140 В, аэффективное напряжение развязки — 5000 В. Применяется тот же метод кодированияс запуском по уровню, обеспечивающий эффективное статическое (без передачисигнала) и динамическое (с передачей сигнала) помехоподавление. ОптроныACPL-x6xL имеют также встроенный фарадеевский экран, заводящий синфазныепереходные помехи на общий провод. Кроме того, токоограничительный резистор, последовательносоединенный со входом светодиода, образует часть RC-цепочки, обеспечивающейхорошую фильтрацию помех в условиях сильного зашумления (рис. 3). Благодарявышесказанному оптроны ACPLx6xL имеют лучшую в своем классе устойчивость ксинфазным помехам — 35 кВ/мкс.
/>
Рис.3. Токоограничительный резистор R1 и паразитная входная емкость светодиодаобразуют фильтр нижних частот, подавляющий высокочастотные помехи
Чтобыоптроном можно было управлять с помощью малого прямого тока, обеспечивая приэтом постоянное быстродействие в широком диапазоне температур, новые оптроныиндивидуально подстраиваются для точной установки порога переключения. Врезультате прямой управляющий ток удалось уменьшить до 1, 6 мА. Благодаря этойтехнологии подстройки оптроны ACPL-x6xL позволяют передавать сигнал соскоростью 10 Мбит/с при максимальной задержке распространения 80 нс в диапазонетемператур –40…105 °C.
Малыйуправляющий ток светодиода (>1, 6 мА) не только позволяет напрямую управлятьоптронами ACPL-x6xL с большинства микропроцессоров (рис. 1), но и продлеваетсрок службы светодиода. Известно, что срок службы светодиода обратнопропорционален управляющему току. Как видно из рис. 4, интенсивность излучениясветодиода оптрона ACPL-x6xL снижается всего на 1% через 22 года при работе натоке 3 мА при температуре 85 °C с коэффициентом заполнения 50%. Этот графикполучен исходя из эквивалентной длительности эксплуатации, рассчитанной помодели Блэка (условия нагрузочных эксплуатационных испытаний: температура 125 °C, управляющий ток светодиода 20 мА).
/>
Рис.4. Снижение интенсивности излучения светодиода при токе 3 мА, температуре 85 °C и постоянно включенном светодиоде
Принципработы оптрона состоит в том, что входной сигнал управляет светодиодом, которыйпреобразует этот сигнал в свет. Свет от светодиода преобразуется детектором вслабый токовый сигнал, который затем усиливается и преобразуется с помощьюусилителя напряжения, управляемого током (УНУТ). Работа УНУТ в широкомдиапазоне напряжений питания (от 2, 7 до 5, 5 В) обеспечивается внутреннимстабилизатором.
Чтобыуменьшить энергопотребление детектора, компания Avago Technologies разработаласпециальную схему. В этом запатентованном решении ток внутреннего стабилизатораодновременно используется для усиления сигнала, что представляет собойчрезвычайно рациональное расходование тока питания. Для работы детектораоптрона на скорости передачи данных 10 Мбит/с достаточно тока в 1, 3 мА.
Полезныедополнительные функции оптронов ACPL-x6xL
Этоновое поколение оптронов отличается двумя дополнительными особенностями. Преждевсего, это функция, аналогичная функции отключения питания при пониженномнапряжении (UVLO). Во многих случаях в процессе включения и отключения питаниянапряжение на некоторых компонентах электрического модуля являетсянедостаточным для надлежащего функционирования устройства. Иногда шумовыевсплески на выходе могут привести к случайному срабатыванию следующего каскада.Данная функция призвана обеспечить детерминированное состояние выхода впроцессе включения и отключения питания.
/>
Рис.5. Изменение времени нарастания и спада выходного сигнала в зависимости отемкости нагрузки: а) уровень на выходе меняется с высокого на низкий; б)уровень на выходе меняется с низкого на высокий
Сдругой стороны, проектировщики часто сталкиваются с проблемами, обусловленныминепостоянством времени нарастания и спада в различных линиях связи из-заизменения нагрузки. Выходные узлы с большой емкостью нагрузки будут иметьбольшее время нарастания и спада (рис. 5). Это приводит к сильному разбросу втаких параметрах, как задержка распространения, искажение длительности импульсови рассогласование задержек распространения. В оптроне ACPL-x6xL предусмотренафункция контроля скорости нарастания выходного сигнала. Данная функцияпозволяет надежно контролировать время нарастания и спада выходного сигнала вшироком диапазоне емкостей нагрузки. Это важно при параллельной связи, когдаразные линии связи (например, тактовые и сигнальные) могут иметь неодинаковыйкоэффициент разветвления по выходу. Эта уникальная функция реализована только воптронах ACPL-x6xL и отсутствует в каких-либо других стандартных оптронах идругих устройствах развязки, представленных сегодня на рынке.
Простотав использовании
ОптронACPL-x6xL оборудован светодиодом с такой конфигурацией входной цепи, которая нетолько помогает фильтровать помехи, но и обеспечивает проектировщику большуюгибкость. При смене полярности входа инвертирующий выход превращается внеинвертирующий без дополнительного инвертора (рис. 6). Для пользователей, которымтребуется возможность точной настройки быстродействия, характеристик и т. д., предусмотреновключение пикового конденсатора параллельно токоограничительному резистору.Вдобавок новые оптроны (ACPL-x6xL) характеризуются возможностью управлениянапряжением. В прошлом проектировщики сами рассчитывали сопротивлениетокоограничительного резистора для установки управляющего тока светодиода.Новый оптрон ACPL-x6xL может легко управляться напряжением при использованиирезисторов рекомендованных сопротивлений, указанных в документации. Если жетребуется получить более высокое быстродействие и при этом можно пожертвоватьэнергоэффективностью, можно установить больший управляющий ток светодиодаоптрона в пределах рекомендуемого диапазона значений.
/>
Рис.6. Управление полярностью входа оптрона позволяет выбирать инвертирующую илинеинвертирующую логику работы: а) ACPL-064L в инвертирующей логике; б)ACPL-064L в неинвертирующей логике
Вывод
Оптронынового поколения обладают необходимой энергоэффективностью, обеспечивая приэтом надежную высоковольтную развязку и эффективное статическое и динамическоепомехоподавление. Новые оптроны имеют дополнительные встроенные функции(контроль скорости нарастания и стабилизация выхода при включении и отключениипитания). Оптроны чрезвычайно просты в использовании и могут теперь управлятьсянапряжением. К тому же оптроны ACPL-x6xL (ACPLM61L/061L/064L/W61L/K64L)характеризуются гибкостью, обеспечивающей возможность адаптации к требованиямконкретной конструкции. Например, инверсия логической полярности и регулировкабыстродействия. Новые цифровые оптроны ACPL-x6xL, поддерживающие скоростьпередачи данных 10 Мбит/с, пригодны для использования в коммуникационныхинтерфейсах (RS485, CANBus и I2C), интерфейсах микропроцессорных систем исхемах цифровой развязки для аналого-цифрового и цифро-аналоговогопреобразования.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.gaw.ru/