Cómo utilizar un ADC aislado

Eche un vistazo a los sistemas de señal mixta que operan con bajo ruido, especialmente aquellos utilizados para instrumentación y mediciones sensibles. Parecen ser capaces de resolver cuidadosamente señales de bajo nivel sin sucumbir al exceso de ruido. En ciertas frecuencias y en ciertos rangos de voltaje, puede ser necesario romper algunas de las reglas bien aceptadas sobre el aterrizaje en sistemas de señal mixta para adquirir representaciones precisas de una señal. Los ADC son los componentes principales en sistemas de señal mixta donde los mundos digital y analógico se encuentran, y las mejores prácticas para usar estos componentes dictan el uso de una única red de tierra para soportar el enrutamiento digital y analógico en cualquier lugar del PCB. Pero, ¿qué sucede cuando necesitamos tener aislamiento en el sistema, ya sea para control de ruido o para seguridad del usuario? En este caso, podemos usar un ADC aislado para hacer cumplir el aislamiento galvánico. Otra opción es usar algún componente que proporcione acoplamiento entre regiones galvánicamente aisladas en un sistema, que luego se interfaz con un ADC estándar. Ambas opciones brindan una oportunidad para controlar el ruido y prevenir choques eléctricos peligrosos. En esta guía de diseño, mostraremos cómo usar estas opciones para proporcionar aislamiento, comenzando con opciones de componentes ADC aislados.

¿Qué es un ADC Aislado?

Un ADC aislado incluye dos regiones galvánicamente aisladas entre la sección de E/S digital y la interfaz de entrada analógica. Estos componentes se construyen siguiendo un concepto simple: en un sistema que requiere aislamiento galvánico, dos lados de un sistema se construirán sobre regiones de tierra separadas. En un ADC aislado, el aislamiento galvánico se hace cumplir entre los lados analógico y digital del sistema. De esta manera, las señales digitales no interferirán con las señales analógicas en el lado analógico siempre que esas señales digitales estén confinadas al plano de tierra digital. Algunas situaciones donde estos componentes podrían usarse incluyen: - Sistemas de alto voltaje con una sección digital, donde se necesita alguna medición en el sistema - Instrumentación especializada que involucra la medición de señales analógicas con SNR muy bajo - Sistemas electromecánicos o sistemas de conmutación donde los pulsos rápidos crean sobretensiones que podrían dañar componentes Dependiendo de dónde se esté enrutando la señal a medir en un PCB, un ADC aislado podría tener más sentido usar que un optoacoplador o transformador para aislamiento.

Diagrama de Bloques

A continuación, se muestra un diagrama de bloques de ejemplo para un ADC aislado. En este ejemplo, las dos redes GND en el componente (AGND y DGND) están aisladas entre sí por algún espacio que está incorporado en el componente. Esto significa que en el PCB, AGND y DGND están conectados a piezas de cobre físicamente separadas. Cuando escribo "piezas de cobre físicamente separadas", me refiero a diferentes secciones de vertido de cobre que se asignan a diferentes redes. Solo los canales de entrada en la interfaz analógica (A_IN_1…A_IN_N) tendrán sus niveles de señal referenciados a la red AGND. El bloque de E/S digital tendrá alguna calificación de aislamiento galvánico que se extiende hasta algún voltaje máximo y alguna frecuencia máxima.

Esta separación en el diagrama de bloques debe implementarse en el PCB. La mejor manera de hacerlo es colocar dos regiones contiguas separadas en el PCB para implementar el aislamiento galvánico, y solo crear un puente entre ellas con el ADC aislado. Esto asegurará la implementación exitosa del aislamiento galvánico pero sin el problema de crear una antena multipolar al intentar entrelazar planos de tierra separados.

Seleccionando un ADC Aislado

Un ADC aislado tiene algunas especificaciones importantes que deben considerarse para asegurar el control de ruido y la seguridad en sistemas de señales mixtas con aislamiento galvánico.

• Cantidad de canales - Habrá múltiples canales de entrada analógicos que se pueden usar para muestrear señales entrantes

• Voltaje de aislamiento - En sistemas de alto voltaje, la señal muestreada podría originarse en el lado analógico, por lo que el aislamiento galvánico tendrá alguna calificación de alto voltaje alcanzando valores de kV

• Bus de salida - Esto típicamente será un bus SPI a bajas tasas de muestreo, o podría ser un bus JESD204 a altas tasas de muestreo (alcanzando GHz)

• Referencia y regulación interna vs. externa - Algunos ADCs aislados tienen conversión DC/DC interna y referencia de precisión

• Rango dinámico - Esto es importante al muestrear señales de bajo nivel, y algunas señales de bajo nivel pueden requerir amplificación para llenar el rango dinámico del ADC

• Resolución - Esto debe sopesarse contra el rango dinámico y SNR; para señales de bajo SNR, una baja resolución proporcionará una mayor inmunidad al ruido

Prevenir EMI y Ruido RF con un Capacitor de Seguridad

Uno de los grandes problemas con los sistemas de planos divididos, como el PCB que se usaría con un ADC aislado, es el hecho de que uno o ambos suelos están flotando. En otras palabras, puede haber alguna diferencia en el potencial de tierra medido entre los dos lados del sistema. Este es un problema no trivial de eliminar diseñando fuentes de alimentación aisladas, y el desplazamiento de tierra podría ser una función de la frecuencia. El resultado es que, a ciertas frecuencias, la diferencia de potencial entre estas tierras podría oscilar, y esto crearía EMI radiada.

La solución más simple aquí es usar un capacitor de seguridad para conectar las regiones de tierra AGND y DGND. Un capacitor de seguridad (por ejemplo, cerámico o de papel metalizado) puede proporcionar un camino de baja impedancia para las corrientes creadas por un desplazamiento del potencial de tierra, así volverán a la fuente de alimentación del sistema en un bucle de baja inductancia en lugar de radiar al espacio libre. La colocación mostrada a continuación es la misma colocación que se usaría junto a un transformador en una fuente de alimentación aislada.

Si se va a usar un capacitor de seguridad a través de la tierra, entonces se deben examinar tres especificaciones:

• Capacitancia moderadamente alta

• Baja corriente de fuga en DC

• Altos límites de voltaje DC/AC

La razón de esto es minimizar la corriente de fuga en una región donde un usuario podría interactuar con un dispositivo y posiblemente recibir una ligera descarga. La capacitancia solo necesita exceder la capacitancia parásita entre las regiones aisladas galvánicamente y la capacitancia a través del espacio de aislamiento dentro del ADC aislado. Los valores típicos de capacitores de seguridad no exceden ~1 uF con calificaciones de voltaje en el rango de 100’s de Voltios.

Ejemplos de ADCs Aislados

Texas Instruments AMC1333M10

El AMC1333M10 de Texas Instruments proporciona un alto aislamiento con un voltaje pico de hasta 8 kV. Este componente tiene un reloj incorporado que proporciona hasta 39 kSps de muestreo (87 dB de rango dinámico) para un solo canal con modulación delta-sigma. La interfaz de salida es una salida serial simple enrutada en paralelo con una salida de reloj para un temporizado simplificado en un MCU. Este componente es una excelente elección en sistemas que pueden estar en peligro de experimentar una gran exposición a voltajes pero que no requieren un subsistema digital complejo para muestrear y sincronizar datos.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

El MAX14001 y el relacionado MAX14002 de Maxim Integrated emplean una arquitectura SAR de 10 bits con una tasa de muestreo nominal de 10 kSps. La configuración, los datos filtrados y los datos no filtrados se introducen/salida a través de una interfaz SPI. La aislación galvánica en este componente está garantizada hasta voltajes RMS de 3.75 kV, por lo que este componente también es adecuado para su uso en un entorno de alto voltaje. Entre estos dos componentes, solo el MAX14001 puede limitar los pulsos de entrada repetitivos para prevenir el sobrecalentamiento por señales de entrada anormales que de otro modo desencadenarían un flujo continuo de pulsos de entrada.

Alternativas a los ADCs Aislados

Los ADCs aislados son componentes muy útiles, pero no son el único tipo de componente que se puede utilizar para imponer aislamiento en un sistema de señales mixtas. Hay otros dos componentes que tradicionalmente se utilizan para el aislamiento: optoacopladores y transformadores. Ambos componentes pueden usarse como parte de una estrategia de aislamiento, pero esto se puede hacer sin la necesidad de un ADC aislado. En cambio, estos componentes están acoplando la señal analógica entre dos regiones aisladas, o están acoplando los datos digitales provenientes del ADC.

La tabla a continuación resume cuándo usar diferentes tipos de mecanismos de acoplamiento con señales analógicas o digitales. En resumen, un transformador no debe usarse para acoplar datos digitales entre regiones galvánicamente aisladas. La razón de esto es que el transformador convierte las señales digitales en pulsos porque el transformador solo acopla energía electromagnética cuando la señal de entrada está cambiando. Por lo tanto, si debe usar un mecanismo de acoplamiento con datos digitales en lugar de un ADC aislado, un optoacoplador sería preferible.

Optoacopladores

Un circuito integrado de optoacoplador se usa a menudo en fuentes de alimentación aisladas para dirigir una línea de retroalimentación desde el lado de salida al lado de entrada mientras se asegura el aislamiento galvánico entre ambos lados del sistema. Un optoacoplador puede usarse con señales digitales o analógicas, pero posiblemente el mejor caso de uso sea acoplar señales analógicas a través de un espacio en un ADC no aislado.

Un optoacoplador podría usarse para acoplar la salida del bus digital a través de las regiones galvánicamente aisladas en lugar de las señales analógicas. Sin embargo, esta puede no ser la mejor opción para acoplar señales porque podría alterar la tasa de cambio y el tiempo, por lo que hay un ligero riesgo de violar los tiempos de preparación y mantenimiento en el componente receptor. Por lo tanto, el mejor uso puede ser usar un optoacoplador solo con las señales analógicas que se van a muestrear.

Transformadores

Un transformador es adecuado para conectar los lados analógico y digital de un sistema de señal mixta galvánicamente aislado siempre que se sigan las pautas de seguridad del capacitor. Esto se usaría cuando una señal analógica necesita ser muestreada, por ejemplo, en un entorno de alto voltaje. Otra opción es aumentar el voltaje de una señal de bajo nivel que luego se alimenta en un ADC no aislado.

La razón por la que el transformador solo se usa con una señal analógica es que solo acopla una señal entre los lados galvánicamente aislados cuando una señal está cambiando. Si el transformador se estuviera usando en el lado digital para acoplar la salida digital a través de una brecha de aislamiento, el transformador perderá los datos porque convierte las tasas de cambio digital en pulsos. Por lo tanto, solo se puede usar con señales analógicas.

Componentes Importantes Para Sistemas de Señal Mixta

Los sistemas de señal mixta que implementan aislamiento y deben proporcionar mediciones precisas de señales de bajo nivel requieren muchos otros componentes más allá de los ADC aislados. Estos componentes varían entre procesadores, amplificadores, filtros y mucho más. Los DAC también son útiles en estos sistemas, aunque los DAC aislados son menos comunes que los ADC aislados. Algunos de los otros componentes que los diseñadores podrían necesitar incluir:

• Amplificadores de bajo ruido para circuitos receptores en sistemas RF

• Amplificadores operacionales para circuitos analógicos

• Procesadores que controlan el sistema y procesan datos

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