Comment utiliser un ADC isolé

Jetez un œil aux systèmes à signaux mixtes fonctionnant à faible bruit, en particulier ceux utilisés pour l'instrumentation et les mesures sensibles. Ils semblent être capables de résoudre soigneusement les signaux de faible niveau sans succomber à un bruit excessif. À certaines fréquences et dans certaines gammes de tension, il peut être nécessaire de rompre certaines des règles bien acceptées concernant la mise à la terre dans les systèmes à signaux mixtes afin d'acquérir des représentations précises d'un signal. Les ADC sont les principaux composants dans les systèmes à signaux mixtes où les mondes numérique et analogique se rencontrent, et les meilleures pratiques pour utiliser ces composants dictent l'utilisation d'un seul réseau de terre pour soutenir le routage numérique et analogique partout sur le PCB. Mais que se passe-t-il lorsque nous avons besoin d'isolation dans le système, soit pour le contrôle du bruit soit pour la sécurité de l'utilisateur ? Dans ce cas, nous pouvons utiliser un ADC isolé pour imposer une isolation galvanique. Une autre option consiste à utiliser un composant qui assure le couplage entre les régions isolées galvaniquement dans un système, qui interface ensuite avec un ADC standard. Les deux options offrent une opportunité de contrôler le bruit et de prévenir les chocs électriques dangereux. Dans ce guide de conception, nous montrerons comment utiliser ces options pour fournir une isolation, en commençant par les options de composants ADC isolés.

Qu'est-ce qu'un ADC isolé ?

Un ADC isolé comprend deux régions isolées galvaniquement entre la section d'E/S numérique et l'interface analogique d'entrée. Ces composants sont construits en suivant un concept simple : dans un système qui nécessite une isolation galvanique, deux côtés d'un système seront construits sur des régions de terre séparées. Dans un ADC isolé, l'isolation galvanique est imposée entre les côtés analogique et numérique du système. De cette manière, les signaux numériques n'interféreront pas avec les signaux analogiques du côté analogique tant que ces signaux numériques sont confinés au plan de masse numérique. Certaines situations où ces composants pourraient être utilisés incluent : - Systèmes à haute tension avec une section numérique, où une mesure est nécessaire dans le système - Instrumentation spécialisée impliquant la mesure de signaux analogiques à très faible SNR - Systèmes électromécaniques ou systèmes de commutation où des impulsions rapides créent des surtensions qui pourraient endommager les composants Selon l'endroit où le signal à mesurer est routé dans un PCB, un ADC isolé pourrait avoir plus de sens à utiliser qu'un optocoupleur ou un transformateur pour l'isolation.

Diagramme de bloc

Un exemple de diagramme de bloc pour un ADC isolé est montré ci-dessous. Dans cet exemple, les deux réseaux GND dans le composant (AGND et DGND) sont isolés l'un de l'autre par un certain écart qui est intégré dans le composant. Cela signifie que sur le PCB, AGND et DGND sont connectés à des morceaux de cuivre physiquement séparés.

Lorsque j'écris « morceaux de cuivre physiquement séparés », je fais référence à différentes sections de coulée de cuivre qui sont attribuées à différents réseaux. Seuls les canaux d'entrée sur l'interface analogique (A_IN_1…A_IN_N) auront leurs niveaux de signal référencés au réseau AGND. Le bloc E/S numérique aura une certaine cote d'isolation galvanique qui s'étend jusqu'à une tension maximale et une fréquence maximale.

Cette séparation dans le schéma de blocs doit être mise en œuvre sur le PCB. La meilleure façon de faire cela est de placer deux régions contiguës séparées sur le PCB pour mettre en œuvre l'isolation galvanique, et de créer uniquement un pont entre elles avec l'ADC isolé. Cela garantira la mise en œuvre réussie de l'isolation galvanique sans le problème de création d'une antenne multipolaire en essayant d'entrelacer des plans de masse séparés.

Sélectionner un ADC isolé

Un ADC isolé a quelques spécifications importantes qui doivent être considérées pour assurer le contrôle du bruit et la sécurité dans les systèmes à signaux mixtes avec isolation galvanique.

• Nombre de canaux - Il y aura plusieurs canaux d'entrée analogiques qui peuvent être utilisés pour échantillonner les signaux entrants

• Tension d'isolation - Dans les systèmes à haute tension, le signal échantillonné pourrait provenir du côté analogique, donc l'isolation galvanique aura une certaine cote de haute tension atteignant des valeurs en kV

• Bus de sortie - Il s'agira typiquement d'un bus SPI à faibles taux d'échantillonnage, ou cela pourrait être un bus JESD204 à des taux d'échantillonnage élevés (atteignant des GHz)

• Référence et régulation internes vs externes - Certains ADC isolés ont une conversion DC/DC interne et une référenciation de précision

• Plage dynamique - C'est important lors de l'échantillonnage de signaux de faible niveau, et certains signaux de faible niveau peuvent nécessiter une amplification afin de remplir la plage dynamique de l'ADC

• Résolution - Cela doit être pesé contre la plage dynamique et le SNR ; pour les signaux à faible SNR, une faible résolution fournira une meilleure immunité au bruit

Prévenir le bruit EMI et RF avec un condensateur de sécurité

Un des gros problèmes avec les systèmes à plans séparés, comme le PCB qui serait utilisé avec un ADC isolé, est le fait qu'un ou les deux plans de masse sont flottants. En d'autres termes, il peut y avoir une différence dans le potentiel de masse mesuré entre les deux côtés du système. C'est un problème non trivial à éliminer en concevant des alimentations isolées, et le décalage de masse pourrait être une fonction de la fréquence. Le résultat est que, à certaines fréquences, la différence de potentiel entre ces masses pourrait osciller, et cela créerait un EMI rayonné.

La solution la plus simple ici est d'utiliser un condensateur de sécurité pour connecter les régions de masse AGND et DGND. Un condensateur de sécurité (par exemple, céramique ou papier métallisé) peut fournir un chemin à faible impédance pour les courants créés par un décalage de potentiel de masse, ainsi ils retourneront à l'alimentation du système dans une boucle à faible inductance plutôt que de rayonner dans l'espace libre. Le placement montré ci-dessous est le même placement qui serait utilisé aux côtés d'un transformateur dans une alimentation isolée.

Si un condensateur de sécurité va être utilisé à travers la masse, alors trois spécifications devraient être examinées :

• Capacité modérément élevée

• Faible courant de fuite en continu

• Limites de tension élevées en continu/alternatif

La raison en est de minimiser le courant de fuite dans une région où un utilisateur pourrait interagir avec un appareil et éventuellement recevoir un léger choc. La capacité doit seulement dépasser la capacité parasite entre les régions isolées galvaniquement et la capacité à travers l'espace d'isolation à l'intérieur de l'ADC isolé. Les valeurs typiques de capacité de sécurité ne dépassent pas ~1 uF avec des évaluations de tension dans la gamme des 100’s Volts.

Exemples d'ADC isolés

Texas Instruments AMC1333M10

Le AMC1333M10 de Texas Instruments offre une haute isolation avec une tension de crête atteignant jusqu'à 8 kV. Ce composant possède une horloge intégrée fournissant jusqu'à 39 kSps d'échantillonnage (87 dB de gamme dynamique) pour un seul canal avec modulation delta-sigma. L'interface de sortie est une sortie série simple routée en parallèle avec une sortie d'horloge pour simplifier le timing dans un MCU. Ce composant est un excellent choix dans les systèmes qui peuvent être en danger d'exposition à de grandes tensions mais qui ne nécessitent pas un sous-système numérique complexe pour échantillonner et synchroniser les données.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

Le MAX14001 et le MAX14002 de Maxim Integrated utilisent une architecture SAR de 10 bits avec un taux d'échantillonnage nominal de 10 kSps. La configuration, les données filtrées et les données non filtrées sont entrées/sorties via une interface SPI. L'isolation galvanique dans ce composant est garantie jusqu'à des tensions de 3,75 kV RMS, donc ce composant convient également pour une utilisation dans un environnement à haute tension. Entre ces deux composants, seul le MAX14001 peut limiter les impulsions d'appel répétitives pour éviter la surchauffe due à des signaux d'entrée anormaux qui déclencheraient autrement un flux continu d'impulsions d'appel.

Alternatives aux ADC isolés

Les ADC isolés sont des composants très utiles, mais ils ne sont pas le seul type de composant qui peut être utilisé pour imposer une isolation dans un système à signaux mixtes. Il existe deux autres composants traditionnellement utilisés pour l'isolation : les optocoupleurs et les transformateurs. Ces deux composants peuvent être utilisés dans le cadre d'une stratégie d'isolation, mais cela peut se faire sans avoir besoin d'un ADC isolé. Au lieu de cela, ces composants couplent le signal analogique entre deux régions isolées, ou ils couplent les données numériques sortant de l'ADC.

Le tableau ci-dessous résume quand utiliser différents types de mécanismes de couplage avec des signaux analogiques ou numériques. En résumé, un transformateur ne devrait pas être utilisé pour coupler des données numériques entre des régions galvaniquement isolées. La raison en est que le transformateur convertit les signaux numériques en impulsions parce que le transformateur ne couple l'énergie électromagnétique que lorsque le signal d'entrée commute. Par conséquent, si vous devez utiliser un mécanisme de couplage avec des données numériques plutôt qu'un CAN isolé, un optocoupleur serait préférable.

Optocoupleurs

Un CI optocoupleur est souvent utilisé dans les alimentations isolées pour router une ligne de retour de la sortie vers l'entrée tout en assurant une isolation galvanique entre les deux côtés du système. Un optocoupleur peut être utilisé avec des signaux numériques ou analogiques, mais le meilleur cas d'utilisation est probablement de coupler des signaux analogiques à travers un espace dans un CAN non isolé.

Un optocoupleur pourrait être utilisé pour coupler la sortie du bus numérique à travers les régions galvaniquement isolées plutôt que les signaux analogiques. Cependant, cela peut ne pas être la meilleure option pour coupler les signaux car cela pourrait altérer le taux de variation et le timing, il y a donc un léger risque de violation des temps de préparation et de maintien sur le composant récepteur. Par conséquent, le meilleur usage pourrait être d'utiliser un optocoupleur uniquement avec les signaux analogiques à échantillonner.

Transformateurs

Un transformateur convient pour relier les côtés analogique et numérique d'un système mixte galvaniquement isolé tant que les directives de sécurité des condensateurs sont suivies. Cela serait utilisé lorsqu'un signal analogique doit être échantillonné dans, par exemple, un environnement à haute tension. Une autre option est d'augmenter la tension d'un signal de faible niveau qui est ensuite introduit dans un CAN non isolé.

La raison pour laquelle le transformateur est utilisé uniquement avec un signal analogique est qu'il ne couple un signal entre les côtés galvaniquement isolés que lorsqu'un signal commute. Si le transformateur était utilisé du côté numérique pour coupler la sortie numérique à travers un espace d'isolation, le transformateur perdrait les données car il convertit les taux de variation numériques en impulsions. Par conséquent, il ne peut être utilisé qu'avec des signaux analogiques.

Composants importants pour les systèmes à signaux mixtes

Les systèmes à signaux mixtes qui mettent en œuvre l'isolation et doivent fournir des mesures précises de signaux de faible niveau nécessitent de nombreux autres composants au-delà des CAN isolés. Ces composants vont des processeurs, amplificateurs, filtres, et bien plus encore. Les DAC sont également utiles dans ces systèmes, bien que les DAC isolés soient moins courants que les CAN isolés. Certains des autres composants que les concepteurs pourraient avoir besoin d'inclure :

• Amplificateurs à faible bruit pour les circuits de réception dans les systèmes RF

• Amplificateurs opérationnels pour circuits analogiques

• Processeurs qui contrôlent le système et traitent les données

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