Come Utilizzare un ADC Isolato

Dai un'occhiata ai sistemi a segnale misto che operano a basso rumore, specialmente quelli utilizzati per strumentazione e misurazioni sensibili. Sembra che siano in grado di risolvere con attenzione segnali a basso livello senza soccombere a rumori eccessivi. A certe frequenze e in certi intervalli di tensione, può essere necessario infrangere alcune delle regole ben accettate riguardanti la messa a terra nei sistemi a segnale misto per acquisire rappresentazioni accurate di un segnale. Gli ADC sono i componenti principali nei sistemi a segnale misto dove si incontrano i mondi digitale e analogico, e le migliori pratiche per l'uso di questi componenti prevedono l'uso di una singola rete di terra per supportare il routing digitale e analogico ovunque sul PCB. Ma cosa succede quando abbiamo bisogno di avere isolamento nel sistema, sia per il controllo del rumore che per la sicurezza dell'utente? In questo caso, possiamo utilizzare un ADC isolato per imporre l'isolamento galvanico. Un'altra opzione è utilizzare alcuni componenti che forniscono accoppiamento tra regioni galvanicamente isolate in un sistema, che poi si interfacciano con un ADC standard. Entrambe le opzioni offrono l'opportunità di controllare il rumore e prevenire scosse elettriche pericolose. In questa guida alla progettazione, mostreremo come utilizzare queste opzioni per fornire isolamento, partendo dalle opzioni di componenti ADC isolati.

Cos'è un ADC Isolato?

Un ADC isolato include due regioni galvanicamente isolate tra la sezione I/O digitale e l'interfaccia di ingresso analogica. Questi componenti sono costruiti seguendo un concetto semplice: in un sistema che richiede isolamento galvanico, due lati di un sistema saranno costruiti su regioni di terra separate. In un ADC isolato, l'isolamento galvanico è imposto tra i lati analogico e digitale del sistema. In questo modo, i segnali digitali non interferiranno con i segnali analogici sul lato analogico finché quei segnali digitali sono confinati al piano di terra digitale. Alcune situazioni in cui questi componenti potrebbero essere utilizzati includono: - Sistemi ad alta tensione con una sezione digitale, dove è necessaria una misurazione nel sistema - Strumentazione specializzata che coinvolge la misurazione di segnali analogici con SNR molto basso - Sistemi elettromeccanici o sistemi di commutazione dove impulsi rapidi creano sovratensioni che potrebbero danneggiare i componenti A seconda di dove il segnale da misurare viene instradato in un PCB, un ADC isolato potrebbe avere più senso da usare rispetto a un optoaccoppiatore o trasformatore per l'isolamento.

Diagramma a Blocchi

Di seguito è mostrato un esempio di diagramma a blocchi per un ADC isolato. In questo esempio, le due reti GND nel componente (AGND e DGND) sono isolate l'una dall'altra da un certo divario che è incorporato nel componente. Questo significa che sul PCB, AGND e DGND sono connessi a pezzi di rame fisicamente separati. Quando scrivo "pezzi di rame fisicamente separati", mi riferisco a diverse sezioni di riporto di rame che sono assegnate a reti diverse. Solo i canali di ingresso sull'interfaccia analogica (A_IN_1…A_IN_N) avranno i loro livelli di segnale riferiti alla rete AGND. Il blocco I/O digitale avrà una certa valutazione di isolamento galvanico che si estende fino a una certa tensione massima e una certa frequenza massima.

Questa separazione nel diagramma a blocchi deve essere implementata sul PCB. Il modo migliore per farlo è posizionare due regioni contigue separate sul PCB per implementare l'isolamento galvanico, e creare un ponte tra di esse solo con l'ADC isolato. Questo garantirà l'implementazione riuscita dell'isolamento galvanico ma senza il problema di creare un'antenna multipolare cercando di intercalare piani di massa separati.

Selezione di un ADC Isolato

Un ADC isolato ha alcune specifiche importanti che devono essere considerate per garantire il controllo del rumore e la sicurezza nei sistemi a segnale misto con isolamento galvanico.

• Conteggio dei canali - Ci saranno più canali di input analogici che possono essere utilizzati per campionare i segnali in arrivo

• Tensione di isolamento - Nei sistemi ad alta tensione, il segnale campionato potrebbe originare dal lato analogico, quindi l'isolamento galvanico avrà una certa valutazione di alta tensione che raggiunge valori in kV

• Bus di uscita - Tipicamente sarà un bus SPI a basse velocità di campionamento, o potrebbe essere un bus JESD204 a velocità di campionamento elevate (raggiungendo i GHz)

• Riferimento e regolazione interni vs. esterni - Alcuni ADC isolati hanno conversione DC/DC interna e riferimento di precisione

• Gamma dinamica - Questo è importante quando si campionano segnali a basso livello, e alcuni segnali a basso livello potrebbero richiedere un'amplificazione per riempire la gamma dinamica dell'ADC

• Risoluzione - Questo deve essere valutato contro la gamma dinamica e SNR; per segnali con basso SNR, una bassa risoluzione fornirà una maggiore immunità al rumore

Prevenire EMI e rumore RF con un condensatore di sicurezza

Uno dei grandi problemi con i sistemi a piani separati, come il PCB che sarebbe utilizzato con un ADC isolato, è il fatto che uno o entrambi i piani di massa sono flottanti. In altre parole, può esserci una certa differenza nel potenziale di massa misurato tra i due lati del sistema. Questo è un problema non trascurabile da eliminare progettando alimentatori isolati, e lo sfasamento di massa potrebbe essere una funzione della frequenza. Il risultato è che, a certe frequenze, la differenza di potenziale tra questi piani di massa potrebbe oscillare, e ciò creerebbe EMI irradiata.

La soluzione più semplice qui è utilizzare un condensatore di sicurezza per collegare le regioni di terra AGND e DGND. Un condensatore di sicurezza (ad esempio, ceramico o di carta metallizzata) può fornire un percorso a bassa impedenza per le correnti create da uno sfasamento di potenziale di massa, quindi torneranno all'alimentazione del sistema in un anello a bassa induttanza piuttosto che irradiare nello spazio libero. Il posizionamento mostrato di seguito è lo stesso posizionamento che sarebbe utilizzato insieme a un trasformatore in un'alimentazione isolata.

Se un condensatore di sicurezza verrà utilizzato attraverso la terra, allora tre specifiche dovrebbero essere esaminate:

• Capacità moderatamente alta

• Bassa corrente di dispersione DC

• Alti limiti di tensione DC/AC

Il motivo di ciò è minimizzare la corrente di dispersione in una regione dove un utente potrebbe interagire con un dispositivo e possibilmente ricevere una leggera scossa. La capacità deve solo superare la capacità parassita tra le regioni galvanicamente isolate e la capacità attraverso il gap di isolamento all'interno dell'ADC isolato. I valori tipici dei condensatori di sicurezza non superano ~1 uF con valutazioni di tensione nell'ordine delle centinaia di Volt.

Esempi di ADC Isolati

Texas Instruments AMC1333M10

L'AMC1333M10 di Texas Instruments offre un'alta isolazione con tensioni di picco che raggiungono fino a 8 kV. Questo componente ha un orologio integrato che fornisce fino a 39 kSps di campionamento (87 dB di gamma dinamica) per un singolo canale con modulazione delta-sigma. L'interfaccia di uscita è un semplice output seriale instradato in parallelo con un'uscita dell'orologio per semplificare il timing in un MCU. Questo componente è un'ottima scelta in sistemi che possono essere in pericolo di esposizione a grandi tensioni ma che non richiedono un sottosistema digitale complesso per campionare e sincronizzare i dati.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

Il MAX14001 e il relativo MAX14002 di Maxim Integrated impiegano un'architettura SAR a 10 bit con un tasso di campionamento nominale di 10 kSps. La configurazione, i dati filtrati e i dati non filtrati sono input/output tramite un'interfaccia SPI. L'isolamento galvanico in questo componente è garantito fino a tensioni RMS di 3,75 kV, quindi questo componente è adatto anche per l'uso in un ambiente ad alta tensione. Tra questi due componenti, solo il MAX14001 può limitare i pulsanti di inrush ripetitivi per prevenire il surriscaldamento da segnali di ingresso anomali che altrimenti innescerebbero un flusso continuo di pulsanti di inrush.

Alternative agli ADC Isolati

Gli ADC isolati sono componenti molto utili, ma non sono l'unico tipo di componente che può essere utilizzato per imporre l'isolamento in un sistema a segnali misti. Ci sono altri due componenti che tradizionalmente vengono utilizzati per l'isolamento: gli optoisolatori e i trasformatori. Entrambi i componenti possono essere utilizzati come parte di una strategia di isolamento, ma ciò può essere fatto senza la necessità di un ADC isolato. Invece, questi componenti accoppiano il segnale analogico tra due regioni isolate, o accoppiano i dati digitali in uscita dall'ADC.

La tabella sottostante riassume quando utilizzare diversi tipi di meccanismi di accoppiamento con segnali analogici o digitali. In breve, un trasformatore non dovrebbe essere utilizzato per accoppiare dati digitali tra regioni galvanicamente isolate. Il motivo è che il trasformatore converte i segnali digitali in impulsi perché accoppia energia elettromagnetica solo quando il segnale di ingresso è in commutazione. Pertanto, se si deve utilizzare un meccanismo di accoppiamento con dati digitali piuttosto che un ADC isolato, sarebbe preferibile un optoisolatore.

Optoisolatori

Un IC optoisolatore è spesso utilizzato in alimentatori isolati per instradare una linea di feedback dal lato di uscita al lato di ingresso garantendo al contempo l'isolamento galvanico tra entrambi i lati del sistema. Un optoisolatore può essere utilizzato con segnali digitali o analogici, ma il caso d'uso migliore è probabilmente accoppiare segnali analogici attraverso un divario in un ADC non isolato.

Un optoisolatore potrebbe essere utilizzato per accoppiare l'uscita del bus digitale attraverso le regioni galvanicamente isolate piuttosto che i segnali analogici. Tuttavia, questa potrebbe non essere la migliore opzione per l'accoppiamento dei segnali perché potrebbe alterare la velocità di commutazione e il timing, quindi c'è un leggero rischio di violare i tempi di setup e hold sul componente ricevente. Pertanto, il miglior uso potrebbe essere utilizzare un optoisolatore solo con i segnali analogici da campionare.

Trasformatori

Un trasformatore è adatto per collegare i lati analogico e digitale di un sistema misto galvanicamente isolato purché vengano seguite le linee guida sui condensatori di sicurezza. Questo sarebbe utilizzato quando un segnale analogico deve essere campionato, ad esempio, in un ambiente ad alta tensione. Un'altra opzione è aumentare la tensione di un segnale a basso livello che viene poi alimentato in un ADC non isolato.

Il motivo per cui il trasformatore è utilizzato solo con un segnale analogico è che accoppia un segnale tra i lati galvanicamente isolati solo quando un segnale è in commutazione. Se il trasformatore fosse utilizzato sul lato digitale per accoppiare l'uscita digitale attraverso un divario di isolamento, il trasformatore perderebbe i dati perché converte i tassi di commutazione digitali in impulsi. Pertanto, può essere utilizzato solo con segnali analogici.

Componenti Importanti Per Sistemi a Segnale Misto

I sistemi a segnale misto che implementano l'isolamento e devono fornire misurazioni accurate di segnali a basso livello richiedono molti altri componenti oltre agli ADC isolati. Questi componenti spaziano tra processori, amplificatori, filtri e molto altro. Anche i DAC sono utili in questi sistemi, sebbene i DAC isolati siano meno comuni degli ADC isolati. Alcuni dei componenti che i progettisti potrebbero dover includere:

• Amplificatori a basso rumore per circuiti di ricezione nei sistemi RF

• Amplificatori operazionali per circuiti analogici

• Processori che controllano il sistema ed elaborano i dati

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