Como Usar um ADC Isolado

Criada: Novembro 16, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

Dê uma olhada nos sistemas de sinal misto operando com baixo ruído, especialmente aqueles usados para instrumentação e medições sensíveis. Eles parecem ser capazes de resolver cuidadosamente sinais de baixo nível sem sucumbir ao excesso de ruído. Em certas frequências e em certas faixas de tensão, pode ser necessário quebrar algumas das regras bem aceitas sobre aterramento em sistemas de sinal misto para adquirir representações precisas de um sinal. Os ADCs são os principais componentes nos sistemas de sinal misto onde os mundos digital e analógico se encontram, e as melhores práticas para usar esses componentes ditam o uso de uma única rede de aterramento para suportar o roteamento digital e analógico em qualquer lugar na PCB. Mas o que acontece quando precisamos ter isolamento no sistema, seja para controle de ruído ou para segurança do usuário? Neste caso, podemos usar um ADC isolado para impor isolamento galvânico. Outra opção é usar algum componente que forneça acoplamento entre regiões galvanicamente isoladas em um sistema, que então se interfaceia com um ADC padrão. Ambas as opções fornecem uma oportunidade para controlar o ruído e prevenir choques elétricos perigosos. Neste guia de design, mostraremos como usar essas opções para fornecer isolamento, começando com opções de componentes ADC isolados.

O que é um ADC Isolado?

Um ADC isolado inclui duas regiões galvanicamente isoladas entre a seção de E/S digital e a interface analógica de entrada. Esses componentes são construídos seguindo um conceito simples: em um sistema que requer isolamento galvânico, dois lados de um sistema serão construídos sobre regiões de aterramento separadas. Em um ADC isolado, o isolamento galvânico é imposto entre os lados analógico e digital do sistema. Desta forma, os sinais digitais não interferirão com os sinais analógicos no lado analógico, desde que esses sinais digitais estejam confinados ao plano de aterramento digital. Algumas situações onde esses componentes poderiam ser usados incluem: - Sistemas de alta tensão com uma seção digital, onde alguma medição é necessária no sistema - Instrumentação especializada envolvendo a medição de sinais analógicos com SNR muito baixo - Sistemas eletromecânicos ou sistemas de comutação onde pulsos rápidos criam surtos de energia que poderiam danificar componentes Dependendo de onde o sinal a ser medido está sendo roteado em uma PCB, um ADC isolado pode fazer mais sentido para usar do que um optoacoplador ou transformador para isolamento.

Diagrama de Blocos

Um exemplo de diagrama de blocos para um ADC isolado é mostrado abaixo. Neste exemplo, as duas redes GND no componente (AGND e DGND) são isoladas uma da outra por algum espaço que é construído no componente. Isso significa que, na PCB, AGND e DGND estão conectados a peças fisicamente separadas de cobre.

Quando escrevo “peças fisicamente separadas de cobre”, estou me referindo a diferentes seções de derramamento de cobre que são atribuídas a redes diferentes. Apenas os canais de entrada na interface analógica (A_IN_1…A_IN_N) terão seus níveis de sinal referenciados à rede AGND. O bloco de E/S digital terá alguma classificação de isolamento galvânico que se estende até uma tensão máxima e uma frequência máxima.

Esta separação no diagrama de blocos deve ser implementada na PCB. A melhor maneira de fazer isso é colocar duas regiões contíguas separadas na PCB para implementar a isolação galvânica, e apenas criar uma ponte entre elas com o ADC isolado. Isso garantirá a implementação bem-sucedida da isolação galvânica, mas sem o problema de criar uma antena multipolo ao tentar intercalar planos de terra separados.

Selecionando um ADC Isolado

Um ADC isolado tem algumas especificações importantes que devem ser consideradas para garantir o controle de ruído e segurança em sistemas de sinal misto com isolação galvânica.

Contagem de canais - Haverá múltiplos canais de entrada analógicos que podem ser usados para amostrar sinais de entrada
Tensão de isolação - Em sistemas de alta tensão, o sinal amostrado pode se originar no lado analógico, então a isolação galvânica terá alguma classificação de alta tensão alcançando valores em kV
Barramento de saída - Isso será tipicamente um barramento SPI em taxas de amostragem baixas, ou poderia ser um barramento JESD204 em taxas de amostragem altas (alcançando GHz)
Referência e regulação interna vs. externa - Alguns ADCs isolados têm conversão DC/DC interna e referenciamento de precisão
Faixa dinâmica - Isso é importante ao amostrar sinais de baixo nível, e alguns sinais de baixo nível podem requerer amplificação para preencher a faixa dinâmica do ADC
Resolução - Isso tem que ser ponderado contra a faixa dinâmica e SNR; para sinais de baixo SNR, baixa resolução proporcionará maior imunidade ao ruído

Prevenir EMI e Ruído RF com um Capacitor de Segurança

Um dos grandes problemas com sistemas de planos divididos, como a PCB que seria usada com um ADC isolado, é o fato de um ou ambos os terras estarem flutuando. Em outras palavras, pode haver alguma diferença no potencial de terra medido entre os dois lados do sistema. Este é um problema não trivial para eliminar projetando fontes de alimentação isoladas, e o deslocamento de terra poderia ser uma função da frequência. O resultado é que, em certas frequências, a diferença de potencial entre esses terras poderia oscilar, e isso criaria EMI radiada.

A solução mais simples aqui é usar um capacitor de segurança para conectar as regiões de terra AGND e DGND. Um capacitor de segurança (por exemplo, cerâmico ou de papel metalizado) pode fornecer um caminho de baixa impedância para correntes criadas por um deslocamento de potencial de terra, assim elas retornarão à fonte de alimentação do sistema em um laço de baixa indutância em vez de irradiar para o espaço livre. A colocação mostrada abaixo é a mesma colocação que seria usada ao lado de um transformador em uma fonte de alimentação isolada.

Se um capacitor de segurança for usado entre os terras, então três especificações devem ser examinadas:

Capacitância moderadamente alta
Baixa corrente de fuga DC
Altos limites de tensão DC/AC

A razão para isso é minimizar a corrente de fuga para uma região onde um usuário possa interagir com um dispositivo e possivelmente receber um pequeno choque. A capacitância só precisa exceder a capacitância parasita entre as regiões isoladas galvanicamente e a capacitância através do espaço de isolamento dentro do ADC isolado. Os valores típicos de capacitores de segurança não excedem ~1 uF com classificações de tensão na faixa de 100’s Volts.

Exemplos de ADCs Isolados

Texas Instruments AMC1333M10

O AMC1333M10 da Texas Instruments oferece alta isolação com tensão de pico alcançando até 8 kV. Este componente possui um relógio integrado fornecendo até 39 kSps de amostragem (87 dB de faixa dinâmica) para um único canal com modulação delta-sigma. A interface de saída é uma saída serial simples roteada em paralelo com uma saída de relógio para sincronização simplificada em um MCU. Este componente é uma excelente escolha em sistemas que podem estar em perigo de exposição a grandes tensões, mas que não requerem um subsistema digital complexo para amostrar e sincronizar dados.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

O MAX14001 e o relacionado MAX14002 da Maxim Integrated empregam uma arquitetura SAR de 10 bits com uma taxa de amostragem nominal de 10 kSps. Configuração, dados filtrados e dados não filtrados são entrada/saída através de uma interface SPI. A isolação galvânica neste componente é garantida até tensões RMS de 3,75 kV, portanto, este componente também é adequado para uso em um ambiente de alta tensão. Entre esses dois componentes, apenas o MAX14001 pode limitar pulsos de entrada repetitivos para evitar superaquecimento de sinais de entrada anormais que de outra forma desencadeariam um fluxo contínuo de pulsos de entrada.

Alternativas aos ADCs Isolados

Os ADCs isolados são componentes muito úteis, mas não são o único tipo de componente que pode ser usado para impor isolamento em um sistema de sinal misto. Existem outros dois componentes que são tradicionalmente usados para isolamento: optoacopladores e transformadores. Ambos os componentes podem ser usados como parte de uma estratégia de isolamento, mas isso pode ser feito sem a necessidade de um ADC isolado. Em vez disso, esses componentes estão acoplando o sinal analógico entre duas regiões isoladas, ou estão acoplando os dados digitais vindos do ADC.

A tabela abaixo resume quando usar diferentes tipos de mecanismos de acoplamento com sinais analógicos ou digitais. Em resumo, um transformador não deve ser usado para acoplar dados digitais entre regiões galvanicamente isoladas. A razão para isso é que o transformador converte os sinais digitais em pulsos porque o transformador só acopla energia eletromagnética quando o sinal de entrada está comutando. Portanto, se você precisar usar um mecanismo de acoplamento com dados digitais em vez de um ADC isolado, um optoacoplador seria preferível.

Optoacopladores

Um CI de optoacoplador é frequentemente usado em fontes de alimentação isoladas para rotear uma linha de feedback do lado de saída para o lado de entrada, garantindo isolamento galvânico entre ambos os lados do sistema. Um optoacoplador pode ser usado com sinais digitais ou analógicos, mas, sem dúvida, o melhor caso de uso é para acoplar sinais analógicos através de um espaço em um ADC não isolado.

Um optoacoplador poderia ser usado para acoplar a saída do barramento digital através das regiões galvanicamente isoladas em vez dos sinais analógicos. No entanto, esta pode não ser a melhor opção para acoplar sinais porque poderia alterar a taxa de borda e o tempo, então há um leve risco de violar os tempos de configuração e espera no componente receptor. Portanto, o melhor uso pode ser utilizar um optoacoplador apenas com os sinais analógicos a serem amostrados.

Transformadores

Um transformador é adequado para conectar os lados analógico e digital de um sistema de sinal misto galvanicamente isolado, desde que as diretrizes de capacitores de segurança sejam seguidas. Isso seria usado quando um sinal analógico precisa ser amostrado, por exemplo, em um ambiente de alta tensão. Outra opção é aumentar a tensão de um sinal de baixo nível que é então alimentado em um ADC não isolado.

A razão pela qual o transformador é usado apenas com um sinal analógico é que ele só acopla um sinal entre os lados galvanicamente isolados quando um sinal está comutando. Se o transformador estivesse sendo usado no lado digital para acoplar a saída digital através de uma lacuna de isolamento, o transformador perderia os dados porque converte as taxas de borda digital em pulsos. Portanto, só pode ser usado com sinais analógicos.

Componentes Importantes Para Sistemas de Sinal Misto

Sistemas de sinal misto que implementam isolamento e devem fornecer medições precisas de sinais de baixo nível requerem muitos outros componentes além de ADCs isolados. Esses componentes variam entre processadores, amplificadores, filtros e muito mais. DACs também são úteis nesses sistemas, embora DACs isolados sejam menos comuns do que ADCs isolados. Alguns dos outros componentes que os projetistas podem precisar incluir:

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