Cómo aislar datos y potencia utilizando aisladores digitales de 3750 voltios RMS

Los sistemas automotrices e industriales operan a voltajes cada vez más altos que pueden lesionar a los usuarios y dañar los componentes electrónicos. Estos sistemas también generan transitorios y ruido que pueden interferir con los circuitos locales de detección y control.

Si bien existen muchas opciones adecuadas para el aislamiento de señales, resulta difícil encontrar una solución que ayude a equilibrar adecuadamente la necesidad de un factor de forma compacto, eficiencia, flexibilidad y, por supuesto, un bajo costo. Quizás sea el momento de echar otro vistazo a los aisladores digitales.

Como su nombre lo indica, los aisladores digitales son circuitos integrados que proporcionan una ruta para que las señales digitales viajen en entornos eléctricamente desafiantes mientras se mantiene la integridad de la señal. También proporcionan el aislamiento galvánico necesario para proteger a los usuarios y resistir los transitorios, el ruido y los bucles de tierra, incluso en presencia de voltajes altos y transitorios de alta potencia. El dispositivo adecuado puede simplificar enormemente la tarea de diseño y agilizar la certificación.

Examinemos el desafío del aislamiento y utilicemos ejemplos de aisladores digitales de Skyworks Solutions para ver con qué eficacia abordan los problemas clave.

¿Qué es el aislamiento eléctrico?

El aislamiento eléctrico bloquea la transferencia de corriente continua (CC) y de señales de corriente alterna (CA) no deseadas entre dos secciones de un sistema, al tiempo que sigue permitiendo la transferencia de señales y transferencia de potencia entre dichas secciones. Este aislamiento protege tanto a las personas como a los elementos de circuitos sensibles contra voltajes altos, previene los bucles de tierra en las redes de comunicación y mejora la inmunidad al ruido y la inmunidad transitoria.

El aislamiento se utiliza ampliamente en aplicaciones de convertidores de potencia para vehículos en accionamientos de motores de lado alto, así como en aplicaciones industriales para proteger controladores lógicos programables (PLC), accionamientos de motores y sensores.

Dentro de algunos ejemplos de aislador digital

Para comprender cómo funcionan los aisladores digitales, veamos el interior de la familia Si86Px (Figura 1) de Skyworks Solutions. Estos aisladores tienen dos secciones: una para la transferencia de señales digitales y otra para la transferencia de alimentación aislada.

Figura 1: La familia Si86Px de aisladores digitales utiliza tanto acoplamiento capacitivo (sección inferior) como inductivo (sección superior). (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

La sección de señal digital, que se muestra en la parte inferior de la figura, incluye aisladores digitales que utilizan acoplamiento capacitivo para proporcionar aislamiento galvánico. La transferencia de señales digitales utiliza una modulación simple por apagado y encendido para modular una portadora de radiofrecuencia (RF) con datos digitales y la señal modulada se transmite de forma capacitiva a través del espacio de aislamiento. En el lado del receptor, la portadora de RF modulada se demodula para recuperar la señal digital original. Esta técnica admite velocidades de datos de hasta 150 megabits por segundo (Mbits/s) y un retardo máximo de propagación de 15 nanosegundos (ns). Tiene una inmunidad contra transitorios de modo común (CMTI) mínima de 100 kilovoltios por microsegundo (kV/µs).

La sección superior del diagrama de bloques muestra la transferencia de potencia aislada mediante un regulador de control histerético. La transferencia de potencia se logra mediante acoplamiento magnético a través de un transformador de núcleo de aire integrado.

La regulación de voltaje histéresis es un método de control de electrónica de potencia que mantiene una salida estable utilizando el control de frecuencia variable y responde rápidamente a las condiciones de carga cambiantes. El regulador compara el voltaje de salida con una referencia y ajusta la conmutación según la desviación, utilizando la retroalimentación transmitida a través de la barrera de aislamiento. El control de histéresis ofrece simplicidad y la capacidad de regular el suministro de potencia bajo cargas variables.

Los CI Si86Px admiten suministros de entrada de 3.3 voltios, 5 voltios o un rango continuo de 3.3 a 5 voltios, según el modelo. Proporcionan voltajes de salida aislados de 3.3 o 5 voltios y una potencia de salida máxima de hasta 0.5 vatios, también según el modelo. La familia cuenta con una clasificación de aislamiento de 3750 voltios RMS y está certificada según los requisitos de UL, CSA, VDE y CQC.

Configuraciones de canales digitales

Los aisladores digitales Si86Px están disponibles en versiones de dos y cuatro canales. Los dispositivos de dos canales ofrecen dos canales directos (Figura 2, izquierda) o un canal directo y uno inverso (Figura 2, derecha). Ambas versiones vienen en un paquete 16-SOIC.

Figura 2: Los dispositivos Si86Px de dos canales están disponibles con dos canales de avance (izquierda) o uno de avance y uno de retroceso (derecha). (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

El aislador digital de dos canales SI86P320BC-IS de Skyworks Solutions tiene dos canales de avance. Acepta una entrada de 3.3 voltios para su convertidor de potencia integrado y proporciona una salida aislada de 3.3 voltios con una potencia de salida de hasta 0.2 vatios.

El SI86P421BC-IS tiene un canal directo y uno inverso. Acepta una entrada de 3.3 a 5 voltios y proporciona una salida aislada de 3.3 voltios con hasta 0.4 vatios de potencia de salida.

Los dispositivos de cuatro canales proporcionan cuatro canales directos, tres canales directos y uno inverso, o dos canales directos y dos inversos (Figura 3). Las tres configuraciones se suministran en un paquete SOIC-20.

Figura 3: Los dispositivos Si86Px de cuatro canales están disponibles con cuatro canales de avance (izquierda), tres canales de avance y uno de retroceso (centro), o dos canales de avance y dos de retroceso (derecha). (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

El SI86P540BC-IS tiene cuatro canales directos, acepta una entrada de 5 voltios y proporciona una salida aislada seleccionable de 3.3 o 5 voltios con hasta 0.5 vatios de potencia de salida.

El SI86P441BC-IS proporciona tres canales directos y un canal inverso. Acepta de 3.3 a 5 voltios y proporciona una salida aislada de 3.3 voltios con hasta 0.4 vatios de potencia de salida.

El SI86P342BC-IS proporciona dos canales de avance y dos canales de dirección inversa. Acepta una entrada de 3.3 voltios y proporciona una salida aislada de 3.3 voltios con una potencia de salida de hasta 0.2 vatios.

Una aplicación típica

Una aplicación típica de un aislador digital de cuatro canales es proporcionar comunicaciones aisladas entre una unidad de microcontrolador (MCU) y un convertidor de analógico a digital (ADC) mediante una interfaz periférica serial (SPI) (Figura 4).

Figura 4: Se muestra el esquema de un aislador Si86Px41 que proporciona alimentación aislada y cuatro canales de señal aislados entre una unidad de microcontrolador y un convertidor analógico a digital. (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

Esta aplicación requiere un aislador de cuatro canales para manejar las cuatro líneas de señal SPI: selección de chip (CS), reloj de serie (SCLK), entrada de datos en serie (SDI) y salida de datos en serie (SDO). Un dispositivo Si86Px41x de Skyworks proporciona tres canales directos y un único canal inverso para la línea SDO. Según el modelo seleccionado, su convertidor de potencia integrado puede suministrar hasta 0.5 vatios de alimentación aislada. Si el voltaje de salida y la potencia del convertidor cumplen con los requisitos del convertidor analógico-digital (ADC), puede eliminar la necesidad de una fuente de alimentación aislada independiente y un transformador de aislamiento externo.

Conclusión

La familia Si86Px integra la transferencia de energía aislada con canales digitales de alta velocidad, lo que hace que los dispositivos sean adecuados para la adquisición de datos aislada y compacta en aplicaciones industriales y de automoción. Al combinar el aislamiento de señales y la alimentación aislada en un solo paquete, estos dispositivos pueden simplificar la implementación a la vez que admiten un funcionamiento fiable en entornos con ruido eléctrico.