Gli emulatori ottici di Texas Instruments combinano i vantaggi degli accoppiatori ottici tradizionali e della tecnologia di isolamento basata su SiO2.
Gli optoaccoppiatori, noti anche come fotoaccoppiatori, optoisolatori e isolatori ottici, sono da tempo un’opzione per i progettisti che necessitano di isolamento galvanico per i segnali dei loro sistemi. A partire dagli anni ’70, questi dispositivi a semiconduttore hanno svolto un ruolo importante nel fornire isolamento di sicurezza per apparecchiature finali industriali e automobilistiche. Tuttavia, nonostante i significativi progressi, sembra esserci un limite all’evoluzione di questi dispositivi in termini di caratteristiche elettriche, affidabilità ad alta tensione e capacità di integrazione, spingendo i progettisti a esplorare soluzioni alternative.
Tecnologie come l’isolamento capacitivo e magnetico sono emerse come possibili alternative, offrendo prestazioni complessive migliori rispetto ai fotoaccoppiatori. Texas Instruments (TI) ha investito nella tecnologia di isolamento digitale basata sul biossido di silicio (SiO2) sin dagli anni 2000, fornendo isolatori digitali che offrono la stessa funzionalità dei fotoaccoppiatori con alcuni significativi vantaggi.
Colmare il divario: introduzione degli opto-emulatori
Gli emulatori ottici di Texas Instruments combinano i vantaggi degli accoppiatori ottici tradizionali e della tecnologia di isolamento basata su SiO2. Gli emulatori ottici sono compatibili pin-to-pin con gli accoppiatori ottici più diffusi del settore. Ciò facilita la perfetta integrazione nei progetti esistenti e fornendo allo stesso tempo un comportamento del segnale equivalente. Questi prodotti appaiono e si comportano proprio come optoaccoppiatori dal punto di vista del progettista, ma sfruttano la tecnologia SiO2 di TI per la barriera di isolamento. Con la barriera che blocca efficacemente i segnali ad alta tensione e previene i loop di terra, garantendo sicurezza e stabilità del sistema, è possibile sfruttare i vantaggi dell’isolamento SiO2, che includono caratteristiche elettriche migliorate, migliore affidabilità ad alta tensione e la possibilità di integrare funzionalità aggiuntive del sistema.
I fotoaccoppiatori tradizionali utilizzano un LED per trasmettere informazioni digitali o analogiche attraverso una barriera di isolamento dove un fototransistor rileva il segnale sull’altro lato (Figura 1). È noto che i LED utilizzati nei fotoaccoppiatori hanno un effetto di invecchiamento o degrado nel corso della loro vita. Questa proprietà dei LED costituisce un notevole grattacapo per i progettisti di sistemi ed è la principale lamentela che arriva da questo mondo. Inoltre, il materiale isolante utilizzato in un fotoaccoppiatore varia dalla semplice aria alle resine epossidiche e ai composti di silice. La tabella 1 mostra chiaramente la differenza nella forza di isolamento di un accoppiatore ottico rispetto a un optoemulatore che utilizza un dielettrico SiO2.
Con gli optoemulatori che utilizzano la barriera di isolamento basata su SiO2 di TI per ottenere l’isolamento del segnale, è possibile evitare entrambi questi inconvenienti dei fotoaccoppiatori.
La Figura 2 mostra la costruzione interna di un optoemulatore di Texas Instruments in cui il comportamento funzionale di un fotoaccoppiatore tradizionale viene emulato sui circuiti di trasmissione e ricezione con SiO 2 che fornisce l’isolamento ad alta tensione.
I vantaggi degli optoemulatori
Integrando una tecnologia di isolamento avanzata, gli optoemulatori possono superare i limiti associati ai tradizionali fotoaccoppiatori, consentendo prestazioni e affidabilità superiori. Questi i principali vantaggi garantiti dagli optoemulatori:
Consumo energetico inferiore. I fotoaccoppiatori tradizionali richiedono una progettazione iniziale sovradimensionata per compensare gli inevitabili effetti dell’invecchiamento del LED, che richiedono corrente diretta aggiuntiva (IF) per tutta la vita operativa. Gli optoemulatori TI possono fare risparmiare fino all’80% sul tuo budget energetico offrendo un IF e una corrente di alimentazione di gran lunga inferiore.
Immunità transitoria di modo comune migliorata (CMTI). Mentre un comune fotoaccoppiatore digitale specifica un CMTI di circa 15 kV/μs, l’ISOM8710 ha un CMTI minimo di 125 kV/μs, consentendone l’uso in applicazioni con rumore di commutazione di modo comune molto elevato.
Un rapporto di trasferimento di corrente (CTR) stabile e stretto. Gli optoemulatori TI come ISOM8110 sono dotati di serie di una varietà di intervalli CTR ristretti, stabili alla temperatura.
Velocità dati elevate. I tipici fotoaccoppiatori ad alta velocità supportano velocità dati da 1 Mbps fino a 10 Mbps, mentre ISOM8710 supporta 25 Mbps. Ne consegue un throughput più elevato che consente l’uso di optoemulatori in una varietà di applicazioni ad alta velocità.
Larghezza di banda. L’ISOM8110 supporta una larghezza di banda di 680 kHz, consentendo una riduzione delle dimensioni dei componenti magnetici necessari (induttore e trasformatore). L’ampia larghezza di banda consente risposte transitorie migliorate per i convertitori flyback regolati sul lato secondario. La migliore risposta ai transitori consente una riduzione delle dimensioni dei condensatori di uscita. Ne consegue una riduzione di spazio e costi, soprattutto nei progetti che utilizzano la tecnologia al nitruro di gallio ad alta frequenza di commutazione.
Ampio intervallo di temperatura. Il fotoaccoppiatore medio supporta un intervallo di temperatura da 0°C a +85°C. Sebbene alcuni optoaccoppiatori supportino un intervallo di temperature più ampio, tale funzionalità ha un costo aggiuntivo. Gli optoemulatori TI supportano un intervallo di temperature compreso tra –55°C e +125°C come offerta standard e nel 2024 saranno disponibili semiconduttori qualificati per il settore automobilistico.
Isolamento affidabile. Gli optoemulatori sono in grado di operare con una tensione di isolamento particolarmente elevata che li rende adatti per applicazioni che richiedono un isolamento affidabile. Gli optoemulatori TI sfruttano SiO2 per la barriera isolante, fornendo circa 500 V/μm di isolamento. Questo valore è significativamente migliore rispetto a quello dell’aria (1 V/μm) utilizzata in molti fotoaccoppiatori presenti sul mercato.
Conclusione
Gli optoemulatori rappresentano un progresso significativo nella tecnologia di isolamento del segnale, combinando la familiarità dei fotoaccoppiatori con i vantaggi dell’isolamento basato su SiO2. Questi dispositivi consentono di soddisfare le esigenze dei sistemi più moderni, garantendo prestazioni, affidabilità e maggiore sicurezza. Sfruttando gli optoemulatori è possibile ottimizzare qualsiasi progetto e abbracciare la nuova era della tecnologia di isolamento.
Risorse addizionali
Per trovare il modello ideale di optoemuatore è possibile utilizzare la ricerca con riferimenti incrociati di TI: è sufficiente inserire il modello di fotoaccoppiatore utilizzato attualmente per ottenere il giusto optoemulatore da impiegare.
Ulteriori informazioni su questo argomento sono disponibili nel white paper “Affrontare le sfide di progettazione ad alta tensione con tecnologie di isolamento affidabili e convenienti“, nella nota applicativa “Introduzione agli opto-emulatori” e nella pagina del portfolio di optoemulatori.
Luke Trowbridge è Product Marketing Manager presso Texas Instruments.
