Novosense NSIP93086 и NSIP9042 — полностью интегрированные изоляторы RS485 и CAN

При работе с популярными интерфейсами RS485 и CAN зачастую возникает необходимость гальванической развязки интерфейсной и управляющей частей системы. Это может быть обусловлена тем, что приемные и передающие узлы шины располагаются на большом расстоянии друг от друга, и в этом случае наличие гальваноразвязки устранит необходимость выравнивания нулевых потенциалов обеих частей посредством дополнительного проводника. Также она широко применяется в аналоговых устройствах, поскольку помогает уменьшить уровень помех, создаваемых интерфейсной частью схемы и затрудняющих работу чувствительного аналогового тракта. Кроме того, наличие гальванической развязки в большинстве случаев делает возможным горячее подключение устройств к шине за счет отсутствия непосредственной ее связи с питающими цепями управляющих схем.

При этом следует понимать, что чаще всего реализация изолированного цифрового интерфейса влечет за собой как существенное усложнение/удорожание схемы устройства, так и увеличение места, занимаемого на печатной плате. В классическом случае для создания гальванической развязки интерфейсов RS485/CAN и управляющей цифровой части устройства используются три узла:

• изолятор питания;
• изолятор цифровых сигналов;
• преобразователь уровня сигналов.

Первый служит для развязки питания управляющей и интерфейсной частей устройства, второй – для изоляции цифровых цепей, связанных непосредственно с микроконтроллером или микропроцессором, а третий приводит логические уровни сигналов к напряжениям, установленным тем или иным стандартом интерфейса.

При этом, как уже отмечено выше, классическое решение не только увеличивает себестоимость изделия, но и требует для своей реализации достаточно большого пространства на печатной плате. Данный факт усугубляется тем, что применение наиболее дешевых изоляторов питания влечет за собой необходимость использования внешних цепей, включающих в себя токоограничивающие, фильтрующие и нагрузочные элементы.

В результате узел гальванически развязанного приемопередатчика становится достаточно громоздким, что далеко не всегда согласуется с современными тенденциями миниатюризации электронных изделий и снижения их токопотребления. Кроме того, классический подход усложняет проектирование системы и снижает надежность ее работы за счет использования дискретных узлов.

Для решения перечисленных проблем компания Novosense выпустила специализированные микросхемы NSIP93086 и NSIP9042, объединяющие в себе не только изоляторы питания и цифровых сигналов, но и преобразователь их уровня (TTL <=> RS485 и TTL <=> CAN).

Данные микросхемы доступны в корпусах SOW16 и SOW20, что позволяет сократить площадь, занимаемую интерфейсным узлом на печатной плате, как минимум на 40%. При этом отсутствие дискретного изолятора питания уменьшает высоту преобразователя интерфейса примерно в пять раз и исключает проблемы, которые могут возникнуть при автоматическом монтаже компонентов, предназначенных для установки в отверстия.

Микросхема NSIP93086 представляет собой изолированный приемопередатчик, совместимый с промышленным стандартом RS485 (EIA-458) и поддерживающий скорость передачи данных вплоть до 16 Мбит/с. При этом в семействе присутствуют модели, имеющие возможность работы как в полудуплексном режиме (NSIP93086H), так и в полном дуплексе (NSIP93086 и NSIP93086C).

Уровень сигнала на входе приемника и выходе передатчика NSIP93086 может лежать в достаточно широком диапазоне (+1,8…+5,25 В), что в большинстве случаев дает возможность подключать микросхему напрямую к управляющему микроконтроллеру или процессору без использования дополнительных схем согласования. Сопротивление приемопередатчика с интерфейсной стороны составляет минимум 96 кОм (¹/₈ Unit Load), что позволяет подключать к шине RS485 до 256 микросхем NSIP93086. Выходное напряжение встроенного изолятора питания выведено на отдельный контакт микросхемы, обеспечивая возможность запитывать от него внешние цепи (например, резисторы защитного смещения). При этом микросхемы моделей NSIP93086C и NSIP93086H позволяют выбрать напряжение на выходе изолятора: оно может составлять либо +3,3 В, либо +5,0 В. Кроме того, все модели семейства NSIP93086 имеют встроенную схему защиты, гарантирующую высокий логический уровень выходного сигнала приемника даже при обрыве или замыкании сигналов на его входе.

Микросхемы NSIP9042 – это изолированные трансиверы шины CAN со встроенным изолятором питания. Максимальная скорость передачи данных составляет 5 Мбит/с, а суммарная задержка сигнала в приемнике и передатчике не превышает 255 нс. Как и в случае NSIP93086, амплитуда сигналов на цифровой стороне NSIP9042 (кроме NSIP9042-DSWR) может лежать в широком диапазоне, однако выходное напряжение внутреннего изолятора питания здесь фиксировано и равно +5,0 В. При этом все микросхемы рассматриваемого семейства имеют защитную функцию TXD Dominant Timeout, позволяющую отключиться от шины CAN при длительном удержании доминантного состояния (такая ситуация может возникнуть, например, при зависании трансивера).

Для создания гальванической развязки в NSIP93086 и NSIP9042 используется технология емкостной изоляции – метод, в котором при передаче сигнала с одной стороны микросхемы на другую в качестве изолирующего барьера используются высоковольтные конденсаторы. Данная технология позволяет минимизировать задержку распространения сигнала, исключить его искажение на выходе схемы, а также снизить количество ошибок, что дополнительно повышает надежность работы системы. Кроме того, применение метода емкостной изоляции обеспечивает высокую устойчивость сигнала к синфазным помехам за счет его дифференциальной передачи: в каждой линии связи используется пара конденсаторов.

Микросхемы NSIP93086 и NSIP9042 имеют достаточно высокое напряжение пробоя (не ниже 5000 В_RMS в течение 1 минуты) и допускают большие скорости нарастания напряжения (значение коэффициента CMTI не ниже ±150 кВ/мкс). Это позволяет им соответствовать стандартам сертификации усиленной изоляции таких организаций, как Underwriters Laboratories (UL1577), VDE Association (DIN VDE V 0884-17), Canadian Standards Association (CSA component notice 5A) и China Quality Certification Centre (CQC GB4943.1). Минимальное расстояние составляет 8,15 мм, что соответствует требованиям стандарта IEC 62477-1:2022 для постоянного тока напряжением 1500 В, класса перенапряжения I, класса загрязнения II и высоты 5000 м.

При проектировании систем с высокой степенью интеграции одной из ключевых проблем, с которой сталкивается разработчик, являются электромагнитные помехи (ЭМП), излучаемые устройством. С увеличением плотности мощности соответствующих систем вопрос об их электромагнитной совместимости (ЭМС) становится все более важным. Микросхемы NSIP93086 и NSIP9042 используют запатентованную технологию улучшения ЭМС, позволяющую им значительно оптимизировать характеристики излучаемых ЭМП на уровне устройства. В результате рассматриваемые преобразователи интерфейса с запасом соответствуют классу «B» стандарта CISPR32 (мультимедийное оборудование в жилых помещениях) при размещении их на двухслойной печатной плате с напряжением питания +5,0 В и выходным током 100 мА. Такого результата удается добиться даже при отсутствии ферритовых бусин и дополнительных фильтрующих конденсаторов, что упрощает схему устройства и снижает стоимость ее компонентов.

Важной особенностью микросхем NSIP93086 и NSIP9042 является высокая эффективность работы встроенного изолятора питания. Обычно при использовании интегральной технологии КПД внутреннего DC/DC-преобразователя получается достаточно низким, что обусловлено особенностями изготовления интегрального трансформатора.

При использовании традиционной КМОП-технологии такие трансформаторы, помимо существенных потерь в подложках, будут иметь аналогичные проблемы в обмотках и между катушками. Однако благодаря использованию специальных технологических приемов компании Novosense удалось снизить данные потери до рекордного уровня, что позволило достигнуть эффективности трансформатора 49% при выходной мощности 500 мВт. Кроме того, напряжение пробоя полностью интегрального решения существенно выше по сравнению с бюджетными дискретными изоляторами питания, а также оно имеет более широкий диапазон рабочих температур.

Отметим, что соответствие микросхем NSIP93086 и NSIP9042 ряду стандартов безопасности значительно облегчает процесс проектирования, тестирования и сертификации систем, в которых они применяются, а также вывода конечного продукта на рынок. Они повыводно совместимы с соответствующей продукцией предыдущего поколения, выпускаемой Novosense, а также с микросхемами конкурирующих производителей. Это позволяет улучшить характеристики ранее спроектированных устройств без необходимости разработки новой печатной платы. Данное обстоятельство может послужить довольно весомым аргументом в пользу изоляторов интерфейсов Novosense, тем более, что микросхемы NSIP93086 и NSIP9042 запущены в серийное производство.

Рассматриваемые трансиверы входят в состав серии Isolation+, включающей в себя не только полностью интегрированные изолированные интерфейсы, но и их отдельные узлы в виде самостоятельных интегральных схем, а также прочие микросхемы, позволяющие максимально быстро спроектировать под ключ надежную изолированную систему с минимальной себестоимостью. На базе элементов серии Isolation+ могут быть созданы устройства управления электромобилями с достаточно высоким напряжением батареи, мощные фотоэлектрические аккумуляторные системы, серверные источники питания с высокой степенью интеграции и другое оборудование. При этом следует иметь в виду, что зачастую степень безопасности продукции класса Isolation+ превышает базовый уровень, требуемый соответствующими стандартами, что позволяет повысить надежность работы системы без увеличения ее стоимости.

По продукции Novosense вам также ответят наши специалисты:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20