В статье рассмотрена гальваническая развязка на основе усилителей класса D и одноканального цифрового изолятора.
В промышленных интерфейсах гальваническая развязка используется преимущественно для цифровых сигналов.
Изначально гальваническая развязка строилась на прецизионных усилителях. Однако высокая цена не позволяет использовать эти устройства в массовых приложениях. Цифровые развязывающие схемы значительно дешевле, однако предварительно требуется преобразовать сигнал в цифровую форму. В преобразователях данных используется несколько изолированных каналов для развязки информационных, управляющих и адресных сигналов. Это приводит к увеличению стоимости.
С экономической и схемотехнической точек зрения оптимальным решением является использование для развязки усилителей класса D и одноканального цифрового изолятора (см. рис. 1).
Рис. 1. Недорогая схема аналоговой развязки
В усилителе класса D имеется блок ШИМ для преобразования входного аналогового сигнала в импульсный. Полоса пропускания 20 кГц обеспечивает развязку как по постоянному, так и по переменному сигналу. Для преобразования дифференциальных входных и выходных сигналов в несимметричные на инвертирующий вход усилителя подается напряжение смещения, равное половине напряжения питания. Второй вход используется как информационный. Соответственно, только на одном выходе появляется сигнал ШИМ.
Упрощенная схема каскада ШИМ приведена на рисунке 2. Она состоит из генератора треугольного сигнала 250 кГц, выходной сигнал которого сравнивается с аналоговым входным сигналом. Если аналоговый входной сигнал больше, неинвертирующий выход имеет высокий уровень и наоборот, если входной сигнал меньше, неинвертирующий выход имеет низкий уровень. На рисунке 2 показана временная развертка, из которой видно, что ширина импульса равна промежутку времени, когда входной сигнал больше треугольного.
Рис. 2. Каскад ШИМ с входным и выходным сигналом
Выходной сигнал имеет рабочий цикл 50%, когда аналоговый сигнал на входе IN+ равен опорному напряжению на входе IN-. При VAIN > VREF рабочий цикл больше 50%, при VAIN VREF – меньше 50%.
Цифровой изолятор ISO721 представляет собой логический буфер с емкостным барьером. Он предотвращает возникновение петлевых токов, обусловленных разницей потенциалов на шине земли. Изолятор имеет задержку распространения 20 нс и поддерживает скорость данных до 150 Мбит/с. Он прозрачен для блока ШИМ.
Для отделения аналогового сигнала от потока ШИМ используется RC-цепь, которая отфильтровывает несущую ШИМ. На рисунке 3 показана окончательная схема изолятора. Входной и выходной сигнал изолятора представлены на рисунке 4.
Рис. 3. Схема аналоговой развязки с изолированным источником питания
Рис. 4. Входнойи выходной сигнал аналогового изолятора