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4 questions classiques sur l’isolation du signal et de la puissance

Publication: 14 juillet

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Un circuit haute tension doit être isolé afin de protéger les opérateurs, de rendre possible la communication avec des circuits à plus faible tension, et d’éliminer les bruits indésirables au sein du système...
 

Les isolateurs numériques sont un moyen simple et fiable d’assurer des communications haute tension sûres dans les applications industrielles et automobiles.

Afin de préserver l’intégrité d’un signal traversant une barrière d’isolation, il faut isoler tous les chemins de couplage entre le côté primaire et le côté secondaire, alimentation comprise. Là où le circuit secondaire d’un isolateur numérique nécessite généralement peu de puissance, les concepteurs de systèmes prévoient généralement une puissance admissible plus élevée afin d’alimenter plusieurs appareils.

Dans cet article, je reviendrai sur des questions courantes relatives à l’isolation du signal et de la puissance dans un circuit, et je proposerai un bref aperçu des options discrètes et intégrées à disposition.

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Question N.1 : Pourquoi isoler l’alimentation des isolateurs numériques ?

L’architecture interne d’un isolateur numérique se décompose en deux circuits numériques, sur une structure métallique divisée, séparés par une barrière diélectrique haute tension (voir Figure 1). Chaque circuit nécessite une alimentation et une terre distinctes pour le côté primaire et le côté secondaire du composant, sans connexion physique entre les deux. Cette exigence s’applique indépendamment du niveau d’isolation (basique ou renforcé), aux isolateurs numériques comme aux composants isolés dotés d’interfaces intégrées.

Figure 1 : L’architecture interne d’un isolateur numérique inclut une structure métallique divisée, et nécessite des alimentations distinctes pour le primaire et le secondaire.

Question N. 2 : Quelles sont les exigences de puissance pour un isolateur numérique ?

Avant de choisir la topologie de puissance d’un isolateur numérique, il importe de déterminer les exigences d’alimentation applicables, notamment la plage de tension en entrée, la tension en sortie, la puissance en sortie nécessaire pour le secondaire et le nombre de rails de sortie. Les solutions de puissance isolées nécessitent également de prendre en compte la capacité d’isolation du système, les lignes de fuite et les distances d’isolement, ainsi que les exigences de compatibilité électromagnétique (notamment les décharges électrostatiques et le niveau d’émissions). Des normes industrielles applicables aux équipements définissent une grande partie de ces exigences. Pour en savoir plus sur la capacité d’isolation ainsi que sur les lignes de fuite et les distances d’isolement des systèmes isolés, regardez la série de vidéos de TI Precision Labs sur l’isolation.

Les tensions des signaux en entrée et en sortie d’un isolateur numérique dépendent souvent de la tension d’alimentation appliquée. Généralement, elles sont directement liées à la tension d’alimentation (V CC ) du secondaire. Avant de finaliser les exigences relatives aux tensions d’entrée et de sortie, je recommande de consulter soigneusement les exigences d’alimentation sur la fiche technique de l’isolateur numérique. Optimiser ce dernier pour les niveaux logiques des composants d’interface est également une bonne idée. Par exemple, lorsque vous alimentez en 5 V un isolateur numérique ayant une interface avec un microcontrôleur, sélectionnez les signaux fonctionnant également à un niveau logique de 5 V ou approchant sur le secondaire.

Question N. 3 : Peut-on utiliser l’alimentation du secondaire pour fournir une puissance isolée ?

Il peut arriver qu’il existe déjà deux rails d’alimentation distincts dans le système pour le primaire et le secondaire, tant que les exigences minimales pour l’isolateur sur le plan logique sont respectées. Notamment, les niveaux de tension d’alimentation doivent correspondre aux niveaux de signal en entrée et en sortie avec une terre distincte pour chaque. Le recours à l’alimentation du secondaire existante est une option, mais le couplage du bruit et la régulation de l’alimentation posent souvent problème. Souvent, les ingénieurs optent pour des alimentations isolées offrant des performances logiques et de bruit optimisées.

Question N. 4 : Quelles sont les solutions d’isolation de l’alimentation disponibles ?

Il existe de nombreuses options d’alimentation de puissance isolées pour les circuits isolés numériquement. Sur les isolateurs numériques, on peut notamment avoir recours à une alimentation à découpage de type Flyback, à un montage pont en H avec deux inducteurs et un condensateur, à un montage push-pull, ou à des solutions de données et d’alimentation isolées intégrées.

Dans cette dernière catégorie, on peut citer l’isolateur numérique ISOW7741 à alimentation, l’émetteur-récepteur RS-485 isolé ISOW1412 à alimentation ou encore l’émetteur-récepteur CAN (Controller Area Network) ISOW1044 à alimentation, qui comportent tous un convertisseur CC-CC. Ces composants sont conçus pour respecter les limites de classe B fixées par le Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CIPSR) 32, dans un format considérablement plus compact que les alternatives discrètes. Éliminer la nécessité d’inclure un transformateur au circuit imprimé, réduire la taille de ce dernier et faciliter l’obtention des certifications sont autant d’atouts souvent jugés intéressants, car ils permettent d’obtenir une solution hautement performante, avec l’emprise la plus restreinte possible.

Bien que les solutions discrètes offrent parfois une meilleure efficacité et des émissions rayonnées plus faible, le gain de place et les certifications plus simples à obtenir permettent une commercialisation plus rapide.

https://www.ti.com/

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