絶縁型電源モジュールを信号絶縁に適用する方法

Vince Wen

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1. 安全性 : 産業用ロボットなどのアプリケーションでは、 EV充電ステーションまたは、医療機器などには、kV以上の電圧レベルがありますが、人間は約36Vまでしか耐えることができません。絶縁により、危険な高レベルからユーザーを保護できます。
2. システム保護 : 絶縁技術は、サージ電圧による損傷から重要な設備や電子機器を保護します。
3. シグナルインテグリティ : 信号伝送は外部電磁障害 (EMI) の影響を受ける可能性があります。絶縁はシグナルインテグリティを維持するのに役立ちます。

半導体絶縁技術

半導体ICは、電気システムに絶縁を提供する統合絶縁障壁を備えている場合があります。絶縁ICを使用すると、冗長絶縁回路を使用せずに高電圧、高電力システムを形成する簡単な方法です。一般的な半導体絶縁技術には次のものがあります。

1. 光絶縁 : フォトカプラは、電気信号を光信号に変換し、その後、光信号を電気信号に戻す受動素子です。このプロセスにより、発光ダイオード (LED) などの光キャリアを介して電気信号を転送できるようになります。フォトカプラは、フライバック電源設計やその他の信号伝送のシナリオで広く使用されています。
2. 容量性絶縁 : コンデンサは、AC電流を通過させながら、DC電流の流れを止めることができます。これを考慮すれば、信号がコンデンサを流れるときに信号を変調することができ、信号伝送中の絶縁が実現します。容量性絶縁は、少量のバイアス電流しか必要としないという点で光学的絶縁とは異なり、より大きなバイアス電流を必要とするLEDに比べて有利です。さらに、容量性絶縁は、より高い伝送速度、より低い伝播遅延、および強力なEMI耐性を備えています。
3. 磁気絶縁 : 電力と信号は、磁気コイルを介した磁界結合を介して伝送されます。通常、磁気絶縁を実現するためにトランスが使用され、主にスイッチング電源や電源モジュールの設計で使用されます。

信号伝送における絶縁電源モジュールの使用方法

信号伝送には、SPI、RS-485、RS-232、CANなど、さまざまな種類があります。高出力の産業用アプリケーションでは、あるハードウェアシステムから別のハードウェアシステムに信号が伝送されるときに、ハードウェアシステムは必然的に危険な高電圧の影響を受けます。

これらの高電圧は信号チェーンを破壊する可能性もあります。この問題を回避するには、信号アイソレータと絶縁型電源モジュールを使用することが不可欠です。本稿では、絶縁型電源モジュールを信号伝送 (SPI、RS-485、RS-232、CAN) で使用する方法について説明します (図1参照)。

図1 : MPSの絶縁型電源モジュール

シリアル・ペリフェラル・インタフェース (SPI)

SPIは、4つの信号チャネル (順方向3つと逆方向1つ) を介して信号を伝送できる高速全二重通信モードです (図2参照)。信号はマスターからスレーブへ、または逆にスレーブからマスターへ送信できます。信号伝送中に電気的絶縁を実現するために、設計者はマスターデバイスのマイクロコントローラ (MCU) とスレーブデバイス (トランシーバ) の間に電気的絶縁障壁を追加できます。

図2 : 電気絶縁障壁付きSPI通信インタフェース

電気絶縁障壁は、MP27631、MIE1W0505BGLVHなどの絶縁型電源モジュールのようなデジタルアイソレータを使用して実装できます (図3参照)。信号アイソレータは、信号を通過させながら絶縁を提供します。ただし、この部品は、一次側と二次側にバイアス電圧を必要とする能動素子です。MIE1W0505BGLVHは、優れたEMI耐性、ラインレギュレーションおよびロードレギュレーションを備えた、新世代の費用対効果の高い製品、絶縁型電源モジュールの一部です。この電源モジュールは、超小型LGA (4mm x 5mm) パッケージで最大2.5kVの絶縁電圧に対応します。

図3 : 絶縁型電源モジュールと信号アイソレータを備えたSPI通信絶縁障壁

RS-485

RS-485プロトコルでは、信号はツイストペア (ここで、ワイヤ1 = ワイヤA、ワイヤ2 = ワイヤB) で差動伝送されます。ワイヤAとワイヤBの間には 2つの論理レベルが定義されており、正の論理レベルは2V～6V、負の論理レベルは-2V～-6Vです。これら2つの論理レベルに相当するものにより、システムの状態をイネーブルまたはディセーブルにすることができます。差動伝送により、RS-485はシステムのEMI耐性を大幅に向上させることができます。この伝送方法には3つの信号チャネルが必要で、モーションコントロールや制御システム処理などの産業用アプリケーションで広く使用されています (図4参照)。

図4 : 絶縁型電源モジュールと信号アイソレータを備えたRS-485通信絶縁障壁

RS-232

RS-232プロトコルは、シンプルなポイントツーポイント通信プロトコルです (図5参照)。RS-232はRS-485に比べて伝送速度が遅く、距離が短くなります。古い世代のPCBではより広く使用されていました。

図5 : 絶縁型電源モジュールと信号アイソレータを備えたRS-232通信絶縁障壁

CAN

Boschによって開発されたCANプロトコルは、高い信頼性とパフォーマンスを備えています。RS-485と比較して、CANバスのリアルタイム通信速度はより速く、より安定しています。同時に、CANは2つの信号チャネルのみを必要とするよりシンプルなトポロジーを備えています (図6参照)。CAN通信プロトコルは、自動車、医療、産業用デバイスなどの信頼性の高いアプリケーションで広く使用されています。

図6 : 絶縁型電源モジュールと信号アイソレータを備えたCAN通信絶縁障壁

実際のアプリケーションにおける絶縁型電源モジュール

以下に、絶縁型電源モジュールをどのように使用できるかを示すいくつかの実際のアプリケーションを示します。

PLCシステム

PLCは、産業オートメーションシステム用に特別に設計されたデジタル制御ユニットです。PLCには、CPU、メモリ、I/O、モータドライバ、および電源が含まれています。PLCは産業オートメーション システムの頭脳であり、機械の動作を制御し、ガス圧力を検出し、センサを介して温度を検出し、ヒューマン マシン インタフェース (HMI) を介して人間と対話し、他の電気機器とのデータ通信を実現できます。MIE1W0505BGLVHなどの絶縁型電源モジュールは、RS-485インタフェースまたは I/O インタフェースを介して、データ通信チェーンに堅牢な電源を供給できます。図7にPLCの機能ブロックを示します。

図7 : PLCの機能ブロック図

EV充電ステーション

新エネルギーは世界を再形成しており、持続可能なエネルギー源を求める中で、電気自動車 (EV) は今後もさらに一般的になるでしょう。充電ステーションは送電網から電力を受け取り、それを電源として使用してEVバッテリーを充電します。電力網の出力電圧 (V_OUT) または充電ステーションの入力電圧 (V_IN) は、最大480V_ACまで達することができるので危険です。MIE1W0505BGLVHなどの絶縁型電源モジュールは、ドライバや車載用電子機器を高電圧から保護できる信頼性の高い絶縁技術を提供します。図8は、EV充電ステーション機能ブロック図を示します。

図8 : EV充電ステーションの機能ブロック図

電動自転車

急速な経済成長を遂げた人口密度の高い都市は、交通渋滞に悩まされており、通勤時間や二酸化炭素排出量が増加し、事故が発生した場合には負傷者が発生する可能性があります。電動自転車は、特に短距離で、より簡単な移動手段として新しく現れました。MIE1W0505BGLVHのようなモジュールは、信号通信インタフェースのシグナルインテグリティを維持しながら、自転車の48Vバッテリーパックによる被害から自転車に乗る人を保護できます。図9に電動自転車の機能ブロック図を示します。

図9 : 電動自転車の機能ブロック図

結論

本稿では、絶縁の基本概念とMIE1W0505BGLVHなどの絶縁型電源モジュールを信号絶縁に実装する方法について説明しました。 MIE1W0505BGLVHは、優れたパフォーマンスを備えた使いやすい超小型電源モジュールのソリューションです。

モノのインターネット (IoT) アプリケーションが開発され、より多くのエネルギーが利用されるにつれて、産業環境はより複雑になります。特に、産業用機器と人間が使用する機器との間にさらなる信号の統合が必要になるため、設計者は変化に直面することになります。このため、デジタルアイソレータ、絶縁型ゲートドライバ、そしてトランスドライバのような他の製品に加えて、絶縁型電源モジュール 備え、あらゆるアプリケーションのニーズに対応することが必須です。

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