スマートホーム機器にデジタルアイソレータを使用する
はじめに
スマートホーム機器は、スマートサーモスタット、ライティングシステム、セキュリティシステム、ホームエンタテイメントシステムを採用する多くの家庭でますます普及しています。これらの機器は、家庭の機能を自動化しワイヤレス制御を提供し、ユーザーがモバイルアプリやデジタルインタフェースから自宅をモニタおよび制御できるようにします。スマートホーム機器にはメリットはありますが、ユーザーは感電、火災、または機器への直接的な損傷につながる可能性のある電気的故障のリスクの増加にも直面しています。
本稿では、安全性と信頼性を確保するために、スマートホーム機器にデジタルアイソレータを使用することの重要性について説明します。
デジタルアイソレータの定義
デジタルアイソレータは、2つの回路間に電気的絶縁を提供しながら、デジタル信号が回路間を通過できるようにするICです。電磁結合または容量性結合を使用することにより、デジタルアイソレータは直接電気的接続を必要とせずに絶縁障壁を介してデータを送信します。
デジタルアイソレータは、高電圧、ノイズ、または他の危険から敏感な回路を保護するために電気的絶縁が必要なアプリケーションでよく使用されます。電源、モータ制御、医療機器、産業オートメーション、および安全性と信頼性が重要なその他のアプリケーションでも使用できます。図1に容量性絶縁の略図を示します。
図1: 静電容量絶縁の略図
絶縁率について
デジタルアイソレータを選択する際に必要な絶縁電圧は、ソリューション全体のコストに影響を与えるため、重要な考慮事項です。アイソレータは一般に、基本的なアイソレーションと強化アイソレータの2つの絶縁分類の一つを持っています。
- 基本的な絶縁: これにより、人や装置を電気的損傷から保護するのに十分な絶縁材料が得られますが、絶縁障壁が壊れても電気的故障のリスクは依然として存在します。一部のICでは、第1層が破壊された場合の保護手段として2層の基本絶縁を使用しており、これを二重絶縁と呼びます。
- 強化絶縁: これは二重基本分離と同じであり、基本的絶縁と比較して絶縁障壁が壊れる可能性を減らすために絶縁障壁を強化することで実装されます。
IEC 62368-1は絶縁電圧のより包括的な仕様を提供しています。基本的な絶縁は最小沿面距離が3.2mmで、2,500VのVRMSに1分間、3kVのVRMSに1秒間耐える能力を有すると定義されています。強化された絶縁には最低6.4mmの沿面距離と、最低5kVのVRMSに1分間耐え、 6kVのVRMSに1秒間耐える容量が必要です。
図2は、基本絶縁、二重絶縁、強化絶縁の3種類を示しています。
図2: 基本絶縁、二重絶縁、強化絶縁
沿面距離は、絶縁障壁の反対側にある2つの導電性要素間の最短距離であり、絶縁面に沿って測定されます。クリアランス距離は、沿面距離に似た一般的なパラメータですが、空気中の直接経路に沿って測定されます。その結果、沿面距離は常にクリアランス距離と等しいかそれより大きくなりますが、どちらもICのパッケージ構造に大きく依存します。ピン間距離やボディ幅などのパラメータは絶縁部品の絶縁電圧と強い相関を持っています。ピン間の間隔が広く、パッケージは大きな絶縁電圧をもっていますが、より多くの基板スペースを占有し、全体的なシステム費用が増加します。
システム設計と絶縁電圧要件に応じて、異なる絶縁定格が利用可能であり、通常、パッケージタイプに対応します。スモールアウトライン集積回路 (SOIC) パッケージは1.27mmのピン間間隔を持ち、ナローボディ (3.9mmパッケージ幅) またはワイドボディ (7.5mmパッケージ幅) の形式があります。ワイドボディパッケージは5kVRMSの強化された要求に対応するために一般的に使用され、ナローボディパッケージは最大絶縁電圧が3VのVRMSのアプリケーションで使用されます。一部の800V+システムでは、沿面距離とクリアランスの要件を満たすために、14.5mmを超える沿面距離で追加ワイドボディのパッケージが使用される場合があります。
図3はSOICパッケージにおけるクリアランスと沿面距離を示します。
図3: SOICパッケージのクリアランスと沿面距離
デジタルアイソレータの安全規制
UL 1577、VDE、CSA、CQCなどの安全認証は、さまざまな電子システム内のデジタルアイソレータの信頼性と安全性を確保する上で極めて重要な役割を果たします。これらの認定について以下に説明します。
- UL 1577: この認証は、Underwriters Laboratoriesによって確立され、デジタルアイソレータの絶縁性能を評価するための厳しい基準を設定したものです。安全要求事項を保証するために、電圧絶縁、漏れ電流、絶縁抵抗などの要因を試験しました。
- VDE: この認証はヨーロッパで圧倒的に認められており、厳格な試験方法によってデジタルアイソレータを含む電気製品の品質と安全性を検証しています。VDE認証は、アイソレータが指定された安全基準を満たし、欧州の安全基準に準拠していることを示し、さまざまなアプリケーションで信頼性と機能性を保証します。
- カナダ規格協会 (CSA): この認証は、デジタルアイソレータがカナダの安全規制と規格に準拠していることを保証し、カナダ全土に展開されている電子システムの信頼性と安全性を保証します。
- (CQC): 中国品質認証GB 4943.1-2022規格安全証明書は、オーディオ / ビデオ、情報、および通信技術機器の適合性評価と品質管理を重視しています。
これらの認証は、デジタルアイソレータが包括的な試験を受け、厳格な安全対策に準拠していることをメーカー、エンジニア、消費者に保証するものであり、グローバル市場で使用される電子機器やシステムの全体的な安全性と信頼性に貢献しています。
デジタルアイソレータとフォトカプラの特徴
従来、デジタル信号の分離転送はフォトカプラを使用して行われてきました。これらのデバイスは、LEDと感光素子 (通常はフォトトランジスタ) を使用して、絶縁障壁を介して信号を転送するために光を利用します。絶縁障壁の片側にある信号により、LEDのオンとオフが切り替わります。LEDから放出される光子がフォトトランジスタのベースコレクタ接合部に衝突すると、ベースに電流が形成され、トランジスタの電流利得によって増幅され、絶縁バリアの反対側に同じデジタル信号を送信します。
デジタルアイソレータは、フォトカプラよりもスマートホーム機器に適した4つの主要機能を提供します。
- 低消費電力: デジタルアイソレータは光源を供給する必要がなく、より効率的なチャネルを使用して信号を転送します。これは、デジタルアイソレータをバッテリー駆動機器 (スマートサーモスタットやセキュリティセンサなど) に最適にします。
- 高速データ伝送: フォトトランジスタは応答時間が長く、光アイソレータの帯域幅が制限されます。デジタルアイソレータは信号をはるかに高速で転送でき、スマートホーム機器と制御システム間の高速で信頼性の高い通信を可能にします。
- 低電磁障害 (EMI): EMIは家庭内の電子機器に干渉する可能性があります。静電容量絶縁技術を採用することにより、デジタルアイソレータはEMIに対してより耐性があります。
- 広い動作温度範囲: これにより、デジタルアイソレータは屋外アプリケーションを含む様々な堅牢な環境に適しています。
デジタルアイソレーションの種類
実装可能なデジタル絶縁には、磁気絶縁と容量性絶縁の2種類があります。磁気絶縁はトランスに依存して信号を伝達し、容量性絶縁はコンデンサを使用して、アイソレータを介して信号を送信します。これにより電気的障壁が形成されます。この障壁は直流電流の流れを防ぎ、入出力回路間の絶縁を提供します。
容量性絶縁は、いくつかの利点のために最も一般的に使用される方法です。
- データレートの向上: 磁気絶縁と比較して、容量性絶縁の高いデータレートは、高速で信頼性の高い通信を必要とするアプリケーションに使用することができます。
- 消費電力の削減: 磁気絶縁や光絶縁と比較して、容量性絶縁は一般的に消費電力が少なく、バッテリー駆動機器にとってよりエネルギー効率の高い選択肢になります。
- 小さいサイズ: 容量性アイソレータは磁気アイソレータや光アイソレータよりも一般的に小さいため、小型の電子機器への集積が容易です。
- コストの削減: 容量性アイソレータは一般的に高価な光電子部品 (例えばLEDやフォトダイオード) に依存する光アイソレータよりも安価です。
- EMIに対する高い耐性: 磁気絶縁と比較して、容量性絶縁はEMIの影響を受けにくく、その結果、容量性絶縁はノイズの多い環境でより信頼性の高い選択肢になります。
図4は、従来の光絶縁と磁気絶縁および容量性絶縁の比較を示します。
図4: 光学的絶縁、磁気的絶縁、静電容量絶縁
使用されるデジタル絶縁のタイプは、要求されるデータレート、温度幅、環境内の電気ノイズのレベルなどのアプリケーション仕様に依存します。図5は、3つのデジタルアイソレータを必要とするスマート冷蔵庫のブロック図を示します。
図5: スマート冷蔵庫のブロック図
MP279xx製品ファミリの紹介
MPSは、MP27922、MP27931、MP27933、MP27940、MP27942、およびMP27960で構成されるMP279xx製品ファミリとの高性能デジタルアイソレータの選択肢を提供します。MP279xx製品ファミリは、スマートホーム機器に集積することができ、2、4、6チャンネルのデジタルアイソレータを備え、複数の順方向および逆方向のチャネル構成が可能です。部品番号の最後の2桁は、順方向および逆方向チャネルの数を表します。例えばMP27922は4チャネルのデジタルアイソレータであり、2つの順方向チャネルと2つの逆方向チャネルを備えています。
MP279xx製品ファミリのデジタルアイソレータは、従来のフォトカプラに代わるように最適化されており、次のような利点があります。
- UL 1577に準拠した5000VRMS絶縁定格で、堅牢なアプリケーションに最適
- 従来のフォトカプラアイソレータと比較して、小型化、低消費電力、信頼性の高い動作
- 消費電力を最小限に抑えながら、広い温度範囲でパフォーマンスを維持
- 最大150Mbpsの高速データレートに対応
MP279xxファミリは容量性絶縁技術により、最大5kVRMSの絶縁電圧定格に対応します。これらのデバイスには、UL 1577、VDE、CSA、およびCQCに基づく安全関連認証が含まれています。さらに、シュミットトリガー入力と絶縁されたエンコーディング / デコーディングを提供し、ノイズの多い環境で高い電磁耐性を実現します。入力信号電源が故障した場合でも、固定出力に対応するために、高 / 低の選択可能なフェイルセーフ出力が提供されます。
スマートホーム機器におけるデジタルアイソレータのアプリケーション
制御システムと電化製品回路の間に電気的絶縁を提供することは、ユーザーの安全を確保するだけでなく、外部の干渉やハッキングからスマートホーム機器を保護するために不可欠です。デジタルアイソレータを集積したスマートホーム機器の例としては、スマートライティングシステム、スマートセキュリティシステム、スマートサーモスタット、スマートホームエンタテイメントシステムなどがあり、以下でさらに詳しく説明します。
スマートライティングシステム
スマートライティングシステムでは、デジタルアイソレータは制御システムと高電圧照明回路間の絶縁をします。これにより、ユーザーが高電圧電気信号に接触するのを防止します。
スマートセキュリティシステム
スマートホーム セキュリティシステムでは、デジタルアイソレータは制御システムとセンサまたはカメラの間を絶縁します。機密性の高い制御回路を外部から分離することで、セキュリティシステムへの外部干渉に関する懸念に対処できます。
スマートサーモスタット
スマートサーモスタットでは、デジタルアイソレータは制御システムと加熱または冷却回路の間の絶縁を提供します。これにより、加熱または冷却回路内の高電圧または高電流信号による制御システムへの損傷を最小限に抑えることができます。
スマートホームエンターテイメントシステム
スマートホームエンタテイメントシステム（スマートスピーカーなど）では、デジタルアイソレータが制御システムとオーディオまたはビデオ回路の間を絶縁します。これは音声や映像信号の干渉やノイズを防ぐことで高品質な再生を実現します。
結論
デジタルアイソレータは、スマートホーム機器を含む多くの電子機器の重要な構成要素であり、絶縁された回路間で安全かつ効率的に信号を伝送する方法を提供します。物理的な接続とそれに伴う安全上の危険、および性能への干渉を排除します。デジタルアイソレータにはいくつかのタイプがありますが、MP279xxファミリは容量性絶縁技術を使用した堅牢なソリューションを提供し、データレートの向上、消費電力の低減、小型化、低コスト、EMIに対する耐性の向上など、他の絶縁形態と比較していくつかの重要な利点を提供します。詳細については、MPSの幅広い絶縁ソリューションの製品ラインナップをご覧ください。
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