Une isolation numérique robuste renforce la sécurité des applications haute tension

Lorsque des circuits électriques alimentés sont susceptibles d'interagir avec d'autres circuits, du matériel, des infrastructures ou des utilisateurs, un risque de surtension dommageable existe. L'isolation physique ou électronique du courant des points d'interaction potentiels, communément appelée isolation galvanique, est essentielle à la sécurité et au fonctionnement continu du circuit. De plus, l'isolation réduit souvent le bruit indésirable dans le signal de sortie.

Les exigences d'isolation sont courantes dans la robotique, les équipements de réseaux électriques haute tension, les équipements industriels, les applications automobiles et les produits grand public. Les spécificités applicatives, telles que les tensions d'entrée variables, l'utilisation d'une alimentation par batterie ou la nécessité d'une empreinte compacte, sont autant d'exigences à prendre en compte lors de la conception d'un système d'isolation.

Pour choisir les composants d'isolation appropriés, les concepteurs doivent comprendre les avantages et les inconvénients ainsi que la conception des différentes architectures d'isolateurs. Forts de ces connaissances, ils peuvent intégrer les isolateurs les plus efficaces, les plus fiables et les plus compacts dans leurs conceptions électroniques.

Identifier les isolateurs

L'isolation galvanique peut être réalisée de plusieurs manières partageant toutes un principe de base : une tension d'entrée plus élevée du côté primaire est séparée par une barrière physique du côté secondaire à plus basse tension et à plus faible courant. Les caractéristiques de la barrière, ainsi que la méthode de transmission de l'alimentation, des signaux ou des deux à travers la barrière dépendent du type d'isolateur.

Les photocoupleurs utilisent des LED pour convertir le signal du côté primaire d'impulsions électriques en photons. Du côté secondaire, un composant photosensible comme un phototransistor, une photodiode ou un transistor à effet de champ (FET) reçoit les photons et les reconvertit en un signal électrique. Outre l'isolation physique des circuits primaire et secondaire, les photocoupleurs éliminent automatiquement les bruits indésirables du signal de sortie et évitent les boucles de masse.

Dans les coupleurs magnétiques, la tension dans l'enroulement du côté primaire d'un transformateur génère un champ magnétique. Ce champ magnétique induit une tension dans un enroulement du côté secondaire, transmettant un signal électrique tout en maintenant une isolation galvanique. Les transformateurs peuvent avoir deux enroulements séparés sur un seul noyau de fer ou peuvent être constitués de deux inductances, chacune avec un enroulement autour de son propre noyau de fer, et séparées par un matériau diélectrique. Les concepteurs privilégient souvent le couplage magnétique pour sa haute tenue en tension, ses temps de réponse relativement rapides et sa capacité à filtrer le bruit de signal. Cependant, la taille de l'isolateur, le dégagement de chaleur potentiel et la génération d'interférences électromagnétiques doivent également être pris en compte.

Les coupleurs capacitifs utilisent des condensateurs, qui sont des composants avec deux électrodes séparées par un matériau diélectrique. La charge s'accumule sur l'électrode côté primaire en raison de la tension d'entrée. Cela crée un champ électrique qui induit une tension dans l'électrode côté secondaire. Les coupleurs capacitifs sont connus pour leur petite taille, leur faible consommation d'énergie et leur réponse rapide aux changements d'entrée, ce qui les rend pratiques et efficaces pour la transmission de signaux électriques à travers une barrière galvanique. Les concepteurs doivent prendre des mesures pour protéger les coupleurs capacitifs contre une tension d'entrée dépassant leurs capacités, et contre l'humidité ambiante et le claquage diélectrique.

Déployer des isolateurs numériques

Tous les types d'isolateurs mentionnés ci-dessus peuvent être intégrés dans des systèmes d'isolateurs numériques sur des circuits intégrés. Ces topologies peuvent également être intégrées à des modules d'alimentation ou à des composants de transmission des signaux pour former des systèmes d'isolation numérique complets sur des puces individuelles. Les topologies courantes de systèmes d'isolateurs numériques incluent : indirectes (flyback), demi-pont et push-pull.

Une alimentation indirecte est une forme d'isolation magnétique qui crée un transformateur en combinant une inductance divisée avec un convertisseur abaisseur-élévateur qui peut augmenter ou réduire la tension d'une entrée de courant continu (CC) pour correspondre à la sortie souhaitée. La rétroaction vers le convertisseur abaisseur-élévateur est fournie par un enroulement d'inductance tertiaire ou un photocoupleur. Les alimentations indirectes sont recommandées pour les applications basse consommation, mais les concepteurs doivent être conscients du risque d'interférences électromagnétiques indésirables.

Les conceptions en demi-pont (pont en H) incluent un générateur d'ondes carrées à pont en H, un circuit résonant contenant deux inductances et un condensateur (LLC), et deux redresseurs qui fournissent la tension de sortie CC souhaitée. Les redresseurs permettent une puissance de sortie plus élevée que certaines conceptions, et les conceptions d'isolation à pont en H sont recommandées pour les applications moyenne puissance.

Les alimentations isolées push-pull utilisent deux transformateurs pour le couplage magnétique. Deux commutateurs permettent d'alterner le transformateur recevant la tension d'entrée. Deux diodes de redressement en pont complet du côté secondaire anticipent les variations de tension et régulent la tension en une sortie symétrique.

Pour un contrôle accru, les concepteurs peuvent choisir d'ajouter un circuit d'attaque de transformateur dans une configuration push-pull. Le circuit d'attaque intègre un oscillateur, un diviseur de fréquence et un contrôleur logique pour coordonner l'ouverture et la fermeture des commutateurs selon un modèle non court-circuitant (BBM, break-before-make). Ce modèle produit un signal de sortie relativement constant tout en protégeant les composants internes et en aval contre les dommages causés par la connexion simultanée des deux commutateurs.

Les systèmes dotés de circuits d'attaque de transformateur peuvent également contrôler la sortie avec des régulateurs de tension linéaires à faible chute de tension (LDO) qui remplacent ou augmentent la fonction des diodes de redressement. La tension de relâchement est la différence minimum entre la tension d'entrée et la tension de sortie en dessous de laquelle le circuit ne peut pas réguler correctement la sortie. Dans les régulateurs LDO, cette différence est extrêmement faible, ce qui garantit un fonctionnement fiable sur une large plage de tensions d'entrée.

Présentation des LDO

Un régulateur LDO contient un FET, un amplificateur différentiel et une référence de tension à barrière de potentiel. L'amplificateur différentiel compare la tension de sortie à la tension de référence et, si la différence entre les deux est trop élevée, le signal de l'amplificateur déclenche le FET pour ajuster la résistance du circuit afin de maintenir la tension de sortie stable.

En plus de la tension de relâchement, plusieurs autres spécifications doivent être prises en compte lors de la sélection d'un LDO pour une application d'isolation numérique, notamment la régulation de charge et de ligne, le taux de réjection de l'alimentation (PSRR), le bruit de sortie et le courant de repos (I_Q). La régulation de charge est la capacité d'un LDO à gérer les variations du courant d'entrée tout en maintenant une tension de sortie stable, tandis que la régulation de ligne concerne les variations de la tension d'entrée. De nombreuses spécifications mentionnent également le taux PSRR, qui mesure la capacité du régulateur à gérer l'ondulation dans une entrée de courant alternatif (CA) redressée.

Les concepteurs veulent également s'assurer que le bruit de sortie est réduit au minimum. Un faible I_Q, c'est-à-dire le courant nécessaire au fonctionnement des circuits internes du régulateur, simplifie le système et préserve la durée de vie de la batterie dans les applications mobiles.

Un exemple de LDO conçu spécifiquement pour les systèmes alimentés par batterie est le TPL8031Q-S de 3PEAK (Figure 1). Ces régulateurs génèrent des sorties à tension fixe de 3,3 V ou 5 V avec une précision de ±2,5 %. Ils présentent des tensions de relâchement maximum de 720 mV pour la version à sortie 5 V et de 900 mV pour la version à sortie 3,3 V.

Figure 1 : Les régulateurs de tension linéaires à faible chute de tension (LDO) fournissent des tensions de sortie fiables pour les systèmes à isolation numérique, tels que les calculateurs automobiles. (Source de l'image : 3PEAK)

Les régulateurs TPL8031Q-S tolèrent des tensions d'entrée comprises entre 3 V et 42 V avec des transitoires pouvant atteindre 45 V, et ils peuvent fournir un courant de sortie jusqu'à 300 mA. En même temps, ils consomment peu d'énergie, avec un courant I_Q typique de 3 µA. Les limites de courant internes protègent les régulateurs contre les conditions de défaut, comme les courts-circuits à la terre, en interrompant la régulation de tension. De plus, la protection contre la surchauffe arrête le régulateur si sa température interne atteint un seuil de blocage thermique (TSD), et lui permet de reprendre son fonctionnement une fois qu'il a suffisamment refroidi.

Grâce à leur fiabilité, leur basse consommation et leur haute tenue en tension, les régulateurs de tension TPL8031Q-S constituent de bons candidats LDO pour de nombreuses applications automobiles à espace limité qui dépendent de l'alimentation par batterie. Ces applications incluent les calculateurs (ECU), les modules de commande de domaine et de carrosserie, les microcontrôleurs et les émetteurs-récepteurs, l'éclairage intérieur et extérieur, les systèmes d'infodivertissement, les groupes d'instruments et d'autres sous-systèmes alimentés par la batterie du véhicule ou connectés à celle-ci.

Conclusion

Les applications automobiles sont un exemple de systèmes nécessitant une isolation numérique robuste pour protéger les composants électroniques sensibles contre les surtensions et pour garantir la sécurité des opérateurs, des passagers et des personnes en contact avec ces systèmes face aux tensions dangereuses. Il existe de nombreuses combinaisons d'isolation de l'alimentation et des signaux permettant d'atteindre cet objectif, et les régulateurs LDO sont des composants essentiels des systèmes d'isolation numérique conçus avec soin.