L’isolamento nei sistemi elettrici ed elettronici viene generalmente impiegato per due motivi, garantire il corretto funzionamento dei circuiti, nel qual caso si parlerà di isolamento funzionale, e garantire la protezione degli operatori da shock elettrici. In ambito medicale, oltre all’apparato e all’operatore entra in gioco un terzo attore fondamentale, il paziente, che è il soggetto a rischio più elevato. In questi sistemi l’isolamento serve in ultima analisi ad evitare la folgorazione del paziente. La progettazione di apparati medicali deve pertanto rispondere a ben definiti criteri di sicurezza stabiliti da agenzie ed enti normativi vari. Uno degli standard più diffusi, adottato quasi universalmente, è l’IEC60601-1, che definisce criteri di progettazione e test di validazione per la sicurezza degli apparati medicali. In termini di correnti e tensioni vengono definiti i limiti massimi sia in condizioni operative standard che in condizioni di guasto. Per raggiungere i limiti di sicurezza l’isolamento elettrico è una delle tecniche maggiormente utilizzate in quanto consente di circoscrivere le sezioni di circuito ad alta tensione e mantenere sotto controllo le correnti di perdita attraverso la terra. La trasmissione di segnali attraverso una barriera di isolamento è stata dominata per lungo tempo da accoppiatori di tipo ottico, in cui la luce generata da un Led viene utilizzata per portare in conduzione un fototransistor. Altre tecniche consistono nell’accoppiamento induttivo mediante trasformatori o nell’accoppiamento capacitivo. Per molte applicazioni gli optoisolatori costituiscono ancora la scelta migliore in termini di costo/prestazioni. Tuttavia, con il crescere della velocità di trasmissione dei dati e la necessità di disporre di sistemi sempre più compatti gli optoisolatori hanno cominciato a mostrare i propri limiti, e nuove tecnologie sono state studiate e realizzate per superare gli ostacoli imposti da questi dispositivi.
La tecnologia iCoupler
Una tecnologia particolarmente promettente è quella basata sulla trasmissione dei segnali mediante accoppiamento induttivo tramite trasformatori. La tecnologia iCoupler sviluppata da Analog Devices è basata su microtrasformatori comparabili in dimensioni con quelle di un normale optoisolatore e consente la realizzazione di isolatori digitali.
Gli elementi costitutivi sonodi un iCoupler:
- Interfaccia di ingresso, realizzata in tecnologia Cmos, ha lo scopo di modulare il segnale digitale di ingresso in una forma conveniente per il microtrasformatore.
- Microtrasformatore, costituito da spire metalliche separate da uno strato di polyimide, trasmette il segnale attraverso la barriera di isolamento.
- Interfaccia di uscita, realizzata in tecnologia Cmos, riceve in ingresso il segnale dal microtrasformatore e lo ricostruisce in uscita con le medesime caratteristiche del segnale di ingresso.
Alla base della tecnologia iCoupler ci sono i microtrasformatori planari che vengono realizzati utilizzando i processi standard dell’industria dei semiconduttori. Due avvolgimenti del diametro di 500 µm e uno spessore di 4 µm sono separati da uno strato di polyimide di 20 µm che funge da barriera di isolamento. Il polyimide ha una rigidità dielettrica pari a 400 V/µm, consentendo così al dispositivo una tenuta complessiva pari a circa 8 kV. In questo modo è possibile garantire livelli di isolamento fino a 5 kV. L’interfaccia di ingresso rileva i fronti del segnale digitale generando degli impulsi della durata di 1 ns che vengono inviati al microtrasformatore. Pertanto solo questi impulsi di breve durata vengono trasmessi affidando all’interfaccia di uscita il compito di ricostruire il segnale di ingresso. Questa tecnica consente di svincolare il funzionamento del trasformatore dal data rate del segnale digitale. Per data rate molto bassi e in mancanza di transizioni (livello DC) un originale circuito di refresh consente di verificare lo stato del segnale di ingresso e replicarlo in uscita. Il circuito di refresh permette quindi di utilizzare l’isolatore anche in continua e inoltre consente l’inizializzazione corretta al power up. Il fatto di avere un’interfaccia Cmos, che è una tecnologia a basso costo, aggiunge versatilità a questi sistemi che possono integrare funzioni aggiuntive senza impattare sensibilmente i costi.
Un isolatore digitale a 4 canali che contiene 3 chip in un singolo package consente di raggiungere i livelli di isolamento richiesti. Un aspetto rilevante di questa tecnologia è che i microtrasformatori possono trasferire il segnale in entrambe le direzioni consentendo cosi la realizzazione di isolatori bidirezionali. È possibile combinare opportunamente la direzione di ogni singolo canale.
Le prestazioni che si possono raggiungere con questi dispositivi sono le seguenti:
• Da 1 a 5 canali di isolamento in un singolo dispositivo
• Bidirezionalità
• Massimo data rate pari a 150Mbps
• Ritardo di propagazione 32ns massimi
• Distorsione dell’impulso 5ns massimi
• Matching tra canali 5ns massimi
• Consumo 1mA/ch a 2Mbps, 33mA/ch a 150Mbps
• Temperatura Operativa da -40°C a +105°C
• Rating di isolamento fino a 5kV
• Immunità al transitorio di modo comune pari a 25kV/us
• Certificazioni CSA, VDE, UL, IEC
La versatilità di questa tecnologia consente di realizzare diverse soluzioni di isolamento integrate. L’attuale portafoglio prodotti prevede già: canali di isolamento multipli bidirezionali; standard di comunicazione I2C, Usb, RS485, RS232 e Can; gate driver isolati per Mosfet e Igbt; Adc. Per dare un’idea dell’efficacia dell’integrazione si prenda il caso particolare del bus I2C basato su un protocollo di comunicazione bidirezionale a 2 fili, uno per i dati ed uno per il clock, sviluppato per consentire la comunicazione tra un microcontrollore e le sue periferiche in modo semplice e a basso costo. La semplicità va a scapito della velocità di trasmissione dei dati, e pertanto l’ I2C trova applicazione in quei sistemi con un elevato numero di periferiche con data rate inferiore a 1 Mbps. Volendo isolare un bus I2C utilizzando degli accoppiatori ottici, data la loro natura monodirezionale, si rende necessaria una logica che suddivida le due linee in quattro (trasmissione e ricezione per i dati e trasmissione e ricezione per il clock), mandarle a quattro distinti optocoupler e quindi ricombinarle per ottenere nuovamente le due linee. La soluzione appare pertanto alquanto complessa e vanifica in parte il vantaggio della semplicità ed economicità del bus I2C.
La tecnologia iCoupler consente di integrare tutte queste funzioni all’interno di un singolo package, arrivando così a realizzare l’isolamento del bus I2C con un singolo dispositivo. Il circuito schematizzato in è una delle soluzioni adottate più di frequente con 4 optoisolatori, un buffer e delle reti che servono per sdoppiare e ricomporre le linee. Stessa soluzione in ricorrendo a un solo ADuM225x, che, pur basandosi sullo stesso principio, integra tutte le funzioni consentendo così una semplificazione circuitale notevole ed un risparmio di area sul Pcb pari a circa il 90%. Un altro esempio notevole è l’isolatore Usb ADuM4160. Molti equipaggiamenti medici richiedo l’interfacciamento con Computer, stampanti e data recorder. Molti di questi apparati utilizzano l’interfaccia Usb per la trasmissione dei dati. L’ADuM4160 consente di isolare le linee D+ e D- e gestisce in maniera automatica il flusso dei dati e lo stato delle uscite.
La tecnologia isoPower
La tecnologia isoPower nasce da due considerazioni elementari. La prima è che tutte le applicazioni che richiedono la trasmissione di dati galvanicamente isolata richiedono anche una tensione di alimentazione isolata su entrambi i lati della barriera. La seconda è che un trasformatore non solo è in grado di trasferire un segnale modulato attraverso una barriera di isolamento, ma può trasferire anche potenza. Apportando le dovute modifiche è possibile trasformare il microtrasformatore di segnale in un microtrasformatore di potenza. Switch, diodi rettificatori e regolatori di tensione possono essere aggiunti per ottenere una sorgente di potenza isolata con le stesse caratteristiche del canale di isolamento del segnale. La nuova generazione degli ADuM620x ADuM640x doppi e quadrupli con il trasferimento di potenza integrato è in grado di fornire una potenza di 500 mW, e può lavorare con tensioni di 3.3 V e 5V in ingresso ed in uscita. Questi dispositivi hanno un rating di isolamento di 5 kV e sono qualificati IEC60601-1.
