Tecnologia ADI iCoupler isola a placa e a interface do usuário

jun, 2009

Edição 41, Junho de 2009

Por Jerome Patoux

Tecnologia ADI iCoupler isola a placa e a interface do usuário

Superfícies para cozinhar (placas) indutivas fáceis de usar estão ganhando aceitação pelos consumidores conforme elas vão se tornando mais acessíveis. Elas são significantemente mais seguras, sem chamas ou outras fontes de calor direto na placa e têm melhor desempenho geral, incluindo tempo de aquecimento mais rápido.

Mesmo que a tecnologia de indução seja bem estabelecida e provada, o desenho dos equipamentos que conduzem a placa indutiva – causando o aquecimento de recipientes metálicos – requer que os desenvolvedores entendam uma grande variedade de princípios físicos e técnicas de design. Sob uma estrutura relativamente simples de uma placa indutiva, as técnicas necessárias incluem diversas áreas distintas de processamento de sinais analógicos e digitais, proteção elétrica e isolamento.

Por exemplo, padrões de segurança exigem isolamento entre a interface do usuário e a fonte de energia. Há três principais locais para isolamento:

• As fontes de energia de baixa tensão para o controle lógico;

• Entre o estágio de potência (power stage) do transistor bipolar isolado da porta (insulated-gate-bipolar-transistor ou IGBT) e os seus sinais de controle;

• Entre os controles do usuário e o controlador do sistema.

Um sistema seguro deve atingir, no mínimo, dois desses requisitos de isolamento. Este artigo discutirá soluções inovadoras que permitem isolamento das chaves acionadoras IGBT e as interfaces com o usuário.

 

Descrição do sistema

Como em um transformador, o elemento indutivo gera um campo magnético. Quando uma panela metálica é colocada dentro desse campo, correntes induzidas são geradas. Suas energias são dissipadas em forma de calor, elevando a temperatura da panela – e, por condução, o seu conteúdo. De um ponto de vista elétrico, o elemento indutivo cria um circuito ressonante LC com perdas que consequentemente produzem calor. A Figura 1 mostra os elementos de um sistema de aquecimento indutivo.

A onda da corrente indutora é criada por uma fonte de energia contínua (DC) chaveada de alta eficiência e um par de chaves acionadoras IGBT. As chaves são comandadas por um microcontrolador, que responde a um loop de realimentação que força condições monitoradas por sensores para corresponder às configurações estabelecidas pelo usuário – e para se manter dentro de limites seguros.

O sensor principal, um transformador em série com a placa indutiva, monitora o valor da corrente por meio da placa indutiva com objetivo de manter o valor apropriado de corrente para o nível de cozimento selecionado. Isso previne danos ao estágio de potência – a placa indutiva e IBGTs – reduzindo o nível da corrente, conforme necessário, para evitar uma situação de sobrecorrente.

Já que a indutância e a capacitância da placa indutiva, panela e transformador constituem um circuito LC ressonante, pode-se considerar que a frequência de indução poderia ser determinada configurando os valores de L e C. Infelizmente, os valores de indutância e capacitância (e, portanto, a frequência de ressonância) dependem do tamanho, da forma e do material da panela que está sendo utilizada. Deste modo, os diferentes níveis de aquecimento selecionados pela interface do usuário não podem ser configurados para frequências fixas. Um modo mais efetivo de configurar esses níveis de trabalho é baseado em uma medida da corrente, que fornece uma medida da energia dissipada. O loop de realimentação permite ao microcontrolador ajustar o nível da corrente para corresponder ao nível de calor escolhido. O microcontrolador ajusta a frequência da modulação da largura de pulso (pulse-width-modulated ou PWM) para se adaptar à panela. O desenvolvedor da placa indutiva, já conhecendo a corrente que corresponde a cada nível de calor necessário, simplesmente programa o microcontrolador para ajustar a frequência PWM para fornecer a corrente apropriada para cada nível de calor.

A frequência do sinal PWM que conduz os IGBTs variará tipicamente de aproximados 20 kHz a 100 kHz. Considerando que IGBTs possuem características de desligamento mais lentas que Mosfets, a frequência de chaveamento é limitada a algumas dezenas de kH. O sinal PWM de um micro-controlador tem um ciclo de trabalho fixo (digamos 50%); sua frequência será ajustada dependendo da energia necessária para o nível de aquecimento selecionado pelo usuário.

Devido às altas tensões que podem ser geradas em um circuito indutivo de alta corrente, é importante prover isolamento elétrico em pontos críticos do sistema. Em particular, é essencial isolar o estágio de potência da placa indutiva do microcontrolador e outros circuitos digitais. Uma forma de realizar isso é utilizar chaves IGBT isoladas. Uma família de circuitos isoladores de baixo custo, baseados na inovadora tecnologia iCoupler® da ADI, possui muitas vantagens comparadas a soluções de isolamento tradicionais.

Figura 1 – Sistema de aquecimento indutivo

 

Figura 2 – Anatomia da tecnologia iCoupler

 

Isolamento galvânico é uma forma de prevenir a corrente de circular diretamente entre dois circuitos que se comunicam. Há dois grandes motivos para utilizar isolamento. O primeiro é proteger pessoas e equipamentos onde houver possibilidade de exposição a operações de alta tensão ou surtos de corrente. O segundo é evitar loops de terra e correntes aterradas perturbadoras onde as interconexões envolvem diferentes potenciais de aterramento. Em ambos os casos, técnicas de isolamento previnem fluxo de correntes, mas permitem fluxo de dados ou potência entre os dois circuitos.

A tecnologia iCoupler (Figura 2) tem um enfoque baseado em transformadores para o isolamento. Integrando microtransformadores e circuitos eletrônicos, ela possui todas as vantagens dos acopladores óticos, transformadores discretos e tecnologias semicondutoras – mas sem as desvantagens dos acopladores óticos e transformadores discretos. Limitações dos acopladores óticos incluem consumo excessivo de energia, grandes erros de temporização, limitações na transferência de dados e sensibilidade à temperatura. Em produtos baseados no iCoupler, a isolação para atingir os requisitos das agências de segurança é atingida pelo uso de uma camada de polímero de 20 µm de espessura entre as bobinas do transformador. Ela é capaz de atingir um índice de isolamento maior que 5KV rms. Essa tecnologia utiliza circuitos de atualização patenteados, que atualizam a saída para corresponder corretamente ao estado de entrada quando as transições do sinal de entrada não estão presentes, evitando, desse modo, a inerente falta de capacidade dos transformadores discretos de atingir os níveis corretos de corrente contínua (DC).

A tecnologia iCoupler1 oferece benefícios em cinco áreas-chave:

• Integração (tamanho/custo)

• Desempenho

• Consumo de energia

• Facilidade de utilização

• Confiabilidade

Isolamento de IGBTs utilizando a tecnologia iCoupler

A tecnologia iCoupler pode ser encontrada em uma família de componentes isolados, incluindo o ADuM12332 de 2 canais (Figura 3), que oferece isolamento entre as saídas e as entradas – e também entre as duas saídas – tornando-o útil para isolamento dos controles dos IGBTs.

Figura 3 – Diagrama funcional de ADuM1233

A energia do circuito de entrada é fornecida por uma fonte de alimentação isolada e pode necessitar de um ou mais estágios de conversão de tensão. Uma fonte de energia de 5 V é necessária para o microcontrolador e o resto do sistema, e o circuito IGBT necessita de 15 V para operação eficiente. Os dispositivos iCoupler isolados devem suprir até 100 mA de pico de corrente, então um estágio de ganho adicional é necessário, conforme demonstrado na Figura 4.

Figura 4 – Operando IGBTs com a isolação iCoupler

 

Figura 5 – Comparação dos atrasos de propagação em função da tensão da fonte de energia | (a) Tensão de saída (b) Tensão de entrada

Por causa da importância da relação de temporização entre os dois canais – com os IGBTs sendo conduzidos por sinais PWM em anti-fase – a velocidade, a estabilidade e a confiabilidade da tecnologia iCoupler são especialmente vantajosas se comparadas a Leds e fotodiodos. As curvas na Figura 5 mostram que os atrasos de propagação nas bordas de subida dos dois canais estão igualadas por volta de 100 ps – e nas bordas de descida para melhor que 1 ns – sobre as faixas de fonte de energia de 12 V até 18 V de saída e 4,5 V até 5,5 V de entrada.

As margens de temporização resultantes garantem totalmente o chaveamento complementar dos IGBTs, melhorando a eficiência do estágio de potência e do sistema em geral.

Como observado, o ADuM 1233 oferece verdadeiro isolamento galvânico entre os circuitos de entrada e as saídas do dispositivo, e entre os dois circuitos de saída. Cada saída isolada opera a até ± 700 V com respeito à entrada, suportando, dessa maneira, tensões negativas da fonte de energia do lado baixo (- HV na Figura 4). A diferença entre os rails (espécie de trilha) de alimentação dos lados alto e baixo (+ HV e – HV) não devem ser maiores do que 700 V; contudo, isso é compatível com os rails de tensão tipicamente utilizados para alimentar os circuitos de cozimento indutivo.

 

Isolamento da interface do usuário com a tecnologia iCoupler

Se um teclado capacitivo é utilizado, a interface entre o microcontrolador e o controlador de teclado capacitivo AD71473 ou AD71484 pode ser implantada serialmente tanto com uma SPI (serial peripheral interface) quanto I2C® (inter-integrated circuit, um semicondutor). A interface bidirecional I2C é utilizada para comunicações com taxa relativamente baixa por distâncias curtas em que o baixo custo é importante. I2C possibilita baixo custo por utilizar apenas dois cabos bidirecionais. Essa vantagem do baixo custo é anulada, entretanto, quando o bus I2C é isolado com acopladores óticos, que são unidirecionais e não suportam sinais bidirecionais. Os sinais transmitidos e recebidos de cada cabo devem então ser separados, resultando em quatro cabos isolados com quatro acopladores óticos. Além disso, um buffer especializado é necessário para eliminar travamentos e glitches dentro da interface isolada. Os componentes adicionais aumentam o custo e a complexidade, e eles consomem espaço valioso na placa.

Soluções de isolamento integrado disponíveis na tecnologia iCoupler reduzem o espaço necessário e a complexidade do desenho a um baixo custo. O ADuM 12505 mostrado na Figura 6 e o ADuM 12516 apresentam um verdadeiro isolamento bidirecional e incorporam um buffer para eliminar glitches e travamentos. Esse compreensivo nível de integração limita os componentes externos necessários a dois capacitores de bypass e dois pares de resistores de pull-up (especificados no padrão I2C) – e propicia uma interface I2C a baixo custo. Detalhes de como aplicar esses dispositivos podem ser encontrados na nota de aplicação.

Figura 6 – AduM1250: Isolador I²C duplamente permutável (calor)

Detecção da panela

É importante detectar a presença da panela na placa indutiva. Os IGBTs devem manter rails de alta tensão que estão conectados aos seus coletores (+ HV). Ao verificar essas tensões com divisores resistivos, um sinal representando-os pode ser enviado para o microcontrolador para detectar qualquer variação da tensão no coletor do IGBT. Se um usuário escolhe um nível de aquecimento e coloca a panela sobre a placa indutiva, a transferência de energia resultante e o pico de corrente vão produzir uma variação na tensão no coletor e, desse modo, na saída divisora resistiva. Quando a panela é removida da placa indutora, a alteração será na direção oposta. Desse modo, comparando a variação de tensão com um limiar fixo, usando um comparador da família ADCMP3xx8, por exemplo, a presença da panela na placa indutora pode ser detectada. Se nenhuma panela for detectada, uma interrupção é enviada para o microcontrolador, que ajustará a frequência PWM até que os IGBTs parem de fornecer corrente para o elemento indutivo. Isso fornece segurança extra no caso do usuário esquecer-se de desligar a placa indutiva.

CONCLUSÃO

A tecnologia de cozimento indutivo oferece um exemplo das muitas aplicações úteis de dispositivos analógicos com isolamento digital iCoupler. Hoje, uma grande variedade de produtos iCoupler está disponível para isolamento digital em geral ou aplicações especializadas.

 

 


 

JEROME PATOUX é engenheiro de aplicações de campo para a Analog Devices em Antony, France. Possui mestrado em engenharia eletrônica e de telecomunicações.

 

 


Tradução de Marcos Massao Iwata. Este texto foi originalmente publicado na revista institucional Analog Dialogue, Volume 42

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