統合型デジタルアイソレータを使用した産業用通信ネットワークの保護

信頼性の高い産業用通信は、プラントの円滑な運転と産業用モノのインターネット（IIoT）の原理を効果的に適用するために非常に重要です。この通信の多くは、マルチドロップ通信リンクや長距離データ転送が可能なローカルネットワーク上で行われます。これらは、Profibus、Interbus、Modbusなどの上位プロトコルをサポートするRS-422/RS-485インターフェースなど、実績のある技術を使用しています。それでも、これらのネットワークは混乱を招く傾向があります。

たとえば、産業用ネットワークに接続されたキャビネットへの静電気放電（ESD）は、システムのコモンモード電圧を20V以上に駆動し、RS-422/RS-485規格で規定されている最大動作電圧12Vを大幅に超える可能性があります。堅牢なRS-422/RS-485トランシーバでさえ、このような大きな電圧スパイクにさらされると、データを破損したり、完全に故障したりする可能性があります。敏感なトランシーバを信号や電源電圧のスパイクから絶縁することで、エンジニアはこれらのリスクを軽減することができます。ただし、トランスやオプトカプラを使用する従来の絶縁技術では、ソリューションサイズの増大、コスト、複雑さ、スループットの制限など、独自のトレードオフが発生します。

チップスケールトランスをベースとしたデジタル絶縁の新しいアプローチにより、絶縁型DC/DCレギュレータと3チャンネル信号アイソレータの両方を1つのチップに統合したRS-422/RS-485トランシーバが可能になりました。このデバイスを使用することで、エンジニアは、よりコンパクトでシンプル、かつ安価なデジタル絶縁型産業用通信システムを構築することができます。

この記事では、絶縁の問題とそれに対処するためのさまざまなアプローチについて論じていきます。次に、デジタル絶縁技術の高集積化を可能にする平面トランスの進歩について説明します。実際例としてこの記事では、Analog Devices社の2つの統合型絶縁RS-422/RS-485トランシーバソリューションとその応用方法を紹介します。

電源と信号の絶縁に対する従来のアプローチ

従来のシステムでは、一般にトランスを使用して電力を絶縁しますが（図1）、この手法にはいくつかの欠点があります。

• トランスは通常、非絶縁型電源で使用される等価インダクタよりも高価で大きいため、絶縁型デバイスはコンパクトではなく、コストもかかる。
• トランスはインダクタよりも効率が悪い。
• 絶縁バリアは、電源の出力が直接検出されて厳密に制御されるのを防ぐため、その安定化と過渡性能は非絶縁デバイスよりも劣る。
• 小型の非絶縁型DC/DCコンバータを負荷の近くに配置することで、伝送線路の影響を減らし、効率を高めることができる。
• トランスは通常、カスタム製造されるデバイスであるため、2つのデバイスがまったく同じ出力を提供することはない。

図1：絶縁型DC/DC電源（下）は、非絶縁型のインダクタの代わりにトランスを使用しています。このためサイズとコストが増加し、効率が低下します。（画像提供：DigiKey）

絶縁信号バリアを実装する従来的方法は、オプトカプラを使用することです。最も基本的なタイプのオプトカプラは、LEDとフォトトランジスタを遮光パッケージに封入したものですが、他にもさまざまなタイプがあります。LEDはオンとオフを切り替えてデジタル情報を表し、フォトトランジスタ（感光性バイポーラ素子）はエミッタとコレクタの間の電流の流れを変えることによって反応します。

オプトカプラを使用した信号絶縁はシンプルで効果的ですが、いくつかの欠点があります。これには次のようなものがあります。

• LEDの電力要件は比較的高く、入力信号が高いときは常にオプトカプラのLEDをオンにする必要があるが、効率が悪くなる場合がある。
• LEDの故障により、警告なしにオプトカプラが動作を停止することがよくある。
• 伝搬遅延がスループットを制限する。
• オプトカプラの入力と出力は論理ゲートによって駆動されないため、デバイスとデジタルシステムの他の部分との間の接続がより複雑になる。
• 複数のオプトカプラチャンネルを1つのパッケージに統合するのは困難である。

これらの課題に加えて、かさばるトランスはオプトカプラと同じデバイス上に集積するのに適していないため、従来的な絶縁では電源と信号の絶縁コンポーネントを別々にする必要がありました。

デジタル絶縁によるダウンサイジング

デジタル絶縁は、スループットに制限がある高価でかさばるトランスやオプトカプラを使用しないことから、従来の絶縁に課せられていた課題へのソリューションになります。この技術は、寿命と高スループットとともに、低消費電力とよりコンパクトなソリューションを提供します。

ただし、デジタル絶縁は、コンポーネントが比較的高価であり、絶縁規格を満たすには（ネットワークのトランシーバに加えて）絶縁された電源および信号機能のために別途デバイスが必要になるため、依然としてコストと複雑さが余計にかかる傾向があります。

しかし、最近の技術、材料、小型化の進歩により、はるかに高いレベルの集積化と絶縁性能が実現し、外付けのDC/DC絶縁ブロックの必要性がなくなりました。このようなデジタル絶縁ソリューションは、コスト、複雑さ、およびスペースの要件を削減します。

強化されたデジタル絶縁技術の例としては、Analog DevicesのiCouplerやisoPowerのデジタル信号と電源の絶縁技術があります。isoPowerは、絶縁されたパルス幅変調（PWM）フィードバックを備えた2次側コントローラアーキテクチャを採用しています。電源は、チップスケールの平面トランスに電流を流す発振回路に供給され、その電流は2次側に送られ、そこで整流されて3.3Vに調整されます（図2）。

図2：iCouplerとisoPowerはチップスケールの平面トランスを使用しており、オフチップ電源と信号絶縁ブロックを必要としません。（画像提供：Analog Devices）

絶縁されたデータチャンネルを使用したフィードバックループは、発振器回路を変調して2次側に送られる電力を制御します。フィードバックを加えることで、より高い電力が可能となり、効率と安定化が大幅に向上します。チップスケールトランスは、最大100kV/μsの優れたコモンモード過渡耐性を提供します。

iCouplerはまた、デジタル信号を磁気的に結合するためにチップスケールのトランス巻線を採用しています。このタイプのデジタル絶縁は、オプトカプラと比較して消費電力を桁違いに削減します。この手法は、入力信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを、1次巻線を駆動する二重または単電流パルスにエンコードすることを基にしています。これにより、2次巻線に電流を誘導する小さな局所的な磁場が発生します。電流パルスの持続時間は約1ナノ秒（ns）なので、平均電流は中程度です。パルスは、2次側の立ち上がり/立ち下がりエッジにデコードされます（図3）。

図3：iCouplerは、入力信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを電流パルスにエンコードして、1次巻線を駆動し、2次巻線に電流を誘導します。その後、パルスはデコードされて立ち上がり/立ち下がりエッジに戻ってきます。（画像提供：Analog Devices）

絶縁型産業用ネットワークソリューション

iCouplerとisoPowerの信号と電源の絶縁を単一チップに統合した市販のトランシーバが登場しました。Analog Devicesのデジタル絶縁されたADM2682EBRIZおよびADM2687EBRIZ RS-422/RS-485トランシーバは、コンパクトでシンプル、低消費電力で安価なデジタル絶縁ソリューションを提供します。

ADM2682EBRIZはデータレートが16メガビット/秒（Mbits/s）、ADM2687EBRIZは500キロビット/秒（kbits/s）を特長としています。このデバイスは、±15kVのESD保護機能を備えた5kV_rmsの信号と電源を完全に統合したデータトランシーバで、マルチドロップ産業システムの高速通信に適しています。トランシーバには5kV_rmsの絶縁型DC/DC電源が内蔵されているため、外付けDC/DCレギュレータは不要です。

各チップには、3チャンネルのアイソレータ、3ステート差動ラインドライバ、差動入力レシーバ、および絶縁型DC/DCコンバータが組み込まれています（図4）。ADM2682EBRIZおよびADM2687EBRIZは、3.3Vまたは5Vの電源から電力を供給されます。機能には、出力の短絡や、バスの競合が過度の電力損失を引き起こす可能性のある状況から保護するための電流制限とサーマルシャットダウンが含まれています。これらの製品は、-40℃～+85℃の産業用温度範囲で動作するように指定されています。

図4：Analog DevicesのADM2682EBRIZおよびADM2687EBRIZトランシーバは、3チャンネルアイソレータ、3ステート差動ラインドライバ、差動入力レシーバ、絶縁型DC/DCコンバータを1つのパッケージに統合しています。（画像提供：Analog Devices）

これらのRS-422/RS-485トランシーバは、光学、容量性、誘導性アイソレータの仕様であるUL1577に準拠しています。この仕様では、コントローラのグランドとRS-422/RS-485信号ライン間で25kV/μsの過渡耐性、そして最大5kVで1分間の保護と絶縁が要求されます。

デジタル絶縁デバイスのEMI管理

デジタル絶縁は、従来の絶縁の設計上の課題に対処しますが、独自の重要課題があります。それは、発振回路と電流パルスを使用することで、電磁干渉（EMI）の可能性が高まるという問題です。

たとえば、Analog Devicesの絶縁電源技術では、180～300MHzの周波数でトランスに流す電流を切り替える発振器回路を使用しています。2次側の整流回路は、整流時にこの周波数を2倍にします。結果として得られる動作周波数は、標準的なDC/DCコンバータよりも3桁高いため、30MHz～1GHzの範囲でデバイスから発生するノイズは問題となるEMIの原因となります。

iCouplerおよびisoPower使用のRS-422/RS-485トランシーバを搭載した4層基板には、エッジエミッションと入力から出力へのダイポールエミッションという2つの潜在的なEMI源が存在します。エッジエミッションは、多くのソースからの差動ノイズが基板のエッジと出会うところで発生し、導波路として機能する平面間の空間から漏れ出します。入力から出力へのダイポール放射は、グランドプレーン間のギャップを超えて電流源を駆動することで生成されますが、これがまさに絶縁電源の機能です（図5）。

図5：入力～出力のダイポール放射は、グランドプレーン間のギャップを超えて電流源を駆動することで生成されます。（画像提供：Analog Devices）

設計者は、次のような手法でこれらのエミッションを低減できます。

• 入出力グランドプレーンのスティッチング容量
• 負荷制御
• エッジガード
• 面間容量性バイパス

プリント基板のグランドプレーンの分岐点を越えて信号に近接してスティッチングコンデンサを配置することで、設計者は電気ノイズを発生させる可能性のある基板の導電性プレーン間の差動電流と電圧を排除できます。スティッチング静電容量を形成するために使用される技術は3つあります。バリアに印加される安全定格コンデンサ、内層の絶縁面と非絶縁面の間のギャップにまたがる浮遊金属面、または内層のグランド面と電源面をプリント基板の絶縁ギャップに延長してコンデンサを形成する方法がそれです。

設計者は、できるだけ軽い負荷でisoPowerデバイスを動作させることで、EMIの発生減らすことができます。負荷が軽いと発振器のオン時間が短くなり、デバイスが発生するノイズの量が減ります。

基板上に固体導電性エッジ処理を施したエッジガードは可能ですが、コストが高くつきます。エッジガードに適した安価なソリューションは、ビアでつなぎ合わせたガードリング構造でボードのエッジを処理することです。エッジガードの作成には2つの目標があります。1つ目は、ビアからの円筒状の放射を面間スペースに反射させ、エッジから逃がさないようにすることです。2つ目は、ノイズや大電流によって内部平面を流れるエッジ電流をシールドすることです。

面間容量性バイパスは、高周波数でのバイパス整合性を改善することで、基板の伝導および放射エミッションの両方を低減することを目的とした技術です。これは、パワープレーンとグランドプレーンに薄いコア層を使用して実装することができます。密に結合されたこれらのプレーンは、基板実装されたバイパスコンデンサを補完する面間容量層を提供します。

絶縁された産業用通信システムの評価

Analog Devicesは、ADM2682EBRIZおよびADM2687EBRIZ RS-422/RS-485トランシーバ用の評価ボードを提供しています。具体的には、ADM2682E用のEVAL-ADM2682EEBZ評価ボードと、ADM2687E用のEVAL-ADM2687EEBZ評価ボードです。

これらのボードは、信号と電源を絶縁したRS-422/RS-485トランシーバの評価を容易にします。電源や信号の接続に便利なネジ式端子ブロックを採用し、ジャンパ接続によって評価ボードの構成を容易にします。

評価ボードはいずれも、半二重または全二重構成で使用できます。受信機の入力には120Ωの終端抵抗（R_T）が取り付けられています。ドライバとレシーバはジャンパ接続により有効化/無効化されます。テストポイントは、絶縁バリアの両側の電力線と信号線にあります。LK1～LK4リンクを再構成して、機能の有効化/無効化、あるいは入力と出力をテストポイントから端子ブロックに切り替えることができます。LK5リンクとLK6リンクが両方接続されている場合、ボードは半二重に構成され、両者がオープンの場合、ボードは全二重に構成されます（図6）。

図6：デジタル絶縁されたRS-422/RS-485トランシーバをテストするためのAnalog Devicesの評価ボードの基本的な動作設定。LK1～LK4リンクを再構成して、機能の有効化/無効化、あるいは入力と出力をテストポイントから端子ブロックに切り替えることができます。LK5およびLK6リンクは、全二重動作または半二重動作を決定します。（画像提供：Analog Devices）

この評価ボードは、ADM2682EBRIZおよびADM2687EBRIZ RS-422/RS-485トランシーバをベースにした産業用通信システムのテストを可能にするだけでなく、上記の手法に基づいて設計されていることで、トランシーバを介して信号と電力を伝送するのに使用される高周波スイッチング素子によって発生するEMIを低減します。

ADM2682E/2587Eの全二重回路の実装を図7に示します。バスには最大256台のトランシーバを接続することができます。R_Tの配置は、ノードの位置とネットワーク構成に依存します。一般的には、反射を最小限に抑えるために、受信端でラインを特性インピーダンスで終端し、スタブの長さを最小限に抑えます。

図7：RS-485/RS-422バスには最大256台のトランシーバを接続できます。設計者は、R_Tを受信側に配置するように注意する必要があります。半二重モードの場合は両端になります（ここでは全二重モード）。（画像提供：Analog Devices）

半二重動作の場合、どちらかの端が受信端になる可能性があるため、ラインの両端を終端する必要があります。

結論

産業用通信システムは、信号および電圧のスパイクのリスクにさらされています。エンジニアはデジタル絶縁技術を使用してこれらのリスクを排除できますが、ディスクリート絶縁コンポーネントを含む従来のソリューションでは、コスト、複雑さ、およびスペースのトレードオフが発生します。

このように、平面トランスの最先端を行く新しいアプローチにより、RS-422/RS-485ネットワーク用などのトランシーバへのデジタル絶縁の搭載が可能となり、低コスト化と省スペース化が図られます。