AN-825: iCoupler®アイソレーション製品での電源の考慮事項 (Rev. 0) PDF

AN-825
アプリケーション・ノート
®
iCoupler
アイソレーション製品での電源の考慮事項
著者: Rich Ghiorse
はじめに
このアプリケーション・ノートは、種々の電源条件でのアナロ
グ・デバイセズ iCoupler 機能の理解を支援するガイドです。ま
た、消費電流と消費電力の計算も詳しく説明します。
05784-001
iCoupler 製品は、優れた集積度、性能、消費電力特性を持つ、
フォトカプラの代替アイソレーション・ソリューションを提供
します。
iCouplerアイソレーションチャンネルは、CMOSの入出力回路と
チップ・スケール・トランス(図 1)から構成されています。すべ
てのアプリケーションで、iCouplerはグラウンドを共通にしない
2 つの別々の電源から電力が供給されます。すべての電源オン
状態を理解するためにはデザイン時に様々な状況を考慮する必
要があります。
図1.ADuM140x クワッド・アイソレータ
Rev. 0
本
社/〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル
電話 03(5402)8200
大阪営業所/〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー
電話 06(6350)6868
AN-825
目次
はじめに..............................................................................................1
電源変化時のiCouplerチャンネル ................................................4
改訂履歴..............................................................................................2
電源電流の計算..............................................................................5
iCoupler電源の基礎 ........................................................................3
消費電力について ..........................................................................7
iCouplerの内部................................................................................4
結論..................................................................................................7
改訂履歴
2/06—Revision 0: Initial Version
Rev. 0
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AN-825
iCoupler電源の基礎
図 2 に、電源オン状態のiCouplerの簡略化した図を示します。
iCouplerは 2 つの回路部分Side1 とSide2 を持つと見なすことは理
解に役立ちます。iCouplerをアイソレータとして使うときは、
VDDとVDD2 を互いにアイソレーションする必要があります。こ
れにより次の幾つかの重要なポイントが発生します。

Side1 は VDD1 のみから、Side2 は VDD2 のみから、それぞれ電
源を得ます。

VDD1 と VDD2 は、それぞれ GND1 と GND2 を基準とします。

アイソレーション障壁があるため、VDD1 と VDD2 は互いに
基準点を持ちません。

電源電流 IDD1 と IDD2 は、それぞれの側に制限されます。
図 3 に、異なるグラウンドを基準とする電圧測定の例を示しま
す。このケースでは、iCouplerはVDD1 = 5V、VDD2 = +3Vから電
源を得て、アイソレーション障壁(VCM)の両面間に 400 Vの同相
モード電圧があります。通常フォントであらわす電圧は共通シ
ステム・グラウンド(GND1)を基準とし、引用する電圧はローカ
ル・グラウンドGND1 とGND2 を基準とします。電圧値が異なっ
ても、異なる基準点で測定されるためこの例では有効です。
この例では、次の 2 つの重要なポイントが強調されます。

すべての iCoupler 電圧測定での基準点に常に注意してくだ
さい。

すべての iCoupler 電圧は、それぞれのグラウンド(GND1 ま
たは GND2)を基準とします。
i Coupler
iCoupler
VDD1
VDD2
+
–
SIDE1
GND1
+
SIDE2
–
+
–
VDD2
GND2
"0V" 0V
SIDE1
GND1
GND2
–
VCM
図2.電源オン状態の iCoupler の基本図
+
–
SIDE2
+
ISOLATION BARRIER MEANS NO REFERENCE POINT OR
CURRENT PATH BETWEEN SIDE 1 AND SIDE 2 CIRCUITS
Rev. 0
403V "3V"
400V "0V"
05784-003
VDD1
VDD2
IDD2
05784-002
IDD1
VDD1
"5V" 5V
図3.異なるグラウンドを基準とする測定を示す iCoupler の例
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AN-825
iCouplerの内部
電源変化時のiCouplerチャンネル
図 4 に、ADuM1201デュアル・チャンネルiCouplerの詳細ブロッ
ク図を示します。ADuM1201 は、アイソレーション障壁の各側
に入力チャンネルと出力チャンネルを持っています。各チャン
ネルは同じで、データの方向だけが異なっています。各iCoupler
チャンネルは、入力バッファ、エンコーダ(リフレッシュ・ジェ
ネレータ付き)、アイソレーション・トランス、デコーダ(ウォ
ッチドッグ・タイマ付き)、出力バッファの各回路のカスケード
接続で構成されています。
様々な電源状態でのiCoupler動作を考える際、デバイス全体では
なく個々のチャンネルを考えることが役立ちます。iCouplerチャ
ンネルには 表 1に示す 4 つの電源状態があります。State 0 とState
3 は通常の状態で、チャンネルが完全にオフか、または完全に
オンになっています。State 1 とState 2 は、チャンネルに部分的
にパワーアップしている特別な状態です。これらの状態は、電
源の変化時または故障状態で見られる状況を表しています。
入力と出力のチャンネル・パラメータは下付き文字Iと下付き文
字Oで識別され、この下付き文字Iは入力電源値を、下付き文字
Oは出力電源値を、それぞれ表します。幾つかの例には、IDDI
(入力電源電流)とVDDO (出力電源電圧)が含まれます。この表記
法と 図 4から、VDD1 はVDDOおよびVDDIと見なすことができます。
これは、チャンネルAの出力とチャンネルBの入力は、iCoupler
のVDD1 側にあるためです。iCouplerの他方の側にも同じことが
適用できて、VDD2 はチャンネルAに対するVDDIと、チャンネルB
に対するVDDOと、それぞれ見なすことができます。
iCouplerは、デジタル信号のアイソレーションのためにチップ・
スケール・トランスを使っています。入力信号のエッジ情報が
エンコードされて、1 ns幅のパルスとしてアイソレーション・
トランスT1 とアイソレーション・トランスT2 に加えられます。
これは、図 4のエンコーダ出力に示してあります。2 個のパルス
で立ち上がりエッジの入力信号を表し、1 個のパルスで立ち下
がりエッジの入力信号を表します。これらのパルスはT1 とT2
を介して結合され、障壁の反対側でデコードされて出力に再生
されます。リフレッシュ・ジェネレータ出力は、1 μs毎のパル
スで出力でのDCを正しく維持します。ウォッチドッグ・タイマ
は、入力側で電源がなくなった場合やデバイスが損傷した場合
のように、約 2 μs以内にパルスがデコーダに入力されない場合、
自動的に出力をハイ状態にします。
表1.iCoupler チャンネルの 4 つの電源状態。
State
VDDI
VDDO
Comments
0
Off
Off
Entire channel off, normal condition
1
Off
On
2
On
Off
3
On
On
Input side off; output side on, special
condition
Output side off; input side on, special
condition
Entire channel on, normal condition
実際には、iCoupler 電源は 2.7 V より低い値でオフと見なされま
す。電源が有限の立ち上がり時間を持つため、微妙なポイント
が発生します。すなわち、電源電圧が 2.7 V より低いある値で、
予 想 し な い チ ャ ン ネ ル 動 作 が 開 始 さ れ ま す 。 iCouplers の
ADuM1xxx シリーズの場合、電源に対するこのウェイクアップ
値は約 1.8 V です。
ADuM1201
ENCODED PULSES
VDD1
CHANNEL A
VOA
VDD2
WATCHDOG
2S
REFRESH
DECODER
ENCODER
VIA
T1
T2
CHANNEL B
GND1
ENCODER
DECODER
REFRESH
WATCHDOG
2S
図4.ADuM1201 内部回路のブロック図
Rev. 0
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VOB
GND2
05784-004
VIB
AN-825
図 5 に、様々な電源状態に対するiCoupler出力の応答方法を示し
ます。VDDIの 1.8 V~2.7 Vの領域に不確定な動作が発生します。
これは電源立ち上がり時間を 0.1 V/μsより大きくすることによ
り回避することができます。電源がオンになっていない出力ま
たは入力を電源が入っている他の回路に接続する場合には、
iCouplerに加える電圧が絶対最大定格を超えないようにしてくだ
さい。
STATE 0
STATE 1
STATE 2
STATE 3
VDDO
OUTPUT SUPPLY
iCouplerの電源電流は、電源電圧、出力負荷、アイソレーショ
ン・チャンネルのデータ・レートの各値の影響を受けます。
IDD1 とIDD2 は、各チャンネルについて別々に計算し、結果を加算
することにより求めます。マルチチャンネルiCouplersのIDD1 と
IDD2 の計算のために、アナログ・デバイセズのウエブサイト
http://www.analog.com/jp/interface/digital-isolators でデザイン・ツ
ールを提供しています。
与えられたチャンネルの IDDO と IDDI の値は、式 1 と式 2 を使っ
て計算します 1。
2.7V
1.8V
VDDI
INPUT SUPPLY
電源電流の計算
IDDO = (IDDO (D) + (0.5 × 10 - 3) × CL × VDDO) × (2f-fr) + IDDO
f > 0.5 × fr
2.7V
IDDI = (IDDI (D)) × (2f-fr) + IDDI (Q) (mA); f > 0.5 × fr
VOX
INDETERMINATE
(LOGIC LOW)
05784-005
FULLY OPERATIONAL
(Q)
(mA);
(1)
(2)
ここで、
IDDI(D)、IDDO(D)はチャンネルあたりの入力と出力のダイナミック
電源電流(mA/Mbps)。
CL は出力負荷容量(pF)。
f は入力ロジック周波数(MHz、入力データ・レートの 1/2、
NRZ )。
fr は入力ステージ・リフレッシュ・レート(Mbps)。
図5.様々な電源状態での iCoupler 出力
この例での重要な点は、

電源の立ち上がり時間を 0.1 V/μs より大きくする必要があ
ります。

電源オフ状態では、iCoupler に加える電圧は絶対最大定格
を超えることはできません。
iCouplers の ADuM3xxx シリーズは ESD 強化型製品です。この
製品は、iCouplers の ADuM1xxx シリーズと同じ機能仕様を持っ
ています。ADuM3xxx シリーズは ESD/ラッチアップ耐性を強化
するために開発されていますが、パワーアップとパワーダウン
の問題にも対処しています。ADuM3xxx シリーズでは、すべて
の電源電圧で不確定動作を解消する低電圧ロックアウト回路を
使ってこれを実現しています。ADuM3xxx シリーズは次のよう
なアプリケーションで使用してください。

電源立ち上がり時間が 0.1 V/μs より小さい。

電源にノイズが多い。

システム・レベルのテストでラッチアップと EOS/ESD の
問題が発生する。
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IDDI(Q)と IDDO(Q)は、それぞれ入力静止電源電流と出力静止電源電
流(mA)。
VDDO は出力電源電圧(V)。
1
ADuM1100 と ADuM3100 は 1 チャンネル・アイソレータであり、IDDO と IDDI
の計算には異なるセットの式を使います。これらのモデルでは入力と出力の
ダイナミック消費電力容量 CPD1 と CPD2 を規定して、次の式を使います。
IDD1 = CPD1 × VDD1 × f + IDD1Q。
IDD2 = (CPD2 + CL) × VDD2 × f + IDD2Q、ここで CL は負荷容量です。
AN-825
図 6 に、ADuM1401 クワッドiCouplerを使用した例を示します。
動作条件は、VDD1 = +5V、VDD2= +3V、CL = 15 pF、f = 40 Mbps
(f = 20 MHz)です。IDD1 とIDD2 の合計電流は、各 4 チャンネルの
該当するIDDIとIDDOの和です。
最初のステップは、VDD1 が入力 3 チャンネル(A、B、C チャン
ネル)と出力 1 チャンネル(チャンネル D)に電源を供給している
ことを確認することです。これに対して、VDD2 が入力 1 チャン
ネル(チャンネル D)と出力 3 チャンネル(A、B、C チャンネル)に
電源を供給しています。したがって、IDD1 と IDD2 は次のように
式 3 と式 4 で与えられます。
IDD1= IDDI (ChA) + IDDI (ChB) + IDDI (ChC) + IDDO (ChD) (mA)
(3)
IDD2= IDDO (ChA) + IDDO (ChB) + IDDO (ChC) + IDDI (ChD) (mA)
(4)
IDDI = (0.1) × (2 × 20 −1.1) + 0.26 = 4.2 mA
Channel A
N/A
Channel B
N/A
7.9
Channel C
N/A
7.9
2.2
N/A
Channel D
3.5
N/A
N/A
4.2
IDD1 = 3.5 + 7.9 + 7.9 + 7.9 = 27.2 mA
(3)
IDD2 = 4.2 + 2.2 + 2.2 + 2.2 = 10.8 mA
(4)
表 2の値から、入力電流値が出力電流値より大きいことが分か
ります。入力チャンネルはアイソレーション・トランスの電流
を駆動する必要があるため、負荷が大きくなります。iCouplerに
流れる電流は周波数に依存し、式 2 のIDDI (D)項(ダイナミック入
力電流)で表されます。出力チャンネルにも周波数に依存する項
があり、式 1 のIDDO (D) (ダイナミック出力電流)で表されます。
この例での重要な点は、

IDDO と IDDI の値を求めるときは、各チャンネルに対して
別々の計算が必要です。

IDD1 と IDD2 の電源電流最終値は、IDDO と IDDI の個々の値の
和として計算されます。

容量負荷、ロジック周波数、電源電圧が大きくなると、電
源電流が増えます。
IDD2 (mA)
IDDI
(mA)
7.9
チャンネル D の場合:
最後に、IDD1 と IDD2 の値を式 3 と式 4 を使って計算します:
表2.図 6 の電源電流の計算
IDD1 (mA)
IDDI = (0.19) × (2 × 20 − 1.1) + 0.50 = 7.9 mA
IDDO = (0.05 + 0.0005 × 15 × 5) × (2 × 20 − 1.1) + 0.11 = 3.5 mA
次に、式 1 と式 2 を使ってIDDOとIDDIの値を計算します。この例
では、合計 8 個の中間計算があります。表 2は、これらの計算
結果をまとめるのに役立ちます。理論的には、16 個の計算があ
りますが、8 個は適用外(NA)としています。これは、アイソレ
ータの与えられた側のチャンネルは入力または出力であり、同
時に入力と出力になることはないためです。式 1 と式 2 を使う
中間計算とADuM1401 データ・シートのtyp値を使います。簡単
のため、データ・レートとすべてのチャンネル負荷は同じとし
ます。これは常に成立することではありません。
IDDO (mA)
チャンネル A、チャンネル B、チャンネル C の場合:
IDDO = (0.03 + 0.0005 × 15 × 3) × (2 × 20 − 1.1) + 0.11 = 2.2 mA
IDDO
(mA)
2.2
IDDI (mA)
2.2
N/A
N/A
0.1F
5V
VDD2
VDD1
3V
+
+
–
0.1F
IDD1
–
IDD2
VIA
ENCODE
DECODE
VIA
15pF
T1
40Mbps = 20MHz
T2
VIB
DECODE
ENCODE
VOB
15pF
40Mbps = 20MHz
VIC
ENCODE
DECODE
VOC
15pF
40Mbps = 20MHz
VOD
ENCODE
DECODE
VID
15pF
GND2
GND1
ADuM1401
図6.ADuM1401 を使った電源電流の計算例
Rev. 0
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05784-006
40Mbps = 20MHz
AN-825
消費電力について
結論
総合消費電力 PD は、式 5 と式 6 に示すように Side1 の電力と
Side2 の電力(P1 と P2)の和になります。
アイソレーション・デバイスとしての iCoupler の独自な性質か
ら、電源条件、電源変化、電源電流、消費電力の詳しい理解が
必要となります。このアプリケーション・ノートで説明した内
容は、iCoupler アプリケーションでの電源の微妙さを理解するた
めに役立ちます。これにより iCouplers の電源条件、消費電流、
消費電力について詳しい情報に基づく判断が可能になります。
PD = P1 + P2 (W)
(5)
PD = VDD1 × IDD1 + VDD2 × IDD2 (W)
(6)
式 7 を使って、総合パッケージ温度上昇を計算します。iCoupler
の内部構造が少し異なるため、Side1 と Side2 は異なる熱抵抗
( θJCI と θJCO)を持っています。
TRISE = θJCI × VDD1 × IDD1 + θJCO × VDD2 × IDD2 (°C)
(7)
TRISE と TAMAX が与えられ、式 8 を使うと、次のように最大ジャ
ンクション温度 TMAX を超えないことを確認する計算を行うこと
ができます。
TAMAX + TRISE ≤ TMAX (°C)
(8)
消費電力についてワーストケース条件を使った ADuM1401 の計
算例は次のようになります。
f = 90 Mbps、CL = 15 pF、VDD1 = VDD2 = 5.5 V、IDD1 = 82 mA、
IDD2 = 43 mA、θJCI = 33°C⁄W、θJCI = 28°C⁄W、TAMAX = +105°C。
TMAX は次のように計算されます。
P1 = 5.5 V × .082 A = 0.45 W
P2 =5.5 V × .043 A = 0.23 W
TRISE = (33 × 0.451 + 28 × 0.237) = 21.5°C
TMAX = 105°C + 21.5°C = 126.5°C (規定値 150°C よりは可成り低い
値)
デザイン基準で最大ジャンクション温度を 150°C 未満とするア
プリケーションでは、最大安全周囲温度は、前の計算を逆向き
に進めることにより求めることができます。この計算結果から、
与えられた電源値とデータ・レートで、TMAX の異なる値に対し
て新しい TAMAX が求まります。これが、軍用、航空宇宙、また
はその他の高信頼性アプリケーションで要求される信頼性ガイ
ドラインに従うデザインになります。
©2006 Analog Devices, Inc. All rights reserved.
Rev. 0
商標および登録商標は各社の所有に属します。
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