DC/DCコンバータ内蔵の 4チャンネル・アイソレータ ADuM5400 概要 特長 ADuM54001 デバイスは、絶縁型 DC/DC コンバータ isoPower®を内 蔵する 4 チャンネル・デジタル・アイソレータです。アナログ・ デバイセズの iCoupler®技術を採用したこの DC/DC コンバータは、 5.0 V 入力電圧/5.0 V 出力電圧で最大 500 mW の絶縁されたレギュ レーション済み電力を供給します。このアーキテクチャにより、 低消費電力の絶縁型デザインで別々の絶縁型 DC/DC コンバータが 不要になります。iCoupler チップ・スケール・トランス技術を使っ て、ロジック信号と DC/DC コンバータの磁気成分をアイソレー ションしています。このために、小型で総合的なアイソレーショ ン・ソリューションが実現されています。 isoPower 内蔵の絶縁型 DC/DC コンバータ レギュレーション済み 5 V を出力 出力電力: 500 mW 4 チャンネルの DC～25 Mbps (NRZ)信号アイソレーション シュミット・トリガ入力 沿面距離 8 mm 以上の 16 ピン SOIC パッケージを採用 高温動作:最大 105°C 同相モード・トランジェント耐性: 25 kV/µs 以上 安全性規制の認定 UL 認識済み 2500 V rms、1 分間の UL 1577 規格に準拠 CSA Component Acceptance Notice #5A(申請中) VDE 適合性認定(申請中) DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12 VIORM = 560 V peak ADuM5400 アイソレータは、4 チャンネルの独立なアイソレーシ ョン・チャンネルを 2 種類のスピード・グレードで提供していま す(オーダー・ガイド参照)。 isoPower では、トランスを介して電力を転送するために、高周波 スイッチング素子を使っています。プリント回路ボード(PCB)の レイアウトでは、ノイズ放出規格を満たすように特別な注意が必 要です。ボード・レイアウトの詳細については、AN-0971 アプリ ケーション・ノートを参照してください。 アプリケーション RS-232/RS-422/RS-485 トランシーバ 工業用フィールド・バス・アイソレーション 電源スタートアップ・バイアスとゲート駆動 絶縁型センサー・インターフェース 工業用 PLC 機能ブロック図 OSC RECT VIA 3 REG 16 VISO 15 GNDISO 4-CHANNEL iCOUPLER CORE VIB 4 14 VOA 13 VOB ADuM5400 VIC 5 12 VOC VID 6 11 VOD VDDL 7 10 VISO GND1 8 9 GNDISO 07509-001 VDD1 1 GND1 2 図 1. 1 米国特許 5,952,849、6,873,065、6,903,578、7,075,329 により保護されています。 Rev. 0 アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に 関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、 アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様 は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 ※日本語データシートは REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 ©2008 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 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 本 ADuM5400 目次 特長......................................................................................................... 1 代表的な性能特性 ................................................................................. 9 アプリケーション ................................................................................. 1 用語....................................................................................................... 11 概要......................................................................................................... 1 アプリケーション情報 ....................................................................... 12 機能ブロック図 ..................................................................................... 1 PCB レイアウト............................................................................... 12 改訂履歴................................................................................................. 2 EMI の注意事項............................................................................... 12 仕様......................................................................................................... 3 伝搬遅延パラメータ ....................................................................... 13 電気的特性......................................................................................... 3 DC 精度と磁界耐性......................................................................... 13 パッケージ特性................................................................................. 5 消費電力........................................................................................... 14 適用規格............................................................................................. 5 消費電力について ........................................................................... 14 絶縁および安全性関連の仕様 ......................................................... 5 熱解析............................................................................................... 15 DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)絶縁特性.......................... 6 絶縁寿命........................................................................................... 15 推奨動作条件..................................................................................... 6 外形寸法 ............................................................................................... 16 絶対最大定格 ......................................................................................... 7 オーダー・ガイド ........................................................................... 16 ESD の注意 ........................................................................................ 7 ピン配置およびピン機能説明 ............................................................. 8 改訂履歴 10/08—Revision 0: Initial Version Rev. 0 － 2/16 － ADuM5400 仕様 電気的特性 4.5 V ≤ VDD1 ≤ 5.5 V、各電圧は対応するグラウンドを基準とします。すべての最小/最大仕様は推奨動作範囲に適用。特に指定がない限り、 すべての typ 仕様は、TA = 25 °C、VDD1 = 5.0 V、VISO = 5.0 V での値です。 表 1. Parameter Symbol Min Typ Max Unit Test Conditions/Comments DC-TO-DC CONVERTER POWER SUPPLY Setpoint Line Regulation Load Regulation Output Ripple VISO VISO(LINE) VISO(LOAD) VISO(RIP) 4.7 5.0 1 1 75 5.4 V mV/V % mV p-p IISO = 0 mA IISO = 50 mA, VDD1 = 4.5 V to 5.5 V IISO = 10 mA to 90 mA 20 MHz bandwidth, CBO = 0.1 µF||10 µF, IISO = 90 mA CBO = 0.1 µF||10 µF, IISO = 90 mA Output Noise Switching Frequency Pulse-Width Modulation Frequency DC to 2 Mbps Data Rate 1 Maximum Output Supply Current2 VISO(N) fOSC fPWM IISO(MAX) 5 200 180 625 mV p-p MHz kHz 100 mA 34 % Efficiency at Maximum Output Supply Current3 IDD1 Supply Current, No VISO Load IDD1(Q) 19 IDD1 Supply Current, Full VISO Load IDD1(MAX) 290 mA IDD1(D) 64 mA IISO(LOAD) 89 mA VUV+ VUV− VUVH 2.7 2.4 0.3 V V V 25 Mbps Data Rate (CRWZ Grade Only) IDD1 Supply Current, No VISO Load Available VISO Supply Current4 Undervoltage Lockout, VDD1, VDDL, and VISO Supplies5 Positive Going Threshold Negative Going Threshold Hysteresis iCoupler DATA CHANNELS I/O Input Currents Logic High Input Threshold Logic Low Input Threshold Logic High Output Voltages Logic Low Output Voltages AC SPECIFICATIONS ADuM5400ARWZ Minimum Pulse Width6 Maximum Data Rate Propagation Delay Pulse Width Distortion, |tPLH − tPHL| Propagation Delay Skew Channel-to-Channel Matching ADuM5400CRWZ Minimum Pulse Width6 Maximum Data Rate Propagation Delay Pulse Width Distortion, |tPLH − tPHL| Rev. 0 IIA, IIB, IIC, IID VIH VIL VOAH, VOBH, VOCH, VODH −20 +0.01 30 IISO = 0 mA, CL = 15 pF, 12.5 MHz logic signal frequency CL = 15 pF, 12.5 MHz logic signal frequency +20 µA 0.3 × VIDD1 V V V IOx = −20 µA, VIx = VIxH 0.7 × VIDD1 VISO − 0.3 5.0 VISO − 0.5 4.8 0.0 0.1 V V IOx = −4 mA, VIx = VIxH IOx = 20 µA, VIx = VIxL 0.0 0.4 V IOx = 4 mA, VIx = VIxL 1000 ns Mbps ns ns ns ns CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels ns Mbps ns ns CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels VOAL, VOBL, VOCL, VODL PW 1 tPHL, tPLH PWD tPSK tPSKCD/tPSKOD 55 PW 100 40 50 50 40 25 tPHL, tPLH PWD mA VISO > 4.5 V, dc to 1 MHz logic signal frequency IISO = 100 mA, dc to 1 MHz logic signal frequency IISO = 0 mA, dc to 1 MHz logic signal frequency CL = 0 pF, dc to 1 MHz logic signal frequency, VDD = 4.5 V, IISO = 100 mA 45 － 3/16 － 60 6 ADuM5400 Parameter Change vs. Temperature Propagation Delay Skew Channel-to-Channel Matching, Codirectional Channels Channel-to-Channel Matching, Opposing Directional Channels For All Models Output Rise/Fall Time (10% to 90%) Common-Mode Transient Immunity at Logic High Output Common-Mode Transient Immunity at Logic Low Output Refresh Rate Symbol Min Typ Max Unit Test Conditions/Comments tPSK tPSKCD 15 6 ps/°C ns ns CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels tPSKOD 15 ns CL = 15 pF, CMOS signal levels CL = 15 pF, CMOS signal levels VIx = VDD or VISO, VCM = 1000 V, transient magnitude = 800 V VIx = 0 V, VCM = 1000 V, transient magnitude = 800 V 5 tR/tF |CMH| 25 2.5 35 ns kV/µs |CML| 25 35 kV/µs 1.0 Mbps fr 1 全 4 チャンネルの電源電流値の成分は、同一データレートでまとめてあります。 VISO 電源電流は、全データ・レートが 2 Mbps 以下の場合外部用途に使用することができます。データ・レートが 2 Mbps より高い場合、データ・レートに比例する追 加電流がデータ I/O チャンネルに流れます。 与えられたデータレートで動作する個々のチャンネル動作に対応する追加電源電流は、消費電力のセクションの説明に 従って計算することができます。 I/O チャンネルのダイナミック負荷は外部負荷として扱い、VISO 電源枠に含める必要があります。 3 データ・チャンネルの静止動作の電源要求は、電源セクションから分離できません。効率には、内部消費電力の一部として I/O チャンネルで消費される静止電力が含 まれます。 4 この電流は、VISO ピンでの外部負荷の駆動に使用できます。 最大ダイナミック負荷条件を表すフル容量負荷で、25 Mbps の最大データ・レートですべてのチャンネル が同時に駆動されます。 最大データレート以下での使用可能な電源電流の計算については、消費電力のセクションを参照してください。 5 対応する入力または出力の電源が基準スレッショールドを下回る場合、低電圧ロックアウト (UVLO)機能が出力をロー・レベルに維持します。 検出スレッショールド にヒステリシスを設けているため、発振が防止されとノイズに強くなります。 6 最小パルス幅は、規定のパルス幅歪みが保証される最小のパルス幅です。 2 Rev. 0 － 4/16 － ADuM5400 パッケージ特性 表 2. Parameter Symbol Resistance (Input to Output)1 Capacitance (Input to Output)1 Input Capacitance2 IC Junction to Ambient Thermal Resistance RI-O CI-O CI θJA Min Typ Max Unit 1012 2.2 4.0 45 Ω pF pF °C/W Test Conditions f = 1 MHz Thermocouple located at center of package underside, test conducted on 4-layer board with thin traces3 1 デバイスは 2 端子デバイスと見なします。 すなわち、ピン 1～ピン 8 を相互に接続し、ピン 9～ピン 16 を相互に接続します。 入力容量は任意の入力データ・ピンとグラウンド間。 3 熱モデルの定義については熱解析のセクションを参照してください。 2 適用規格 ADuM5400 は、表 3に記載する組織の認定を取得しています。特定のクロスアイソレーション波形と絶縁レベルに対する推奨最大動作電 圧については、表 8と絶縁寿命のセクションを参照してください。 表 3. UL CSA (Pending) VDE (Pending) Recognized under 1577 Component Recognition Program1 Single Protection 2500 V RMS Isolation Voltage Approved under CSA Component Acceptance Notice #5A Reinforced insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1, 400 V rms (566 V peak) maximum working voltage File 205078 Certified according to DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-122 Reinforced insulation, 560 V peak File E214100 1 2 File 2471900-4880-0001 UL1577 に従い、絶縁テスト電圧 3,000 V rms 以上を 1 秒間加えて各 ADuM5400 を確認テストします(リーク電流検出規定値 = 10µA)。 DIN V VDE V 0884-10 に従い、各 ADuM5400 に 1,050 Vpeak 以上の絶縁テスト電圧を 1 秒間加えることによりテストして保証されています(部分放電の検出規定値＝5 pC)。 (*)マーク付のブランドは、DIN V VDE V 0884-10 認定製品を表します。 絶縁および安全性関連の仕様 表 4. Parameter Symbol Value Unit Test Conditions/Comments Rated Dielectric Insulation Voltage Minimum External Air Gap (Clearance) L(I01) 2500 >8.0 V rms mm Minimum External Tracking (Creepage) L(I02) >8.0 mm Minimum Internal Gap (Internal Clearance) Tracking Resistance (Comparative Tracking Index) Isolation Group CTI 0.017 min >175 IIIa mm V 1-minute duration Measured from input terminals to output terminals, shortest distance through air Measured from input terminals to output terminals, shortest distance path along body Distance through insulation DIN IEC 112/VDE 0303 Part 1 Material group (DIN VDE 0110, 1/89, Table 1) Rev. 0 － 5/16 － ADuM5400 DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)絶縁特性 ADuM5400 は、安全性制限値データ以内でのみ強化された電気的アイソレーションを満たします。安全性データの維持は、保護回路を使 って確実にする必要があります。パッケージに(*)マークが付いたブランドは、DIN V VDE V 0884-10 認定製品を表します。 表 5. Description Conditions Installation Classification per DIN VDE 0110 For Rated Mains Voltage ≤ 150 V rms For Rated Mains Voltage ≤ 300 V rms For Rated Mains Voltage ≤ 400 V rms Climatic Classification Pollution Degree per DIN VDE 0110, Table 1 Maximum Working Insulation Voltage Input-to-Output Test Voltage, Method b1 VIORM × 1.875 = VPR, 100% production test, tm = 1 sec, partial discharge < 5 pC Input-to-Output Test Voltage, Method a After Environmental Tests Subgroup 1 After Input and/or Safety Test Subgroup 2 and Subgroup 3 Highest Allowable Overvoltage Safety Limiting Values Symbol Characteristic Unit VIORM VPR I to IV I to III I to II 40/105/21 2 560 1050 V peak V peak 896 672 V peak V peak VTR 4000 V peak TS IS1 RS 150 555 >109 °C mA Ω VPR VIORM × 1.6 = VPR, tm = 60 sec, partial discharge < 5 pC VIORM × 1.2 = VPR, tm = 60 sec, partial discharge < 5 pC Transient overvoltage, tTR = 10 sec Maximum value allowed in the event of a failure (see Figure 2) Case Temperature Side 1 Current, IDD1 Insulation Resistance at TS VIO = 500 V 温度ディレーティング・カーブ 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 AMBIENT TEMPERATURE (°C) 200 07509-003 SAFE OPERATING VDD1 CURRENT (mA) 600 図 2.温度ディレーティング・カーブ、DIN EN 60747-5-2 による安全な規定値のケース温度に対する依存性 推奨動作条件 表 6. Parameter Symbol Min Max Unit Operating Temperature Range Supply Voltages1 Minimum Load2 TA VDD IISO(MIN) −40 4.5 10 +105 5.5 °C V mA 1 2 各電圧はそれぞれのグラウンドを基準とします。 外部負荷が規定値より小さい場合、電源 PWM のスイッチング・ノイズが大きくなることがあるため、データ・インテグリティ問題が生ずることがあります。 Rev. 0 － 6/16 － ADuM5400 絶対最大定格 特に指定のない限り、TA = 25 °C。 上記の絶対最大定格を超えるストレスを加えるとデバイスに恒久 的な損傷を与えることがあります。この規定はストレス定格の規 定のみを目的とするものであり、この仕様の動作のセクションに 記載する規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありませ ん。デバイスを長時間絶対最大定格状態に置くとデバイスの信頼 性に影響を与えます。 表 7. Parameter Rating Storage Temperature (TST) Ambient Operating Temperature (TA) Supply Voltages (VDD1, VISO) 1 VISO Supply Current 2 −40°C to +85°C −40°C to +105°C Input Voltage (VIA, VIB, VIC, VID)1, 3 Output Voltage (VOA, VOB, VOC, VOD)1, 3 Average Output Current per Data Output Pin 4 Common-Mode Transients 5 −55°C to +150°C −40°C to +85°C −0.5 V to +7.0 V 100 mA 60 mA −0.5 V to VDDI + 0.5 V −0.5 V to VISO + 0.5 V −10 mA to +10 mA ESDの注意 −100 kV/µs to +100 kV/µs 1 各電圧はそれぞれのグラウンドを基準とします。 VISO はサイド 2 I/O チャンネルの DC 負荷とダイナミック負荷に電流を供給し ます。 総合 VISO 電源電流を求めるときは、この電流を含める必要があります。 3 VDDI と VISO は、それぞれチャンネルの入力側と出力側の電源電圧を表します。 PC ボード・レイアウトのセクションを参照してください。 4 種々の温度に対する最大定格電流値については図 2 を参照してください。 5 絶縁障壁にまたがる同相モード過渡電圧を表します。 絶対最大定格を超える 同相モード過渡電圧を加えると、ラッチアップまたは恒久的損傷が生ずること があります。 2 ESD（静電放電）の影響を受けやすいデバイスで す。電荷を帯びたデバイスや回路ボードは、検知 されないまま放電することがあります。本製品は 当社独自の特許技術である ESD 保護回路を内蔵 してはいますが、デバイスが高エネルギーの静電 放電を被った場合、損傷を生じる可能性がありま す。したがって、性能劣化や機能低下を防止する ため、ESD に対する適切な予防措置を講じるこ とをお勧めします。 表 8.50 年の最小寿命をサポートする最大連続動作電圧 1 Parameter AC Voltage Bipolar Waveform Unipolar Waveform Basic Insulation Reinforced Insulation DC Voltage Basic Insulation Reinforced Insulation 1 Maximum Unit Reference Standard 424 V peak 50-year minimum lifetime 600 560 V peak V peak Maximum approved working voltage per IEC 60950-1 Maximum approved working voltage per IEC 60950-1 and VDE V 0884-10 600 560 V peak V peak Maximum approved working voltage per IEC 60950-1 Maximum approved working voltage per IEC 60950-1 and VDE V 0884-10 アイソレーション障壁に加わる連続電圧の大きさを意味します。詳細については、絶縁寿命のセクションを参照してください。 Rev. 0 － 7/16 － ADuM5400 ピン配置およびピン機能説明 VDD1 1 16 VISO GND1 2 15 GNDISO 14 VOA VIB 4 VIC 5 VID 6 ADuM5400 13 VOB TOP VIEW (Not to Scale) 12 VOC 11 VOD VDDL 7 10 VISO GND1 8 9 GNDISO 07509-004 VIA 3 図 3.ピン配置 表 9.ピン機能の説明 ピン番号 記号 説明 1 VDD1 1 次側電源電圧、4.5 V～5.5 V。 2、8 GND1 グラウンド 1。アイソレータ 1 次側のグラウンド・リファレンス。ピン 2 とピン 8 は内部で接続されているた め、両ピンを共通グラウンドへ接続することが推奨されます。 3 VIA ロジック入力 A。 4 VIB ロジック入力 B。 5 VIC ロジック入力 C。 6 VID ロジック入力 D。 7 VDDL ロジック電源電圧。このピンは VDD1 に接続して、専用バイパス・コンデンサを接続する必要があります。 9、15 GNDISO アイソレータ・サイド 2 のグラウンド基準。ピン 9 とピン 15 は内部で接続されているため、両ピンを共通グ ラウンドへ接続することが推奨されます。 10、16 VISO 外部負荷用の 2 次側電源電圧出力 5.0 V。これらのピンは内部で接続されていないため、PCB 上で互いに接続 する必要があります。 11 VOD ロジック出力 D。 12 VOC ロジック出力 C。 13 VOB ロジック出力 B。 14 VOA ロジック出力 A。 表 10.真理値表(正論理) VIx Input1 VDD1/VDDL State VDD1/VDDL Input (V) VISO State VISO Output (V) VOx Output1 Operation High Low Powered Powered 5.0 5.0 Powered Powered 5.0 5.0 High Low Normal operation, data is high Normal operation, data is low 1 VIX と VOX は、それぞれチャンネル(A、B、C、D)の入力信号と出力信号を表します。 Rev. 0 － 8/16 － ADuM5400 代表的な性能特性 各電圧は対応するグラウンドを基準とします。すべての typ 仕様は TA = 25°C での値です。 4.0 5V IN/5V OUT 35 3.5 INPUT CURRENT (A) 30 EFFICIENCY (%) 4.0 25 20 15 3.5 POWER 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 10 POWER (W) 40 1.0 IDD 0.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 OUTPUT CURRENT (A) 0.10 0.12 0 3.0 07509-005 0 0.5 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 0 6.5 07509-008 5 INPUT VOLTAGE (V) 図 4.5 V/5 V での電源効率 図 7.VDD1 電源電圧対短絡入力電流および電力 OUTPUT VOLTAGE (500mV/DIV) 1.0 0.9 VDD1 = 5V, VISO = 5V 0.7 0.6 0.5 10% LOAD 0.4 90% LOAD 0.3 0.2 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 IISO (A) 07509-006 0.1 (100µs/DIV) 07509-009 DYNAMIC LOAD POWER DISSIPATION (W) 0.8 図 8. VISO 過渡負荷応答 5 V 出力、10%→90%の負荷ステップ 図 5.IISO 対総合消費電力 データ・チャンネルはアイドル 5V OUTPUT RIPPLE (10mV/DIV) 0.12 0.10 OUTPUT CURRENT (A) 5V IN/5V OUT 0.08 0.06 0.04 BW = 20MHz (400ns/DIV) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 INPUT CURRENT (A) 07509-007 0 図 9.90%負荷での VISO = 5 V 出力電圧リップル 図 6.外部負荷の関数としての絶縁型出力電源電流 IISO 5 V/5 V でダイナミック電流なし Rev. 0 － 9/16 － 07509-011 0.02 ADuM5400 3.0 20 2.5 SUPPLY CURRENT (mA) 12 5V IN/5V OUT 8 4 0 5 10 15 DATA RATE (Mbps) 20 25 5V 1.0 0 0 5 10 15 DATA RATE (Mbps) 20 図 11.出力あたりの IISO(D)ダイナミック電源電流 (15 pF 出力負荷) 図 10.順方向データ・チャンネルあたりの ICH 電源電流 (15 pF 出力負荷) Rev. 0 1.5 0.5 07509-013 0 2.0 － 10/16 － 25 07509-016 SUPPLY CURRENT (mA) 16 ADuM5400 用語 IDD1(Q) IDD1(Q)は、VISO の外部負荷なしで、かつ I/O ピンは 2 Mbps 未満で 動作している(ダイナミック電源電流の増加なし)場合に、VDD1 ピ ンに流れる最小動作電流です。 IDD1(D) IDD1(D)は、最大ダイナミック負荷条件を表すフル容量負荷で、25 Mbps の最大データレートですべてのチャンネルが同時に駆動さ れる場合の入力電源電流(typ)です。出力の抵抗負荷はダイナミッ ク負荷と分けて扱います。 IDD1(MAX) IDD1(MAX)は、フル・ダイナミック負荷条件かつフル VISO 負荷条件 での入力電流です。 tPHL 伝搬遅延 tPHL 伝搬遅延は、VIx 信号の立下がりエッジの 50%レベルから VOx 信号の立下がりエッジの 50%レベルまで測定。 Rev. 0 tPLH 伝搬遅延 tPLH 伝搬遅延は、VIx 信号の立上がりエッジの 50%レベルから VOx 信号の立上がりエッジの 50%レベルまで測定。 伝搬遅延スキュー(tPSK) tPSK は、tPHL または tPLH におけるワーストケースの差であり、推奨 動作条件下で同一の動作温度、電源電圧、出力負荷で動作する複 数のユニット間で測定されます。 チャンネル間マッチング チャンネル間マッチングは、等しい負荷で動作する 2 つのチャン ネル間の伝搬遅延の差の絶対値を表します。 最小パルス幅 最小パルス幅は、規定のパルス幅歪みが保証される最小のパルス 幅。 最大データレート 最大データレートは、規定のパルス幅歪みが保証される最高速の データレートです。 － 11/16 － ADuM5400 アプリケーション情報 ADuM5400 の DC/DC コンバータ・セクションは、現代の電源デ ザインで広く採用されている原理に基づいて動作します。これは、 絶縁型パルス幅変調(PWM)帰還を持つ 2 次側コントローラ・アー キテクチャになっています。VDD1 電源は、チップ・スケールの中 空トランスへ流れる電流をスイッチする発振回路に電源を供給し ます。2 次側へ転送される電源は、整流されて 5 V に安定化され ます。2 次側(VISO)のコントローラは、専用 iCoupler データ・チ ャンネルを使って 1 次側(VDD1)へ送られる PWM 制御信号を発生す ることにより出力を安定化します。PWM では発振器回路を変調 して、2 次側へ送られる電源を制御します。帰還の使用により、 非常に高い電力と効率が可能になっています。 ADuM5400は、VDD1 、VDDL 、VISO の各電源に対してヒステリシス 付きの低電圧ロックアウト(UVLO)機能を内蔵しています。この機 能により、ノイズの多い入力電源または低速パワーオン・ラン プ・レートによりコンバータが発振しないようになっています。 最適負荷レギュレーションのためには、10 mAの最小負荷電流が 推奨されます。これより小さい負荷では、狭いPWMパルスまたは 誤動作PWMパルスによりチップ上に大きなノイズが発生すること があります。このような大きなノイズが発生すると、状況によっ てはデータが破壊されることがあります。 PCBレイアウト ADuM5400 デジタル・アイソレータには 0.5 WのisoPower DC/DC コンバータが内蔵されているため、ロジック・インターフェース 用の外付けインターフェース回路は不要です。入力電源ピンと出 力電源ピンには電源バイパスが必要です( 図 12参照)。ピン 1 とピ ン 2 の間にESRの小さいバイパス・コンデンサをチップ・リード から 2 mm以内に接続することが必要であることに注意してくだ さい。 ADuM5400 の電源セクションでは、180 MHz の発振器を使って、 チップ・スケール・トランスを介して効率良く電力を供給してい ます。さらに、iCoupler のデータ・セクションの通常動作により、 スイッチング過渡電圧が電源ピンに発生します。バイパス・コン デンサが必要です。さらに幾つかの動作周波数に対してトランジ ェント・サプレッサが必要です。ノイズ抑圧には、180 MHz と 360 MHz で有効な低インダクタンスの高周波コンデンサが必要で す。リップル抑圧とレギュレーションには、大きな値のコンデン サにより 625 kHz でバルク電流を供給する必要があります。バイ パス・コンデンサは VDD1 についてはピン 1 とピン 2 の間に、VISO についてはピン 15 とピン 16 の間に、それぞれ接続するのが便利 です。ノイズとリップルを抑圧するときは、少なくとも 2 個のコ ンデンサの並列組み合わせが必要です。VDD1 の推奨コンデンサ値 は、0.1 µF と 10 µF です。これより小さいコンデンサでは、ESR が小さい必要があります。例えば、セラミック・コンデンサの使 用が望まれます。 BYPASS < 2mm VDD1 GNDISO VOA VIB ADuM5400 VIC VOB VOC VID VOD VDDL VISO GND1 GNDISO 07509-017 VIA 図 12.推奨 PCB レイアウト 高い同相モード過渡電圧が発生するアプリケーションでは、アイ ソレーション障壁を通過するボードの容量結合が最小になるよう に注意する必要があります。さらに、如何なる結合もデバイス側 のすべてのピンで等しく発生するようにボード・レイアウトをデ ザインしてください。この注意を怠ると、ピン間で発生する電位 差がデバイスの絶対最大定格(表 7で規定)を超えてしまい、ラッチ アップまたは恒久的な損傷が発生することがあります。 ADuM5400 は、フル・ロードと最大速度で動作する場合約 1 Wを 消費するパワー・デバイスです。アイソレーション・デバイスに ヒートシンクを使うことができないため、デバイスは基本的にPCB からGNDピンへの熱放散に依存しています。デバイスを高い周囲 温度で使用する場合には、GNDピンからPCBグラウンド・プレー ンへの熱パスを用意してください。図 12のボード・レイアウトに、 ピン 8(GND1)とピン 9 (GNDISO)の拡大したパッドを示します。パ ッドからグラウンドへの接続に径の大きいビアを使い、電源プレ ーンを使ってインダクタンスを小さくする必要があります。サー マル・パッドに複数のビアを使うと、チップ内部の温度を大幅に 下げることができます。パッド拡大寸法は、設計者と使用可能な ボード・スペースによって決定されます。 EMIの注意事項 ADuM5400 の DC/DC コンバータ・セクションは、小型のトラン スを経由して効率良い電力転送を行うため、非常に高い周波数で 動作する必要があります。このため高周波電流が発生し、回路ボ ードのグラウンド・プレーンと電源プレーンを伝搬して、1 次側と 2 次側のグラウンド・プレーンの間でエッジ放射とダイポール放射 が発生します。これらのデバイスを使用するアプリケーションで は接地した筺体の使用が推奨されます。接地した筺体を使用でき ない場合は、RF デザイン技術を採用した PCB レイアウトを行う 必要があります。特に ADuM5400 に対する最新の PCB レイアウ ト推奨事項については、www.analog.com をご覧ください。 低 ESR コンデンサの両端と入力電源ピンとの間の合計リード長は 2 mm 以下にする必要があります。バイパス・コンデンサを 2 mm より長いパターンで接続すると、データ破壊が生ずることがあり ます。両共通グラウンド・ピンがパッケージの近くに接続されて いない限り、ピン 1 とピン 8 の間およびピン 9 とピン 16 の間にバ イパス・コンデンサを接続することも検討してください。 Rev. 0 VISO GND1 － 12/16 － ADuM5400 100 MAXIMUM ALLOWABLE MAGNETIC FLUX DENSITY (kgauss) 伝搬遅延パラメータ 伝搬遅延時間は、ロジック信号がデバイスを通過するのに要する 時間を表すパラメータです(図 13参照)。ロジック・ロー・レベル 出力への伝搬遅延は、ロジック・ハイ・レベル出力への伝搬遅延 と異なることがあります。 50% tPHL OUTPUT (VOx) 50% 07509-018 tPLH 1 0.1 0.01 図 13.伝搬遅延パラメータ 0.001 1k パルス幅歪みとはこれら 2 つの遅延時間の間の最大の差を意味し、 入力信号のタイミングが保存される精度を表します。 伝搬遅延スキューは、同じ条件で動作する複数の ADuM540x デバ イス間での伝搬遅延差の最大値を表します。 DC精度と磁界耐性 アイソレータ入力での正および負のロジック変化により、狭いパ ルス(約 1 ns)がトランスを経由してデコーダに送られます。デコ ーダは双安定であるため、パルスによるセットまたはリセットに より入力ロジックの変化が表されます。1 µs 以上入力にロジック 変化がない場合、正常な入力状態を表す周期的なリフレッシュ・ パルスのセットを送信して、出力での DC を正常に維持します。 デコーダが約 5 µs 間以上この内部パルスを受信しないと、入力側 が電源オフであるか非動作状態にあると見なされ、ウォッチドッ グ・タイマ回路によりアイソレータ出力が強制的にデフォルト状 態にされます。この状況は、ADuM5400 ではパワーアップ動作と パワーダウン動作時にのみ発生します。 100M 図 14.最大許容外部磁束密度 例えば、磁界周波数= 1 MHz で、最大許容磁界= 0.2 Kgauss の場合、 受信側コイルでの誘導電圧は 0.25 V になります。これは検出スレ ッショールドの約 50%であるため、出力変化の誤動作はありませ ん。同様に、仮にこのような条件が送信パルス内に存在しても(さ らに最悪ケースの極性であっても)、受信パルスが 1.0 V 以上から 0.75V へ減少されるため、デコーダの検出スレッショールド 0.5 V に対してなお余裕を持っています。 前述の磁束密度値は、ADuM5400 トランスから与えられた距離だ け離れた特定の電流値に対応します。図 15に、周波数の関数とし ての許容電流値を与えられた距離に対して示します。図 15から読 み取れるように、ADuM5400 の耐性は極めて高く、影響を受ける のは、高周波でかつ部品に非常に近い極めて大きな電流の場合に 限られます。1 MHzの例では、デバイス動作に影響を与えるため には、0.5 kAの電流をADuM5400 から 5 mmの距離まで近づける必 要があります。 ADuM5400 の磁界耐性の限界は、トランスの受信側コイルに発生 する誘導電圧が十分大きくなり、デコーダをセットまたはリセッ トさせる誤動作が発生することで決まります。この状態が発生す る条件を以下の解析により求めます。 ADuM5400 の 3.3 V 動作は最も感度の高い動作モードであるため、 この条件を調べます。 トランス出力でのパルスは 1.0 V 以上の振幅を持っています。デコ ーダは約 0.5 V の検出スレッショールドを持つので、誘導電圧に 対しては 0.5 V の余裕を持っています。受信側コイルへの誘導電 圧は次式で与えられます。 1000 MAXIMUM ALLOWABLE CURRENT (kA) チャンネル間マッチングとは、1 つの ADuM5400 デバイス内にあ る複数のチャンネル間の伝搬遅延差の最大値を意味します。 100k 10k 1M 10M MAGNETIC FIELD FREQUENCY (Hz) 07509-019 INPUT (VIx) 10 DISTANCE = 1m 100 10 DISTANCE = 100mm 1 DISTANCE = 5mm 0.1 0.01 ここで β =磁束密度(Gauss) N =受信側コイルの巻数 rn =受信側コイルの n 回目の半径(cm) 1k 100k 1M 10M 100M MAGNETIC FIELD FREQUENCY (Hz) ADuM5400 受信側コイルの形状が与えられ、かつ誘導電圧がデコ ーダにおける 0.5 V余裕の最大 50%であるという条件が与えられ ると、最大許容磁界は図 14のように計算されます。 Rev. 0 10k － 13/16 － 図 15.様々な電流値と ADuM5400 までの距離に対する 最大許容電流 07509-020 V = (−dβ/dt)∑πrn2; n = 1, 2, … , N ADuM5400 強い磁界と高周波が存在すると、PCB パターンで形成されるルー プに十分大きな誤差電圧が誘導されて、後段回路のスレッショー ルドがトリガされてしまうことに注意が必要です。パターンのレ イアウトでは、このようなことが発生しないように注意する必要 があります。 消費電力 VDD1 電源入力は、iCouplerデータ・チャンネルと電源コンバータ へ電力を供給します。このため、データ・コンバータおよび 1 次 側と 2 次側のI/Oチャンネルに流れる静止電流を別々に求めること はできません。これらのすべての静止電力要求は、図 16に示すよ うにIDD1(Q)電流としてまとめてあります。総合IDD1 電源電流は、静 止動作電流、I/Oチャンネルのダイナミック電流IDD1(D) 、すべての 外部IISO負荷の電流の和に一致します。 IDD1(Q) IDD1(D) IDDP(D) CONVERTER SECONDARY IISO(D) SECONDARY DATA I/O 4-CHANNEL 07509-021 PRIMARY DATA I/O 4-CHANNEL 図 16. ADuM5400 内部の消費電力 ダイナミックI/O電流は、リフレッシュ・レートfr より高い速度で チャンネルが動作する場合にのみ流れます。各チャンネルのダイ ナミック電流はデータレートにより決定されます。図 10に順方向 チャンネル(入力はデバイスVDD1 側)の電流を示します。 次の関係を使うと、総合 IDD1 電流を計算することができます。 IDD1 = (IISO × VISO)/(E × VDD1) + Σ ICHn; n = 1 to 4 (1) ここで、 IDD1 は総合電源入力電流。 ICHnは 1 チャンネルを流れる電流で、図 10から決定。 IISOは 2 次側外部負荷を流れる電流。 Eは 100 mA負荷での電源効率で、図 4で注目するVISO条件とVDD1 条件から取得。 最大許容負荷からダイナミック出力負荷を減算すると、次のよう に最大外部負荷を計算することができます。 IISO(LOAD) = IISO(MAX) − Σ IISO(D)n; n = 1～4 (2) ここで、 IISO(LOAD)は、2 次側外部負荷へ供給できる電流。 IISO(MAX)は、VISOでの最大 2 次側外部負荷電流。 IISO(D)nは、VISOから出力チャンネルへ流れるダイナミック負荷電流 (図 11参照)。 Rev. 0 消費電力について ADuM5400 電源入力、1 次側データ入力チャンネル、2 次側データ 出力チャンネルはすべて、UVLO 回路により早期誤動作から保護 されています。最小動作電圧より下では、電源コンバータが発振 器の非アクティブを維持するため、すべての入力チャンネル・ド ライバとリフレッシュ回路がアイドルになります。出力がロー状 態に維持されるため、パワーアップ動作とパワーダウン動作で不 定状態が送信されるのを防止します。 VDD1 へ電源を加えるとき、1 次側回路はアイドルになり、UVLO に設定されている電圧に到達するまでアイドルが維持されます。 1 次側入力チャンネルは、入力をサンプルして、非アクティブの 2 次側出力へパルスを送信します。2 次側コンバータが 1 次側から 電源を受けると、VISO 電圧は上昇を開始します。2 次側が UVLO に 到達すると、2 次側出力はデフォルトのロー状態に初期化され、 対応する 1 次側入力のロジック変化または DC リフレッシュ・サ イクルからデータが受信されるまでこのロー状態が続きます。2 次側が初期化された後に出力状態が 1 次側入力に対応するように なるまで最大 1 µs 必要になります。 IISO E CONVERTER PRIMARY 上記解析では、各データ出力に 15 pF の容量負荷を仮定していま す。容量負荷が 15 pF より大きい場合は、IDD1 と IISO(LOAD)の解析に 追加電流を含める必要があります。 DC/DCコンバータ・セクションは、自身のパワーアップ・シーケ ンスを実行します。UVLOに到達すると、1 次側発振器も動作を開 始し、2 次側電源回路へ電力を転送します。2 次側VISO電圧はこの 時点でUVLO規定値を下回っています。2 次側からレギュレーシ ョン制御信号は発生されていません。この状況では 1 次側の電源 発振器はフリー・ランニングが可能で、2 次側へ最大の電力を供給 し、この供給は 2 次側電圧がレギュレーション設定ポイントに上 昇するまで続きます。これにより、VDD1 で大きな突入過渡電流が 発生します。レギュレーション・ポイントに到達すると、レギュ レーション制御回路はレギュレーション制御信号を発生し、この 制御信号が 1 次側発振器を変調します。VDD1 電流が減少し、負荷 電流に比例するようになります。突入電流は、図 7に示すように 短絡電流より小さくなります。突入電流の継続時間は、VISO負荷 条件とVDD1 ピンの電流に依存します。 2 次側の充電レートは負荷条件、入力電圧、選択した出力電圧レ ベルに依存するため、有効なデータが必要とされる前にコンバー タが確実に安定するようにしてください。 VDD1 から電源がなくなると、1 次側コンバータとカプラは、 UVLO レベルに到達したときシャットダウンします。2 次側は電 源の受け取りを停止して、放電を開始します。2 次側出力は 1 次 側から受信した直前の状態を維持し、次のイベントの 1 つが発生 するまでその状態を続けます。 － 14/16 － UVLO レベルに到達し、出力がハイ・インピーダンス状態に なる。 出力が入力に動作のないことを検出し、出力がデフォルトの ロー・レベル状態へ変化して、2 次側電源が UVLO に到達し、 かつ出力がハイ・インピーダンス状態へ変化するまでこの状 態が続く。 ADuM5400 絶縁寿命 すべての絶縁構造は、十分長い時間電圧ストレスを受けるとブレ ークダウンします。絶縁性能の低下率は、絶縁に加えられる電圧 波形の特性に依存します。アナログ・デバイセズは、広範囲なセ ットの評価を実施して ADuM5400 の絶縁構造の寿命を測定してい ます。 ユニポーラACまたはユニポーラDC電圧の場合、絶縁に加わるス トレスは大幅に少なくなります。このために高い動作電圧での動 作が可能になり、さらに 50 年のサービス寿命を実現することがで きます。表 8に示す動作電圧は、ユニポーラAC電圧またはユニポ ーラDC電圧のケースに適合する場合、50 年最小寿命に適用する ことができます。 図 18または図 19に適合しない絶縁電圧波形は、バイポーラAC波 形として扱う必要があり、ピーク電圧は表 8に示す 50 年寿命電圧 値に制限する必要があります。 図 19に示す電圧は、説明目的のためにのみ正弦波としています。 すなわち、0 Vとある規定値との間で変化する任意の電圧波形と することができます。規定値は正または負となることができます が、電圧は 0 Vを通過することはできません。 定格連続動作電圧より高い電圧レベルを使った加速寿命テストを 実施しています。複数の動作条件に対して加速ファクタを定めて、 実際の動作電圧での故障までの時間を計算できるようにしていま す。表 8に、複数の動作条件での 50 年サービス寿命に対するピー ク電圧の一覧を示します。多くのケースで、当局のテストにより 認定された動作電圧は 50 年サービス寿命の電圧より高くなってい ます。記載されたサービス寿命電圧より高い動作電圧で動作させ ると、早期絶縁故障が発生します。 ADuM5400 の絶縁寿命は、アイソレーション障壁に加えられる電 圧波形のタイプに依存します。iCoupler絶縁構造の性能は、波形 がバイポーラAC、ユニポーラAC、DCのいずれであるかに応じて、 異なるレートで低下します。図 17、図 18、図 19に、これらのア イソレーション電圧波形を示します。 RATED PEAK VOLTAGE 07509-022 ADuM5400 は、分割されたリード・フレームに取り付けられた 4 個の内部チップ(2 個のチップはパドルに接続)から構成されていま す。熱解析のため、チップをサーマル・ユニットとして扱います。 最高ジャンクション温度は、表 2のθJAを反映します。θJA値は測定 値に基づきます。この測定値は、デバイスを細いパターンを持つ JEDEC標準 4 層ボードに実装し、自然空冷で取得します。通常の 動作条件で、ADuM5400 を 85°Cまでフル負荷で動作させ、さらに 軽減した負荷で 105°Cまで動作させます。 バイポーラ AC 電圧は最も厳しい環境です。バイポーラ AC 条件 での 50 年動作寿命から、アナログ・デバイセズが推奨する最大動 作電圧が決定されています。 0V 図 17.バイポーラ AC 波形 RATED PEAK VOLTAGE 07509-024 熱解析 0V 図 18.DC 波形 07509-023 RATED PEAK VOLTAGE 0V 図 19.ユニポーラ AC 波形 Rev. 0 － 15/16 － ADuM5400 外形寸法 10.50 (0.4134) 10.10 (0.3976) 9 16 7.60 (0.2992) 7.40 (0.2913) 10.65 (0.4193) 10.00 (0.3937) 8 1.27 (0.0500) BSC 0.30 (0.0118) 0.10 (0.0039) COPLANARITY 0.10 0.51 (0.0201) 0.31 (0.0122) 0.75 (0.0295) 0.25 (0.0098) 2.65 (0.1043) 2.35 (0.0925) SEATING PLANE 45° 8° 0° 1.27 (0.0500) 0.40 (0.0157) 0.33 (0.0130) 0.20 (0.0079) COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-013- AA CONTROLLING DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS; INCH DIMENSIONS (IN PARENTHESES) ARE ROUNDED-OFF MILLIMETER EQUIVALENTS FOR REFERENCE ONLY AND ARE NOT APPROPRIATE FOR USE IN DESIGN. 032707-B 1 図 20.16 ピン標準スモール・アウトライン・パッケージ[SOIC_W] ワイドボディ(RW-16) 寸法: mm (インチ) オーダー・ガイド Model Number of Inputs, VDD1 Side Number of Inputs, VISO Side Maximum Data Rate (Mbps) Maximum Propagation Delay, 5 V (ns) Maximum Pulse Width Distortion (ns) ADuM5400ARWZ 1 , 2 ADuM5400CRWZ1, 2 4 4 0 0 1 25 100 60 40 6 1 2 Temperature Range −40°C to +105°C −40°C to +105°C Package Description 16-Lead SOIC_W 16-Lead SOIC_W テープとリールを提供しています。 "RL"サフィックスを追加すると、13 インチ(1,000 個)のテープおよびリール・オプションが指定されます。 Z = RoHS 準拠製品。 Rev. 0 － 16/16 － Package Option RW-16 RW-16