Integrierte Mikrotransformatoren ersetzen Optokoppler Digitaler Isolator

Die großen Vorteile der iCoupler-Produkte gegenüber herkömmlichen Optokopplern, was Leistungsaufnahme, Signalbandbreite, stabile Funktion und Einfachheit bei der Integration angeht, machen sie zur bevorzugten Wahl für anspruchsvolle zukünftige Anwendungen mit Potentialtrennung. Die Grund-lagen der iCoupler-Technologie sind erklärt und die Leistungsmerkmale als Ergebnis dieser Technologie werden diskutiert.

Integrierte Mikrotransformatoren ersetzen Optokoppler

Die großen Vorteile der iCoupler-Produkte gegenüber herkömmlichen Optokopplern, was Leistungsaufnahme, Signalbandbreite, stabile Funktion und Einfachheit bei der Integration angeht, machen sie zur bevorzugten Wahl für anspruchsvolle zukünftige Anwendungen mit Potentialtrennung. Die Grund-lagen der iCoupler-Technologie sind erklärt und die Leistungsmerkmale als Ergebnis dieser Technologie werden diskutiert.

Für viele Anwendungsbereiche der Industrie, beispielsweise in Prozessleitsystemen oder Messwerterfassungs- und Regelsystemen, müssen digitale Signale von den verschiedensten Sensoren an einen zentralen Rechner bzw. Regler zur Verarbeitung und Auswertung übertragen werden. Als Ergebnis der Auswertung erteilen die zentrale Regel- und Steuereinheit (Prozessrechner) wie auch das Bedienpersonal Befehle an die verschiedenen Stellglieder und leiten damit Vorgänge bzw. Prozessänderungen ein. Um die elektrische Sicherheit der Bedienzentale sicherzustellen und um zu verhindern, dass Überspannungen von einzelnen Spannungsquellen in der Prozessumgebung weitergeleitet werden, ist eine galvanische Signaltrennung notwendig. Derzeit sind im Wesentlichen drei Verfahren zur galvanischen Trennung gebräuchlich: Optokoppler, kapazitive Trenner und Trenner auf Transformatorbasis.

Optokoppler bestehen aus LEDs, die die zu trennenden elektrischen Signale in Licht umwandeln, und Fotodetektoren, die aus den Lichtsignalen wiederum elektrische Signale erzeugen. Optokoppler stellen eine wirkungsvolle, preisgünstige Methode zur Potentialtrennung dar, sie besitzen jedoch auch eine Reihe von Nachteilen. Das Stromübertragungsverhältnis (CTR = Current Transfer Ratio) setzt den Strom des Ausgangs-Fototransistors ins Verhältnis zum Strom der Eingangs-LED; es ist ein Maß für den elektro-optischen Umwandlungsprozess. Das Stromübertragungsverhältnis ist in der Regel recht niedrig, es ändert sich auch mit den Spannungspegeln an Ein- und Ausgang und nimmt – über die Lebensdauer des Bauteils gesehen – stark ab. Wegen des niedrigen Stromübertragungsverhältnisses wird ein relativ hoher Treiberstrom für die LED benötigt, um den Fototransistor zuverlässig einzuschalten. Die Stromwerte liegen in der Größenordnung von 5 bis 25 mA. Der Rückgang des Stromübertragungsverhältnisses im Laufe der Zeit hat eine langsam nachlassende Lichtausbeute zur Folge, ein Vorgang, der noch durch hohe Arbeitstemperaturen und hohe Datenraten verstärkt wird. Der niedrige Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer in optische Signale und die langsam reagierenden Fotodetektoren bestimmen die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der Optokoppler, speziell was Lebensdauer, Geschwindigkeit und Verlustleistungsaufnahme betrifft.

Bei der kapazitive Potentialtrennung werden zur Kopplung zwei voneinander getrennte metallische Chipträger (Leadframes) verwendet, zwischen denen ein moduliertes Wechselspannungssignal übertragen wird. Die kapazitiven Koppler haben den Nachteil, dass sie groß sind; zudem können sie hohe Gleichtaktspannungs-Transienten (Spannungsspitzen) nicht wirksam unterdrücken.

Die herkömmlichen digitalen Isolatoren nach dem Transformatorprinzip sind unhandlich und sehr teuer in der Herstellung. Alle genannten Isolatoren lassen sich nur schwer integrieren und müssen daher oft in Gehäusen von Hybridschaltungen untergebracht werden.

Im Jahr 2000 hat Analog Devices die „iCoupler“-Technologie zur galvanischen Trennung digitaler Signale erfunden und in ein käufliches Produkt, den einkanaligen ADuM1100, kommerziell umgesetzt. Die Grundlage sind Mikrotransformatoren, die nach den Fertigungsverfahren heutiger integrierter Schaltungen direkt auf den Chips hergestellt werden. Die iCoupler-Technologie verwendet für die Herstellung der Mikrotransformatoren auf dem Chip Dickschichtverfahren aus dem MEMS-Bereich (Micro Electro Mechanical Systems) und erzielt damit eine Potentialtrennung von mehreren tausend Volt auf einem kleinen Halbleiterchip. Diese Trenntransformatoren können auf Standard-Silizium-ICs monolithisch integriert und als Einkanal- oder Mehrkanalausführungen hergestellt werden. Weil die induktive Kopplung von der Richtung unabhängig ist, ist auch ein bidirektionaler Signalfluss möglich. Die hohe Bandbreite der analogen Miniaturtransformatoren und die Möglichkeiten der CMOS-Beschaltung führt zu „digitalen Isolatoren“ mit unerreichten technischen Daten, sowohl was Leistungsverbrauch und Geschwindigkeit als auch die Einsatzmöglichkeiten betrifft.