Isoface Intelligenter Schutz für industrielle Steuerungen

Schnittstellen-IC

Für eine robuste galvanische Isolation zwischen der Prozess- und der Steuerungsseite zu sorgen, ist eine Herausforderung: Auf der Prozessseite sind 24 V der Standard, auf der Steuerungsseite liegt die Versorgungsspannung von Mikrocontrollern und ASICs typischerweise zwischen 3,3 und 5 V. Infineon löst das Problem mit seiner Isoface-Produktfamilie.

Die Isoface-Produktfamilie von Infineon löst eine der zentralen Problemstellungen in der industriellen Automatisierungstechnik. Anwendungen wie z.B. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Motorantriebsregelungen, Industrie-PCs, Robotik-Steuerungen, Gebäudesteuerungssysteme oder Sensor-Eingangsmodule benötigen eine robuste galvanische Trennung zwischen der Steuerungs- und der Prozess-Seite des Systems. Auf der Steuerungs-Seite befindet sich der Mikrocontroller oder das Steuerungs-ASIC, die typischerweise mit 3,3 V oder 5 V versorgt werden, während auf der so genannten Prozess-Seite ein 24-V-Pegel der Standard ist.

Galvanische Trennung ist aus zwei Gründen wichtig: Zum einen können elektrische Ausgleichsströme, sowohl auf der Steuerungs- als auch der Prozess-Seite, zu erheblichen Verschiebungen des Massepotentials führen. Insbesondere die Steuerungs-Seite muss gegen diese Masseverschiebungen geschützt werden. Die erforderliche Schutzfunktion kann nur durch eine galvanische Trennung beider Seiten erreicht werden.

Zum anderen sind Inverter auf der Prozess-Seite, die beispielsweise für die Regelung der Motordrehzahl eingesetzt werden, eine Quelle für energiereiche Störungen. Diese Störungen können in verschiedenen Formen auftreten. Als Überspannungen, verursacht durch das Schalten einer induktiven Last, als schnelle Transienten, resultierend aus Einschaltvorgängen, oder als hochfrequente Oberwellen in Folge steiler Schaltflanken. Ohne eine robuste galvanische Trennung würden diese Störungen direkt auf den Mikrocontroller oder das Steuerungs-ASIC übertragen werden und diese gegebenenfalls schädigen. Schaltungstechnisch stellt die galvanische Isolation für die Prozess-Seite eine sehr hohe Impedanz dar. Dies hat zur Folge, dass die Steuerungs-Seite vor diesen energiereichen Störungen durch die galvanische Trennung geschützt wird.

Galvanische Isolation auf die andere Art

Beide Isoface-Produktfamilien - die 8-kanaligen High-Side-Schalter und die 8-kanaligen, digitalen Eingangs-ICs - bieten eine galvanische Isolation von bis zu 500 V(AC) gemäß EN 60664-1 bzw. UL508. Realisiert wird sie durch induktive Kopplung auf Basis einer bewährten Silizium-Technologie. Die elektromagnetische Robustheit der Produktfamilie wurde in mehreren Tests, z.B. nach ISO 11452-7 und IEC 61131-2, erfolgreich verifiziert.

Die Bausteine können im Dauerbetrieb bei Temperaturen von -40 °C bis zu +135 °C betrieben werden; im Vergleich dazu arbeiten gängige Optokoppler üblicherweise bei einer Temperatur bis +85 °C. Im Gegensatz zur galvanischen Isolation mit Optokopplern weist die silizium-basierte Isolationstechnologie keine Verringerung der CTR (Current Transfer Ratio) aufgrund von höheren Temperaturen oder Alterung auf. In einer auf Optokoppler basierenden Lösung gibt CTR den Anteil des Stromes durch die LED im Verhältnis zum Strom im Ausgangs-Transistor an.

Um die bei Optokopplern durch erhöhte Temperaturen bzw. Alterung verursachten Einflüsse auf den CTR auszugleichen, entscheiden sich Produktentwickler oftmals dazu, den Biasing-Strom der LED zu erhöhen. Allerdings wird durch den erhöhten Biasing-Strom der Alterungsprozess der Optokoppler beschleunigt. Die galvanische Isolation der Schalter und Eingangs-ICs ist nicht von derartigen Alterungsprozessen betroffen. Darüber hinaus ist der Temperaturgang um einiges geringer; in Folge dessen sind die Eigenschaften sowohl über den kompletten Temperaturbereich als auch über die Lebenszeit nahezu unverändert.

Geschützte Ausgänge

Die 8-kanaligen High-Side-Schalter ISO1H81xG können beliebige ohmsche, induktive oder kapazitive Lasten treiben (Bild 1). Der maximale Nennstrom je Kanal ist mit bis zu 1,2 A spezifiziert. Kombiniert man zwei Ausgangskanäle parallel, können auch Lasten bis zu 2 A geschaltet werden. Es ist sogar möglich, vier Ausgänge parallel zu schalten; der maximale Laststrom steigt dann auf bis zu 4 A. In den Ausgangsstufen sind Klemmdioden zur Aufnahme der Kommutierungsenergie integriert. Diese Klemmdioden können dauerhaft wiederholt bis zu ein Joule pro Ausgangskanal absorbieren. Induktive Lasten können so ohne zusätzliche externe Klemmdioden für die Absorption der Kommutierungsenergie sicher geschaltet werden. Desweiteren ist eine Überwachung der Versorgungsspannung auf der Prozessseite (Ubb) integriert. Auf diese Weise wird ein sicheres Schalten der MOSFET-Ausgangsstufen gewährleistet. Falls Ubb auf 10,5 V oder weniger abfallen sollte, werden die Ausgänge automatisch abgeschaltet.

Der Verlust der Masseverbindung auf der Prozess-Seite kann zu einem Problem bei Lösungen werden, die mit Schalt-ICs ohne integrierte galvanische Isolation realisiert sind. In derartigen Designs haben beide Seiten des Schalt-ICs eine gemeinsame Masseverbindung. Wenn in einem solchen Fall ein Verlust der Masseverbindung eintritt, dann verlieren auch die Steuersignale des Schalt-IC ihre Masse-Referenz. Dies kann dazu führen, dass das Schalt-IC nicht abgeschaltet werden kann; beim genannten High-Side-Schalter kann dieser Fall nicht eintreten. Dank der integrierten galvanischen Isolation bleibt bei einem Verlust der Masse auf der Prozess-Seite die Masseverbindung auf der Steuerungs-Seite erhalten. Dies ist der Grund dafür, dass auch bei Masseverlust auf der Prozess-Seite zuverlässig abgeschaltet werden kann.

Das Sicherheitskonzept wird durch einen Disable-Pin vervollständigt. Dieser Pin ermöglicht eine Notaus-Funktion, d.h., der Mikrocontroller bzw. das Steuerungs-ASIC kann sofort alle Ausgänge gleichzeitig abschalten. Dies ist u.a. besonders dann hilfreich, wenn mehrere digitale Ausgangs- ICs in einer Daisy-Chain-Konfiguration miteinander verbunden sind. Außerdem wird im Falle von Überlast, Übertemperatur oder unzureichender Versorgungsspannung auf der Prozess-Seite eine Diagnose-Rückmeldung an den Mikrocontroller bzw. an das Steuerungs-ASIC gesendet.