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Hochspannung im Auto

Digitale Isolation bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen

10. Januar 2011, 15:10 Uhr | Von Frank Forster

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Zwei Chips, durch Kondensator getrennt

Texas Instruments setzt für seine ISOxxxx-Produktfamilien auf die kapazitive Isolationsmethode. Ein vereinfachtes Blockdiagramm des ISO72xx-Systems ist in Bild 2 dargestellt.

Die ISOxxxx-Bauteile sind in einem einzelnen Gehäuse untergebracht, das zwei voneinander getrennte Chips auf einem geteilten Chip-Träger mit einem Sende- und einem Empfangs-Chip enthält. Die einzige Verbindung zwischen den beiden Chips erfolgt über die Bond-Drähte (Bild 3). Die eigentliche Trennung findet auf dem Empfangs-Chip statt, der einen Kondensator auf Siliziumdioxidbasis mit Kupfer- und dotierten Siliziumsubstratelektroden verwendet. Der Einsatz von Siliziumdioxid bietet den Vorteil einer hohen Zuverlässigkeit, was wiederum eine lange Lebensdauer bedeutet.

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Die zwei Kanäle erlauben sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrom-Kommunikation, werden aber auch für ausfallsicheren Betrieb verwendet.

Der primäre Wechselstromkanal verwendet das Eingabesignal und überträgt es (nach Filterung) über ein Differentialpaar von Isolationskondensatoren. Das Signal wird danach von den Schmitt-Trigger-Eingängen auf dem Empfangs-Chip erfasst und über den Ausgangspuffer verfügbar gemacht. Dies ermöglicht eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit, eine niedrige Pulsbreitenverzerrung und geringe Signalverzögerungen. Der AC-Kanal kann jedoch nicht für das Übertragen von Gleichstromsignalen verwendet werden.

Für diese Aufgabe eignet sich der Gleichstromkanal. Über diesen DC-Kanal können Gleichstromsignale (bzw. Signale mit sehr geringer Geschwindigkeit) über die Isolationsbarriere übertragen werden. Das Signal wird mithilfe des auf dem Chip integrierten Oszillators in ein PWM-Signal codiert und mittels Differentialsignalen über die Isolationsbarriere übertragen, ähnlich dem Wechselstromkanal. Im Empfangs-Chip wird das Signal dann decodiert und über den Ausgangspuffer ausgegeben.

Der Gleichstromkanal wird aber auch für den ausfallsicheren Betrieb verwendet. Wenn beispielsweise die Versorgungsspannung auf der Sende-seite nicht ausreichend ist, schwingt der Oszillator nicht mehr, und auf der Empfangsseite wird der Träger nicht mehr erkannt, was wiederum zur Ausfallanzeige führt. Bei normalem Betrieb (d.h. bei ausreichender Datenübertragungsdichte) ignoriert der Ausgabemultiplexer den Gleichstromkanal. Falls aber auf dem Wechselstromkanal etwa 4 µs lang keine Übertragung erfolgt, erhält der Gleichstromkanal Vorrang. Sobald das Wechselstromsignal eine Transiente aufweist, schaltet der Multiplexer augenblicklich auf diesen Kanal zurück.

Eine breite Palette an Isolationskomponenten ist verfügbar, die für verschiedene Konfigurationen eingesetzt werden können. Alle Komponenten bieten dauerhafte Isolation bis zu 560 V (4-kV-Spitzen möglich) bei Datenübertragungsraten bis zu 150 Mbit/s. Alle diese Komponenten sind für Automotive-Anwendungen (erkennbar an dem Suffix Q1) im Temperaturbereich zwischen –40 und +125 °C geeignet. Bauteile mit noch höherer Isolation sind in Planung.