Silicon Labs Optokoppler vs. digitale Isolatoren

Galvanische Trennungen werden eingesetzt, um die Nutzer und teure Systeme vor hohen Spannungen zu schützen, Unterschieden beim Massepotenzial aufzuheben und zu verhindern, dass schwache Signale durch Rauschen verfälscht werden. Es gibt verschiedene Isolatoren mit ihren Stärken und Schwächen.

Moderne elektronische Systeme stellen uns vor neuartige Herausforderungen. Von den im Fahrzeug eingebauten Ladegeräten über das Feldbus-Netzwerk in industriellen Automatisierungssystemen bis hin zu den Schaltnetzteilen in Mobilfunk-Basisstationen bringen diese Anwendungen eine ganze Reihe an anspruchsvollen Anforderungen mit sich.

Zunächst einmal sind Endbenutzer sowie teure Elektroniksysteme und -komponenten vor hohen Spannungen zu schützen. Dann ist sicherzustellen, dass Subsysteme mit großen Unterschieden beim Massepotenzial effektiv kommunizieren können. Und schließlich muss man empfindliche Signale vor der Verfälschung durch elektrische Störungen (Rauschen) schützen. Den Schlüssel für die Lösung dieser Probleme stellt die galvanische Trennung durch Isolatoren dar. Sie ermöglicht die Kopplung eines Steuerungs- oder Datensignals über eine Isolationsbarriere hinweg, ohne dass Strom hindurch fließt. Signale werden übertragen, Störungen aber blockiert.

Optokoppler

Bis in die späten 1990-er Jahre verwendeten galvanische Isolatoren die optische Kopplung (Bild 1). Solche Optokoppler besitzen eine LED als Lichtquelle LED auf der einen Seite, eine lichtempfindliche Komponente – meist eine Fotodiode oder einen Fototransistor – auf der anderen Seite, voneinander getrennt durch eine Isolationsschicht und einen optischen Pfad (Bild 2).

Ein großes Problem bei Optokopplern liegt darin begründet, dass sie relativ schnell altern. So gibt die LED bei konstantem Strom im Laufe der Zeit immer weniger Licht ab. Das liegt hauptsächlich daran, wie der pn-Übergang thermisch und elektrisch beansprucht wird. Die Konsequenz ist, dass Schaltungsentwickler dies irgendwie kompensieren müssen, beispielsweise durch Vermeiden von Spitzenausgleichsströmen, Verkürzen der Betriebsdauer einer Komponente oder Senken des Betriebsstroms und der Umgebungstemperatur. Außerdem schalten Optokoppler ziemlich langsam und haben hohe Übertragungsverzögerungen sowie eine hohe Signalversatz (Skew) und können eigentlich nur niedrigere Datenraten bewältigen.

Es liegt also auf der Hand, dass man mit solchen Komponenten Kompromisse hinsichtlich der Brauchbarkeit des Isolators eingeht, besonders wenn man berücksichtigt, dass Isolatoren in Systemen, in denen diese Arten von Bedingungen vorliegen, höchst wertvoll sind.

Digitale Isolatoren

In den letzten Jahren des 20. Jahrhunderts kamen digitale CMOS-basierte Isolatoren auf, die kapazitive oder induktive (magnetische) Kopplung zur Übertragung eines Signals nutzen (Bild 3). Diese eignen sich für die bandbreiten- und energiehungrige Welt von heute. Zu den Bereichen, in denen Isolation erforderlich ist, gehören industrielle Automatisierung, Fertigungssteuerung, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder Prozessleitrechner, Antriebsumrichter sowie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

In der industriellen Automatisierung beispielsweise machen der niedrige Signalversatz (Skew), die hohe Störfestigkeit, die Betriebstauglichkeit bei hohen Temperaturen und die geringe Parameterstreuung CMOS-Isolatoren zu einer guten Wahl. Sie sind auch zum Einsatz in den galvanisch getrennten Schaltnetzteilen für Mobilfunk-Basisstationen genauso geeignet wie für Server, die unsere vernetzte, datengesteuerte Welt antreiben.

Tatsächlich begannen die Hersteller von Schaltnetzteilen schon früh damit, digitale Isolatoren zu nutzen. Teilweise lag dies daran, dass die Energiedichte in den Schaltnetzteilen sowohl von Servern als auch von Mobilfunk-Basisstationen steigen musste. Aber auch globale Kampagnen für Energiesparmaßnahmen durch höhere Effizienz beflügelten den Einzug digitaler Isolatoren. Höhere Wirkungsgrade führen auch zu weniger Abwärme, die abgeleitet werden muss. Das heißt aber, dass das System insgesamt kleiner sein darf, weil kleinere bzw. überhaupt keine Kühlkörper zum Einsatz kommen.

Die größte Wirkung von CMOS-basierten, digitalen Isolatoren liegt jedoch in ihren Timing-Eigenschaften, denn mit ihnen lassen sich deutlich höhere Schaltfrequenzen erzielen als mit Optokopplern (Bild 4). Dadurch konnten die Hersteller von Schaltnetzteilen das Timing der Regelkreise der Stromrichter genauer bestimmen und so den Wirkungsgrad weiter steigern. Die Timing-Parameter – darunter Laufzeitverzögerungen, Pulsbreitenverzerrung oder Signalversatz, Störfestigkeit gegen Gleichtakttransienten (CMTI, Common Mode Transient Immunity) und geringe Parameterstreuung – sind alle erheblich besser. Die CMTI ist insofern wichtig, als es um die Störunterdrückung geht. Die Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) der Spannung über den beiden Spannungsbereichen auf beiden Seiten des Isolators bestimmt diesen Wert – angegeben in Kilovolt pro Mikrosekunde (kV/µs).

Nachdem Elektro- und Hybridfahrzeuge zügig auf dem Vormarsch sind, benötigt der Automobilsektor, der traditionell wenig Bedarf an Isolatoren hatte, inzwischen wesentlich mehr solcher Komponenten. Zu modernen Elektro- und Hybridautos gehört immer eine Hochspannungsbatterie. Deren Spannung liegt üblicherweise zwischen 200 V und 400 V, wobei dieser Wert in Zukunft steigen dürfte, um die Reichweite zwischen zwei Ladevorgängen zu erhöhen. Mit dieser Hochspannungsbatterie sind Isolatoren erforderlich um die Funktionssicherheit (Safety) zu gewährleisten und Signale über die verschiedenen Spannungsbereiche (Domains) des Fahrzeugs zu übertragen.

Die Betriebstauglichkeit von digitalen Isolatoren bei hohen Temperaturen, ihre Stabilität und Störfestigkeit machen sie besonders attraktiv für Anwendungen wie etwa Batteriemanagementsysteme (BMS) und Ladegeräte.