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Galvanische Trannung

Besser isoliert ohne Optokoppler

12. Mai 2021, 9:30 Uhr | Koteshwar Rao, Texas Instrruments

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Der TDDB-Test (Time Dependent Dielectric Breakdown) ist eine als Industriestandard etablierte beschleunigte Belastungsprüfung, mit der sich die Lebensdauer eines Dielektrikums als Funktion der Spannung ermitteln lässt. Der Test besteht darin, dass an die Isolationsbarriere verschiedene Spannungen gelegt werden, die deutlich höher sind als die typischen Arbeitsspannungen. Dabei wird beobachtet, nach welcher Zeit ein Durchschlag im Dielektrikums auftritt. Die entsprechenden Spannungs-Zeit-Koordinaten trägt man in ein geeignetes Diagramm ein und extrapoliert auf niedrigere Belastungsspannungen, um die zu erwartenden Dielektrikum-Lebensdauern für die jeweiligen Arbeitsspannungen zu ermitteln.

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Baustein	Universal-Optokoppler		ISO7741	ISO6741
Parameter	I_F = 14 mA	I_F = 6 mA	VCC = 5 V	VCC = 5 V
Eingangs-Vorwärtsstrom ICC1 pro Kanal (typ., mA)	14,0	6,0	2,2	1,8
Anstiegszeit, t_r (typ., ns)	15,0	15,0	2,4	4,5
Abfallzeit, t_f (typ., ns)	15,0	15,0	2,4	4,5
Einschaltzeit / Signallaufzeit, t_pHL (typ., ns)	33,0	40,0	10,7	11
Abschaltzeit / Signallaufzeit, t_pLH (typ., ns)	27,0	30,0	10,7	11
Signallaufzeit-Versatz, t_sk (max., ns)	30,0	30,0	4,4	6
Max. asynchrone Datenrate ((T = max(t_r, t_f) × 2/0,6 + t_sk), typ., Mb/s)	12,5	12,5	80,6	47,6
Max. synchrone Datenrate ((T = max(t_pHL, t_pLH) × 4), typ., Mb/s)	7,6	6,3	23,4	22,7

Tabelle 3: Timing-Spezifikationen eines High-Speed-Optokopplers und von TI-Digitalisolatoren.

In Bild 3 sind die TDDB-Diagramme eines TI-Digitalisolators und eines populären Optokopplers dargestellt. Wie man sieht, ist die durchschnittliche TDDB-Gerade eines Optokopplers um etwa zwei Dekaden (d. h. um den Faktor 100) niedriger angesiedelt als die des Digitalisolators. Der Hauptgrund für diesen großen Unterschied bei den TDDB-Lebensdauern ist die große Differenz der Durchschlagsfestigkeit der jeweils verwendeten Isolationswerkstoffe (siehe hierzu Tabelle 1). Ebenso ist zu sehen, dass die Lebensdauer eines Optokopplers bei einer bestimmten Spannungsbelastung einer erheblichen Exemplarstreuung unterliegt, während die Werte verschiedener Exemplare des Digitalisolators sehr gut übereinstimmen.

Es ist ein allgemein bekanntes Phänomen, dass eine LED mit der Zeit immer weniger Licht abstrahlt. Diese Tatsache wirkt sich auf viele Parameter von Optokopplern aus, von denen die meisten nicht einmal im Datenblatt erwähnt werden. Das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR) ist einer der Kennwerte, an denen die Alterung klar abgelesen werden kann. Bild 4 zeigt den CTR-Wert als Funktion der Testdauer [2].

Ab einem bestimmten Zeitpunkt während der Lebensdauer eines Optokopplers fällt der CTR-Wert so weit ab, dass der Baustein nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Das Resultat ist eine eingeschränkte Zuverlässigkeit (hohe FIT-Rate und niedriger MTBF-Wert). Die Isolations- und Steuerungsschaltungen von Digitalisolatoren sind dagegen sehr gut abgeglichen, sodass ihre Performance über ihre Lebensdauer hinweg nur minimal schwankt. Hinzu kommt, dass die Alterung bereits in den im Datenblatt angegebenen Minimal- und Maximal-Spezifikationen berücksichtigt ist. Der überaus gut kontrollierte Fertigungsprozess von Digitalisolatoren sorgt ferner für ein sehr hohes Zuverlässigkeitsniveau (geringe FIT-Rate und hoher MTBF-Wert).

Störfestigkeit

In vielen Anwendungen, zu denen auch Fotovoltaik-Wechselrichter gehören, werden sehr hohe Spannungen geschaltet, was sehr starke Gleichtaktstörungen zur Folge hat. In anderen Anwendungen wiederum (Antriebe) sorgen induktive Lasten für starke Oszillationen. Wenn diese Störungen an den Isolator gelangen, können sie in die internen Schaltungen eines Bauteils einkoppeln und dessen regulären Betrieb beeinträchtigen.

Eine Möglichkeit, um dies zu unterbinden, ist die Implementierung eines differenziellen Designs mit hoher Gleichtaktunterdrückung. Das massebezogene Design eines Optokopplerkanals und die fehlende Gleichtaktunterdrückung machen den Empfänger eines solchen Bauteils jedoch anfällig für solche Störungen.

Selbst mit eingebauter Faraday-Abschirmung erreicht ein typischer High-Speed-Optokoppler einen CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) von nur ±20 kV/µs. Der Digitalisolator ISO6741 dagegen verfügt über einen differenziellen Isolationskanal und enthält einen Empfänger mit recht hoher Gleichtaktunterdrückung, sodass der CMTI-Wert hier mindestens ±50 kV/µs beträgt.

Alle Optokopplereingänge werden mit Strömen angesteuert und erfordern einen stetigen Bias-Strom von mehr als 2 mA, um zu funktionieren. Viele Optokoppler benötigen unter Umständen sogar einen Eingangsstrom von mehr als 10 mA, um die von der Anwendung geforderte Mindestperformance zu erreichen. Sie sind damit weniger gut für die direkte Ansteuerung durch TTL- oder CMOS-Ausgänge geeignet, sodass hier möglicherweise zusätzlich ein Puffer nötigt ist.

Außerdem eignen sich Optokoppler nicht für den Einsatz in Verbindung mit digitalen Low-Voltage-Schaltungen mit unter 3,3 V, da sich die Leistungsfähigkeit eines Optokopplers drastisch verändern kann, wenn die Eingangsspannung auch nur geringfügig schwankt. Die hochohmigen CMOS-Eingänge von Digitalisolatoren wie dem ISO6741 werden dagegen mit Spannungen angesteuert. Sie nehmen dabei nur einen Dauerstrom von höchstens ±10 µA auf und können somit ohne externen Puffer direkt von beliebigen TTL- oder CMOS-Ausgängen angesteuert werden. Sie lassen sich damit unmittelbar an die meisten anderen digitalen Bauelemente wie etwa Mikrocontroller, A-D-Wandler usw. anschließen.

Digitalisolatoren eignen sich ferner für einen weiten Bereich von Versorgungs- und Logikspannungen und lassen sich auch mit 1,8 V betreiben. Geringfügige Schwankungen der Versorgungs- oder Logikspannung beeinflussen die Ausgangsspannung nicht. Die Eingangskapazität von Digitalisolatoren (ca. 1,3 pF im Fall des ISO6741) ist verglichen mit der eines Optokopplers (ca. 50 pF bei einem typischen High-Speed-Optokoppler) ebenfalls sehr gering, weshalb Digitalisolatoren deutlich schneller und einfacher schalten als Optokoppler.