Industrielles Elektronikdesign
Galvanische Isolation sicher, schnell und kompakt
In zahlreichen Anwendungen sind Schaltungen für Hoch- und Niedervoltspannungen zuverlässig voneinander zu trennen und gleichzeitig eine schnelle Kommunikation mit hochfrequenten Signalen zwischen den Subsystemen zu ermöglichen. Das stellt besondere Anforderungen an die Isolatoren.
Die Energie- und Mobilitätswende geht einher mit zwei Trends für das Elektronikdesign: Einerseits arbeiten Systeme für die Stromerzeugung und Stromverteilung mit immer höheren Spannungen von mehreren hundert Volt bis in den Kilovolt-Bereich; auf der anderen Seite kommen für die Steuerung und Performance-Optimierung dieser Systeme Mikrocontroller zum Einsatz, deren Halbleiterprozessoren für eine Spannungsversorgung im Bereich weniger Volt konzipiert sind. Das Ergebnis sind Elektronikdesigns, in denen Hochvolt- und Hochstrom-Schaltkreise ebenso wie Niederspannungsschaltungen und externe I/Os zusammenkommen. Diese können entweder auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder in einem modularen Design durch eine gemeinsame Backplane verbunden sein.
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Hoch- und Niedervoltschaltungen erfordern sichere Trennung
In beiden Fällen ist eine zuverlässige und sichere Isolation unumgänglich, um Schäden an der Elektronik, Fehler in der Funktion und Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte können empfindliche Mixed-Signal-Komponenten wie Analog-Digital-Wandler beeinträchtigen und Messwerte verfälschen. Stärkere Impulse können die Datenüber-tragung zwischen Speicher und Peripheriegeräten sowie dem Prozessor stören und zu Datenverlust führen. Im schlimmsten Fall verursachen Spannungsspitzen den Ausfall einzelner Bauteile oder einen Defekt der gesamten Elektronik. Bricht die Isolierung durch Spannungsspitzen zusammen und führen sonst sichere I/O-Kabel und -Anschlüsse plötzlich hohe Ströme, droht sogar Stromschlaggefahr für Personen am Gerät. Das muss unbedingt verhindert werden.
Auch auf deutlich niedrigerem Level können elektromagnetische Interferenzen die Leistung und Zuverlässigkeit von Geräten und Systemen beeinträchtigen. Aus diesem Grund müssen Elektroniken für viele Anwendungen im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) getestet und zertifiziert werden.
Steigende Anforderungen an die Isolation
Eine zuverlässige galvanische Trennung ist für das Elektronikdesign folglich unumgänglich. Die Anforderungen an die Isolation steigen dabei zunehmend, wenn zum Beispiel in SPS-Anwendungen schnelle Datenübertragungen mit Transferraten von 100 Mbit/s und mehr gefordert sind. Hier kommen klassische Optokoppler an ihre Grenzen. Die Technologie basiert auf LEDs, die elektrische Signale in Photonen umwandeln und über eine nicht-leitende, transparente Schicht an einen Photodetektor auf der Empfängerseite übertragen. Das funktioniert sowohl für analoge wie digitale Signale und ohne Beeinträchtigung durch elektromagnetische Störungen.
Allerdings erfordern mehrere parallele, isoliert ausgeführte Kommunikationskanäle jeweils einen oder mehrere Optokoppler, die in der Regel als diskrete Bauteile ausgeführt sind. Bei engen Platzverhältnissen im Design kann das zu Schwierigkeiten führen und erhöht die Komplexität des Layouts. Hinzu kommt, dass die Übertragungsgeschwindigkeit auf die Reaktionszeit von LED und Photodetektor beschränkt ist. In der Praxis erreichen gängige Optokoppler eine Datenrate von maximal ca. 50 Mbit/s. Im Lebenszyklus degradieren LEDs zudem, was sich auf die Leistung und Lebensdauer der Optokoppler auswirken kann. Im Automobilbereich, wo eine hohe Zuverlässigkeit gefordert und in vielen Fällen sicherheitsrelevant ist, wird der Einsatz von Optokopplern aus diesen Gründen vermieden. Stattdessen setzen Hersteller und OEMs auf digitale Isolatoren als Alternative.
Eine weitere gängige Technologie für die Isolation ist die kapazitive Kopplung. Sie nutzt die Ladung und Entladung eines Kondensators zur Signalübertragung ohne direkten Stromfluss. Die entsprechenden Kondensatoren kommen vielfach zum Einsatz, sind einfach zu integrieren und auch für die Mehrkanalkommunikation geeignet. Allerdings ist die Isolationsleistung auf die Durchbruchsspannung der Isolierschicht in den Kondensatoren beschränkt, die in der Regel nicht für Spannungsspitzen von Hochvoltsystemen ausgelegt sind.
Eine neue Generation magnetischer Isolatoren
Deutliche Vorteile gegenüber diesen beiden Technologien bietet die induktive Kopplung. Sie nutzt ein elektromagnetisches Feld zur Übertragung von Signalen, die durch Stromänderung moduliert werden können. Induktive Kopplung kann einerseits in Systemen mit sehr hohen Spannungen eingesetzt werden und liefert gleichzeitig eine zuverlässige Isolierung im Bereich von mehreren hundert Volt. Weitere Vorteile sind die lange Lebensdauer der Transformatoren und ihr gegenüber Optokopplern breiterer Frequenzbereich, in dem sie eingesetzt werden können. Ein Nachteil war in der Vergangenheit die Größe der notwendigen Transformatoren für die induktive Kopplung. Fortschritte in der Halbleitertechnologie ermöglichen heute jedoch die Integration von Spulen in viel kleineren Produkten auf Chiplevel.
Winziges Bauteil – hohe Leistung
Ein Beispiel dafür ist die von Toshiba Electronic Devices & Storage entwickelte »DCL54x01-Serie«. Dabei handelt es sich um einen digitalen Isolator, der aus zwei integrierten Chips zum Modulieren und Demodulieren des Signals besteht. Jeder dieser beiden Chips verfügt über Transformatoren für die galvanische Isolation. Pro Kanal stehen somit zwei Transformatoren zur Verfügung, die so eine doppelte Isolation bilden. Das Ergebnis ist eine hochintegrierte Isolierung, sodass der DLC54x01 auch in Hochspannungs- und Hochstromumgebungen einen sicheren Betrieb gewährleistet und Schutz vor Spannungsspitzen von bis zu 12,8 kV bietet; diese Eigenschaft wurde in Tests gemäß Vorgaben der IEC61000-4-5 nachgewiesen.
Um das zu erreichen, kommt zusätzlich zum Abstand zwischen den unabhängigen Chips ein spezieller Isolierfilm zum Einsatz, der die elektrischen Strukturen auf den Chips vor Kurzschlüssen schützt – selbst dann, wenn die primäre Isolationsbarriere durchbrochen werden sollte. Damit erfüllt der Toshiba DCL54x01 die hohen Anforderungen des Standards VDE V 0884-11 für magnetische und kapazitive Koppler. Das Design ist auf längstmögliche Zuverlässigkeit und Lebensdauer ausgerichtet, im Hinblick auf Anwendungen in nachhaltigen Energiesystemen und industriellen Applikationen, die oft viele Jahrzehnte eingesetzt werden. Dielektrische Durchbruchtests mit Impulsen von 1,2 kVrms haben eine geschätzte Isolationsleistung und Lebensdauer von rund 70 Jahren ergeben.
Signalübertragung mit mehr als 100 Mbit/s
Der DCL54x01 verwendet für die Signalübertragung ein spezielles On-off-Keying-Modulationsverfahren, bei dem High- und Low-Level-Zustände über die An- und Ausschaltung des Trägersignals dargestellt werden. Diese digitale Signalisierungsmethode bietet eine größtmögliche Zuverlässigkeit, auch bei der Übertragung von Daten mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s und darüber hinaus. PWM-Signale (Pulsweitenmodulation) und andere Hochgeschwindig-keitssignale können über das On-off-Keying-Verfahren der neuen Digital-isolatoren von Toshiba mit einer Pulsbreitenverzerrung von weniger als 3 ns übertragen werden.
Die DCL54x01-Serie bietet außerdem eine hohe Robustheit gegenüber Gleichtaktstörungen, die häufig in Hochleistungsschaltungen auftreten. Dabei fließt der Strom sowohl auf der Signal- als auch auf der Masseleitung in dieselbe Richtung. Eine Isolierung ist entsprechend schwierig, weil der Störstrom auf Signal- und Masseleitung gleichermaßen wirkt. Besonders bei kapazitiven Isolierungen kann das zu einem Durchbrechen der Isolationsbarriere führen und neben dem Versagen des Isolators weitere Störungen im gesamten System verursachen. Eine hohe Störfestigkeit gegen solche Gleichtaktspannungen, bezeichnet als Common-mode Transient Immunity (CMTI), ist unerlässlich und wurde für die Toshiba Isolatoren der DCL54x01-Serie mit einem Schutz bei Spannungsanstiegen von mehr als 200 kV/µs nachgewiesen.
Vier parallele Kanäle für die induktive Kopplung können bei der Toshiba DCL54x01-Serie in einem Chip-Package integriert werden, mit unterschiedlicher Konfiguration für die Forward-Reverse-Channels. Dabei können die Eingangskanäle in jede Richtung mittels Niedrigvolt-Steuersignalen dynamisch aktiviert oder deaktiviert werden. Mit einer maximalen Laufzeitverzögerung zwischen Ein- und Ausgang von 21 ns beträgt die Differenz von Kanal zu Kanal weniger als 3,9 ns.
Zuverlässige Isolation für höchste Ansprüche
Schutz vor Überspannung, Störstrom und elektromagnetischen Effekten ist essenziell – besonders dann, wenn Elektroniken Hochstromanwendungen für Energieanlagen, E-Mobilität und andere industrielle Anwendungen integrieren müssen mit Mikroprozessoren, die im Niedrigvoltbereich und mit hochfrequenten Steuersignalen arbeiten. Für all diese Anwendungen zeichnen sich die Isolatoren der DCL54x01-Serie von Toshiba aus. Sie arbeiten mit dem Prinzip der induktiven Kopplung und gewährleisten die zuverlässige Signalübertragung mit höchster Geschwindigkeit, selbst bei starken Gleichtaktspannungen und unter schwierigen elektromagnetischen Bedingungen. Dank ihres ultrakompakten Designs können sie einfach und platzsparend in alle Elektroniken integriert werden. Die Isolatoren der DCL54x01-Serie empfehlen sich damit als ein wichtiger Baustein für die sichere und zuverlässige Signalverarbeitung in Anwendungen rund um den Energie- und Mobilitätswandel.
Der Autor
Joachim Hausmann ist Senior Manager/Assistant to General Manager bei Toshiba Electronics Europe.
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