Opto-Emulatoren für Hochvolt-Anwendungen
Wie Optokoppler, nur deutlich besser
Texas Instruments (TI) hat mit den sogenannten Opto-Emulatoren eine neue Art von Isolationsbausteinen für die digitale (ISOM8710) und analoge (ISOM8110) Signalübertragung vorgestellt, mit denen das Unternehmen Optokoppler in Hochvolt-Anwendungen ersetzen will.
Auch wenn Optokoppler bisher aus der Sicht von Tsedeniya Abraham, Vice President and General Manager for Interface bei Texas Instruments, eine gängige Methode darstellen, Signale in zwei galvanisch getrennten Stromkreisen zu übertragen, kommen sie mittlerweile an ihre Grenzen. Sie erklärt weiter: »Angesichts des aktuellen Elektrifizierungstrends und der Schwierigkeiten, die das Design von Hochvolt-Systemen mit sich bringt, sind Entwickler heute gefordert, die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer ihrer Produkte zu steigern und gleichzeitig für das richtige Maß an Isolation zu sorgen.«
Was sind die Probleme von Optokopplern?
Optokoppler vereinen typischerweise eine LED und einen Fototransistor oder eine Fotodiode in einem Gehäuse und tauschen digitale oder analoge Informationen über eine Isolationsbarriere aus. Diese Isolationsbarriere kann ein einfacher Luftspalt oder auch ein durchsichtiges Epoxidharz sein. Und hier liegt schon der erste Nachteil: Isolationsmaterialien in Optokopplern weisen eine relativ geringe Durchschlagsfestigkeit auf (s. Tabelle).
Hinzu kommt, dass die LEDs in Optokopplern Alterungserscheinungen aufweisen und dass auch das Epoxidharz mit der Zeit vergilbt – mit der Folge, dass die Signalübertragung schlechter wird. Um diese Entwicklungen zu kompensieren, wird häufig der Eingangsstrom erhöht, damit die LED über die gesamte Lebensdauer zuverlässig die Signale übertragen kann, was wiederum die Leistungsaufnahme des Optokopplers und damit des gesamten Systems erhöht.
Ein zusätzliches Problem betrifft die Signalintegrität, und damit rückt der CMTI-Wert (Common-Mode-Transient-Immunity) in den Vordergrund. Laut TI kommen die meisten digitalen Hochgeschwindigkeits-Optokoppler bei der CMTI-Spezifikationen auf einen Wert von maximal 25 kV/μs. Der Opto-Emulator ISOM8710 jedoch ist mit einem typischen CMTI-Wert von 150 kV/µs spezifiziert.
Opto-Emulatoren sind besser
Bei den Opto-Emulatoren wird das funktionale Verhalten eines Optokopplers in den Sende- und Empfangsschaltungen emuliert, die Hochspannungsisolation jedoch ist eine Isolationstechnik von TI auf SiO2-Basis, die das Unternehmen auch für seine Digitalisolatoren verwendet. Herausgekommen sind Bausteine, die als pinkompatible Varianten für die meisten populären Optokoppler zur Verfügung stehen, sodass ein einfacher Ersatz in bestehenden Designs möglich ist.
Und der Ersatz lohnt sich, denn laut Azhar Mohammed, Product Line Manager für Isolation bei Texas Instruments, zeichnen sich die Opto-Emulatoren durch entscheidende Vorteile gegenüber Optokopplern aus:
- Geringere Leistungsaufnahme: Weil Opto-Emulatoren ohne LEDs auskommen, spielen auch die Alterungserscheinungen von LEDs keine Rolle. Dementsprechend fällt die Leistungsaufnahme laut Mohammed bei den Opto-Emulatoren um bis zu 80 Prozent geringer als bei Optokopplern aus.
- Ein hoher CMTI-Wert von 150 kV/µs (ISOM87109)
- Eine stabile CTR (Currrent-Transfer-Ratio: Gleichstrom-Übertragungsverhältnis) sowohl über die Lebensdauer als auch über die Temperatur – ein Punkt, den Optokoppler ebenfalls nicht erreicht. Hier reduziert sich die CTR über die Lebensdauer und bei erhöhten Temperaturen.
- Hohe Datenübertragungsraten: Kommen typische Hochgeschwindigkeits-Optokoppler auf Datenraten von 1 Mbit/s bis zu 10 Mbit/s, unterstützt der ISOM8710 digitale Signale bis 25 Mbit/s.
- Bandbreite. Der ISOM8110 (analog) unterstützt eine hohe Bandbreite von 680 kHz, wodurch die Größe der erforderlichen Magnete reduziert werden kann. Die große Bandbreite ermöglicht ein verbessertes Einschwingverhalten für sekundärseitig geregelte Sperrwandler. Das verbesserte Einschwingverhalten ermöglicht eine Verkleinerung der Ausgangskondensatoren, wodurch Platinenplatz frei wird und die Gesamtsystemkosten gesenkt werden, insbesondere bei Galliumnitrid-Designs mit hoher Schaltfrequenz.
- Großer Temperaturbereich: Ein durchschnittlicher Optokoppler ist für einen Temperaturbereich von 0 bis 85 °C ausgelegt. Ist ein größerer Temperaturbereich notwendig, fallen Zusatzkosten an. Die Opto-Emulatoren von TI unterstützen standardmäßig einen Temperaturbereich von –55 bis +125 °C. Ab 2024 sollen Automotive-qualifizierte Opto-Emulatoren auf den Markt kommen.
Vorproduktions-Stückzahlen der Opto-Emulator-Produkte stehen zur Verfügung, dazu gibt es auch ein Evaluierungsmodul.
Mohammed fasst zusammen: »Die neuen Bausteine als pinkompatibler Optokoppler-Ersatz verlängern die Lebensdauer von Hochvolt-Anwendungen auf 40 Jahre und mehr, reduzieren die Leistungsaufnahme um bis zu 80 Prozent und zeichnen sich durch eine höhere Zuverlässigkeit aus.«
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