Isolierte RS-485-Transceiver
Isolation mit GMR-Technik
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Vorteile der GMR-Isolatoren
Eine moderne RS-485-Isolation kombiniert die Isolator- und Transceiver-Funktionen auf einem einzigen Chip und ermöglicht damit erhebliche Platzeinsparungen für Busknoten-Designs. Der ISL32704E Isolator in Bild 7 nutzt die GMR-Technik. Sie ermöglicht weitere Verbesserungen bei kompakten Designs, da es den Aufbau von kleinstmöglichen und trotzdem äußerst robusten Isolationsstrukturen erlaubt.
Optimierte Layout- und Design-Techniken ermöglichen es, beispielsweise einen 4x5 mm² großen Isolator im QSOP-Gehäuseformat (Bild 7) herzustellen und zugleich die enorme Betriebsspannung von 600 V mit einer Barrieren-Lebensdauer von 44000 Jahren beizubehalten. Die Arbeitsspannung ist um 50 Prozent höher als die 400 V Betriebsspannung konkurrierender Techniken mit 2,5 kV funktionaler Isolation. Darüber hinaus ist der Baustein UL-anerkannt und VDE-zertifiziert.
Vorteile der GMR-Isolatoren, Bilder 7-10
Bild 8 zeigt das Funktionsprinzip eines GMR-Isolators. Ein gepuffertes Eingangssignal steuert eine Primärspule an und erzeugt ein Magnetfeld, das die GMR-Widerstände 1 bis 4 verändert. GMR1 bis GMR4 bilden eine Wheatstone-Brücke und erzeugen eine Ausgangsspannung, die ausschließlich auf Magnetfeld-Veränderungen der Primärspule reagiert. Die Brückenkonfiguration behandelt die großen externen Magnetfelder als Gleichtaktfelder und unterdrückt sie. Das Brücken-Ausgangssignal gelangt zu einem Komparator, dessen Ausgangssignal in Phase und Signalform identisch mit dem Eingangssignal ist.
Bild 9 veranschaulicht die Funktion eines einzelnen GMR-Widerstands. Der Widerstand besteht aus den ferromagnetischen Legierungsschichten B1 und B2, die jeweils ober- und unterhalb einer extrem dünnen, magnetisch nicht-leitenden mittleren Schicht A angeordnet sind. Sie besteht typischerweise aus Kupfer.
Die GMR-Struktur ist so ausgelegt, dass die magnetischen Momente in B1 und B2 ohne ein magnetisches Feld in entgegengesetzte Richtungen weisen und damit eine intensive Elektronenstreuung in Schicht A bewirken, was den Widerstand für Strom I erheblich erhöht. Bei Magnetfeld H hingegen richten sich die magnetischen Momente in B1 und B2 aufeinander aus und die Elektronenstreuung verringert sich. Dadurch sinkt der Widerstand in Schicht A und der Stromfluss nimmt zu.
Anders als kapazitive und magnetische Isolatoren, die einen HF-Träger oder eine Pulsbreiten-Modulation (PWM) zur Übertragung von Gleichstrom- und Niederfrequenz-Signalen über die Barriere hinweg erfordern, benötigen GMR-Isolatoren keine ausgefallenen Kodierungssysteme. Sie benötigen auch keine stromhungrigen Leistungsübertragungsspulen oder Transformatoren, da ihre Signalübertragung praktisch energiefrei erfolgt. Das hat einen erheblich geringeren Stromverbrauch zur Folge (Tabelle).
| Datenrate (Mb/s) | IDD1 (mA) | IDD2 (mA) |
|---|---|---|
| 1 | 0,15 | 0,15 |
| 4 | 0,6 | 0,6 |
Tabelle. Zunahme des Versorgungsstroms in Bezug auf die Datenrate.
Gleichzeitig lässt sich das abgestrahlte Emissionsspektrum praktisch nicht mehr nachweisen (Bild 10). Da GMR-Isolatoren außerdem keine Pulsmuster haben, die HF-Träger beeinflussen könnten, ist die EMI-Störanfälligkeit sehr gering.
GMR ist mehr als nur eine weitere Isolationstechnik, sondern die optimale Technik für Highspeed- und Ultra-Highspeed-Datenübertragungssysteme. Ihre nahezu energielose Informationsübertragung und der extrem kompakte Formfaktor gewährleisten Barriere-Laufzeiten von weniger als 1 ns. Die im ISL32704E-Datenblatt spezifizierten Laufzeitverzögerungen im Nanosekunden-Bereich lassen sich hauptsächlich auf den I/O-Buffer und den Transceiver zurückführen.
GMR-Isolatoren sind kein Ersatz für Opto-Isolatoren, die hauptsächlich im Bereich von Gleichstrom bis 1 Mbit/s zu finden sind, sondern bieten eine komplementäre Isolation im Bereich hoher und extrem hoher Frequenzen. Die Tatsache, dass GMR-Isolatoren die einzigen Isolatoren sind, die unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung bei singulären Ereignissen oder bei definierter Gesamtdosis sind, prädestiniert die Technik auch für den Einsatz in Anwendungen der Raumfahrt und Militärtechnik.
Der Autor
Tom Kugelstadt
ist Principal Applications Engineer bei Renesas Electronics. Er verantwortet die Definition neuer Hochleistungs-Analogprodukte sowie die Entwicklung umfassender Systemlösungen zur Erfassung und Aufbereitung von Kleinsignalen in industriellen Systemen. Tom Kugelstadt ist Dipl.-Ing. und hat an der Fachhochschule Frankfurt studiert. Er verfügt über 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Analogschaltungen.
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