Optimierung von Isolierung und Performance mit modernen digitalen Isolatoren

Die Entwickler elektronischer Systeme müssen Strom- und Signaltrennung einbeziehen, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die gesetzlichen Vorschriften für Benutzer- und Gerätesicherheit einzuhalten. Die Isolierung eines Wechselstrompfads lässt sich leicht mit einem Transformator bewerkstelligen. Die Isolierung einer Gleichstromschiene beruht letztlich ebenfalls auf einem Transformator, erfordert jedoch mehr Schaltungen. Die Isolierung von analogen Signalen, die digitalisiert wurden, sowie von digitalen seriellen Datenströmen ist jedoch mit anderen Herausforderungen und Komplikationen verbunden.

In diesem Fall muss die für die Isolierung verwendete Energieübertragungstechnik die Signalintegrität über die Isolationsbarriere hinweg bewahren, um die Systemleistung aufrechtzuerhalten. Es gibt zwar viele Möglichkeiten, die Isolierung zu implementieren, aber die Entwickler müssen die Signalintegrität bei höheren Datenraten und in schwierigeren Umgebungen sicherstellen. Daher setzen sie zunehmend auf digitale Isolatoren, die Daten mit 150 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) übertragen können.

In diesem Artikel wird kurz untersucht, warum eine Isolierung erforderlich ist, wobei die Notwendigkeit bei sensorbasierten Schaltungen hervorgehoben wird. Anschließend werden verschiedene Aspekte der Isolierung mit Hilfe modernster digitaler Isolatoren von Analog Devices untersucht und deren Einsatzmöglichkeiten aufgezeigt.

Isolierung: warum und wo

Es gibt mehrere Gründe, warum eine Isolierung in sensorgestützten Schaltungen erforderlich ist:

1. Die Isolierung kann Gleichtaktspannungsschwankungen eliminieren und einige Arten von elektromagnetischen Störungen (EMI) minimieren. Sie sorgt für sauberere und genauere Messungen, indem sie verhindert, dass externe Störquellen das erfasste Signal verfälschen. Es ermöglicht auch die Messung von kleinen Signalen mit hohen Gleichtaktspannungen.
2. Aufgrund von Potenzialunterschieden zwischen Schaltungsmassen können Masseschleifen Spannungsdifferenzen erzeugen, die das gemessene Signal verzerren. Die Isolierung unterbricht die Masseschleife.
3. Die Isolierung verhindert, dass gefährliche Spannungsspitzen, Transienten oder Überspannungen empfindliche Messkomponenten erreichen. Dies schützt die Messschaltung, alle angeschlossenen Geräte und den Benutzer.
4. Die Isolierung unterstützt die sichere Pegelwandlung zwischen verschiedenen Schaltkreisfunktionen. Die Schaltkreise auf der einen Seite der Isolationsbarriere können auf der Spannung des Wandlers liegen, während die Schaltkreise auf der anderen Seite auf 3,3 oder 5 Volt für Signale mit logischem Pegel liegen können.

Bei einem Hochspannungsbatteriestapel beispielsweise ist es oft notwendig, die Spannungen der einzelnen Zellen zu kennen, um einen sicheren Betrieb des Systems und eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten. Die Spannung an einer einzelnen Zelle muss gemessen werden, obwohl entlang des in Reihe geschalteten Batteriestapels eine Gleichtaktspannung von bis zu mehreren hundert Volt anliegt.

Es ist zwar möglich, analoge Schaltungen und Isolationsverstärker zu verwenden, um dieses Problem zu überwinden, aber solche Ansätze erfüllen nicht den Bedarf an Messungen mit höherer Bandbreite und Auflösung unter Beibehaltung der Systemgenauigkeit, Linearität und Konsistenz.

Die genaueste, wirtschaftlichste und effizienteste Technik zur Durchführung dieser Messungen ist die Isolierung des gesamten Mess-Frontends, einschließlich des Analog/Digital-Wandlers (ADC), und die Verwendung einer isolierten seriellen Verbindung für die digitalisierten Daten zum Rest des Systems (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Verwendung eines isolierten Frontends bei der Messung der Spannung einer einzelnen Zelle in einem Hochspannungsstapel überwindet die Herausforderung der Gleichtaktspannungen. (Bildquelle: Analog Devices)

Auf diese Weise wird die Gleichtaktspannung des Batteriestapels isoliert und gleichzeitig verhindert, dass im Falle eines Fehlers gefährliche Hochspannungen auf die Datenübertragungsseite oder den Benutzer übertragen werden.

Beachten Sie, dass immer dann, wenn eine Signalisolierung erforderlich ist, auch eine isolierte Stromversorgung erforderlich ist, da nicht isolierte Stromschienen der Signalisolierung widersprechen und diese aufheben würden. Die erforderliche Stromisolierung kann über einen separaten Stromisolierungsschaltkreis oder durch Verwendung einer Batterie als unabhängige und isolierte Stromquelle erfolgen.

Wie man für Isolierung sorgt

Viele Parameter bestimmen die Isolationsleistung. Dazu gehört die maximale Spannung, der die Isolationsbarriere standhalten kann, bevor sie versagt. Vorschriften regeln den erforderlichen Höchstwert, der je nach Anwendung in der Regel mehrere tausend Volt beträgt.

Für die Isolierung digitaler Signale können mehrere verschiedene Technologien eingesetzt werden. Dazu gehören die kapazitive Kopplung, die optische Kopplung (LED und Fototransistor), die HF-Übertragung im „Mikro“-Maßstab und die magnetische Kopplung.

Letzteres ist eine zuverlässige Technik mit vielen positiven Eigenschaften, die jedoch bisher einen relativ großen und teuren Signalwandler erforderte. Diese Situation hat sich mit der Einführung der iCoupler-Technologie von Analog Devices geändert. Bei diesem Ansatz werden Primär- und Sekundärtransformatorspulen in Chipgröße verwendet, die durch eine Isolationsbarriere aus Polyimidschichten getrennt sind (Abbildung 2). Ein Hochfrequenzträger überträgt die Daten über die Isolationsbarriere zur Sekundärspule.

Abbildung 2: Die iCoupler-Technologie verwendet einen Hochfrequenzträger zur Übertragung von Daten von der Primärspule zur Sekundärspule über eine dicke Polyimid-Isolierung. (Bildquelle: Analog Devices)

Im Betrieb wird der Primärtransformator durch einen gepulsten Strom durch seine Primärspule getrieben, um ein kleines, örtlich begrenztes Magnetfeld zu erzeugen, das Strom in der Sekundärspule induziert. Die Stromimpulse sind kurz, etwa 1 Nanosekunde (1 ns), so dass der durchschnittliche Strom niedrig ist, um einen geringen Stromverbrauch zu gewährleisten. Die On/Off-Keying (OOK)-Technik, die für das Pulsen verwendet wird, und die Differenzarchitektur sorgen außerdem für eine sehr geringe Ausbreitungsverzögerung und hohe Geschwindigk.

Die in iCoupler verwendeten Polymermaterialien bieten eine robuste Isolierung, da das Material für fast alle Anwendungen geeignet ist. Die anspruchsvollsten Anwendungsfälle, wie medizinische Geräte und schwere Industrieanlagen, profitieren am meisten von dieser Leistungsfähigkeit.

Polyimid hat außerdem geringere Spannungen als Siliziumdioxid (SiO₂), ein alternatives Barrierematerial, und kann je nach Bedarf dicker gemacht werden. Im Gegensatz dazu ist die SiO₂-Dicke und damit die Isolierfähigkeit begrenzt; bei einer Dicke von mehr als 15 Mikrometern (μm) kann es bei der Verarbeitung zu Rissen in den Wafern oder zu einer Delaminierung während der Lebensdauer des Isolators kommen. Digitale Polyimid-Isolatoren verwenden Isolationsschichten mit einer Dicke von bis zu 26 μm.

Analog Devices bietet eine Vielzahl von transformatorbasierten digitalen iCoupler-Isolatoren an. Dazu gehören die Isolatoren ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL und ADUM342E1WBRWZ für 3000 Volt Effektivspannung und 150 Mbit/s für CAN-, RS-485- und SPI-Schnittstellen.

Diese drei digitalen Isolatoren werden zusammen als ADuM34xE-Komponenten bezeichnet und unterscheiden sich in erster Linie durch ihre Kanalorientierung. Der ADuM340E hat vier Vorwärtskanäle, der ADuM341E hat drei Vorwärts- und einen Rückwärtskanal und der ADuM3421 hat zwei Vorwärts- und zwei Rückwärtskanäle (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die drei vierkanaligen digitalen Isolatoren der ADuM34xE-Serie haben ähnliche Spezifikationen, unterscheiden sich aber in der Kanalrichtung. (Bildquelle: Analog Devices)

Die drei Isolatoren bieten jeweils die Wahl zwischen zwei Ausfallsicherheitsmodi (Abbildung 4): Der Ausgangszustand wird auf Low-Pegel gesetzt, wenn die Eingangsseite ausgeschaltet oder nicht in Betrieb ist (Low-Ausfallsicherheitsmode), oder der Ausgangszustand wird auf High-Pegel gesetzt, wenn die Eingangsseite ausgeschaltet oder nicht in Betrieb ist (High-Ausfallsicherheitsmode). Dadurch können die Isolatoren in einen bekannten Zustand zurückkehren, wenn sie in kritischen Anwendungen eingesetzt werden.

Abbildung 4: Die Betriebsblockdiagramme eines einzelnen Kanals eines ADuM34xE-Bausteins veranschaulichen die Optionen mit Low-Ausfallsicherheitsmode (oben) und High-Ausfallsicherheitsmode (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Beachten Sie, dass es keine Beziehung zwischen der eingangsseitigen (V_DD1-Pin in Abbildung 3) und der ausgangsseitigen (V_DD2) Versorgung gibt. Sie können gleichzeitig bei jeder beliebigen Spannung innerhalb ihrer spezifizierten Betriebsbereiche und in beliebiger Reihenfolge arbeiten. Dank dieser Funktion kann der Isolator u. a. Spannungsumwandlungen von 2,5 V, 3,3 V und 5 V Logik durchführen.

Feinheiten der Leistungsmerkmale des ADuM34xE

Die hohe Isolationsspannung, die hohe Geschwindigkeit, der niedrige Stromverbrauch und die geringe Laufzeitverzögerung der ADuM34xE-Isolatoren sind direkt anwendbar, aber ihre Architektur hat noch weitere Vorteile, die Designer nutzen können. So ist beispielsweise der Gesamtstromverbrauch abhängig von der Betriebsfrequenz, und der Strombedarf ist in etwa proportional zur Betriebsgeschwindigkeit der Komponenten. Daher verbrauchen Kanäle, die sich im Leerlauf befinden oder mit sehr geringer Geschwindigkeit schalten, sehr wenig Strom. Das Ergebnis ist eine relative Reduzierung des Stromverbrauchs um ein bis zwei Größenordnungen im Vergleich zu alternativen Isolationstechniken.

Sobald der Entwickler die maximale serielle Taktrate für die Anwendung festgelegt hat, kann die zugehörige isolierte Stromversorgung so ausgewählt werden, dass sie genügend Strom liefert, um genau diese Rate zu unterstützen, wodurch die Notwendigkeit einer Überspezifikation über den Maximalwert des Isolators hinaus entfällt.

Angesichts der Bedeutung von Timing und Laufzeitverzögerung in seriellen Highspeed-Verbindungen ist es wichtig, dass die Performance digitaler Isolatoren im Laufe der Zeit und der Temperatur nicht abnimmt oder sich verändert. Während Jitter bei niedrigen Signalübertragungsraten, bei denen der Fehler im Vergleich zur Wellenformperiode gering ist, weniger problematisch ist, macht der Timing-Jitter bei höheren Datenübertragungsraten einen erheblichen Prozentsatz des Signalintervalls aus. Die Wahl eines Isolators mit dem geringsten Jitter kann das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Effizienz der isolierten Schaltung verbessern.

Aufgrund dieser Eigenschaften der iCoupler-Architektur sind in den Datenblättern garantierte Mindest- und Höchstwerte für Stromverbrauch, Laufzeitverzögerung und Impulsverzerrung über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C angegeben. Für die Entwickler vereinfachen diese vollständigen Spezifikationen die Berechnungen der Systemleistung im ungünstigsten Fall.

Mit den garantierten Zahlen der digitalen Isolatoren in Bezug auf Laufzeitverzögerung (maximal 10 ns) (Abbildung 5), Versatz und Kanal-zu-Kanal-Anpassung können die Top-Level-System-Timing-Spezifikationen wie bei anderen digitalen ICs modelliert und bewertet werden.

Abbildung 5: Die iCoupler-Technologie führt zu einer sehr niedrigen und vollständig charakterisierten Laufzeitverzögerung von unter 10 ns über den gesamten Betriebstemperaturbereich. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) ist eine weniger bekannte und leicht zu übersehende Spezifikation. Das ständige Schalten in Hochspannungsanwendungen wie Ladeschaltungen für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridfahrzeuge (HEV), Solaranlagen und Motorantriebe führt zu Gleichtakttransienten wie Klingeln und Rauschen. Die Isolationstechnologie in den ADuM34xE-Bausteinen nutzt eine Back-to-Back-Transformatorarchitektur mit Mittelanzapfung, die einen niederohmigen Pfad zur Erde für Rauschen auf jeder Seite der Isolationsbarriere bietet. Dadurch erreichen sie einen CMTI-Wert von mindestens 100 Kilovolt pro Mikrosekunde (kV/µs), was die Integrität des isolierten Signals erheblich verbessert.

Entwickler, die sich mit Magnetismus auskennen, könnten Bedenken haben, dass diese Isolatoren durch magnetische Störungen beeinträchtigt werden könnten, die die Sendeimpulse über die Isolationsbarriere hinweg verfälschen und so Fehler verursachen könnten. Diese Sorge ist unbegründet, denn aufgrund des kleinen Radius und des Luftkerns der Transformatoren ist ein extrem großes Magnetfeld oder eine sehr hohe Frequenz erforderlich, um einen Fehler zu induzieren. Digitalen Isolatoren können 500 Ampere (A) bei 1 Megahertz (MHz) in einem nur 5 Millimeter (mm) von der Komponente entfernten Draht nichts anhaben.

Evaluierung digitaler Isolatoren

Während die Funktionsweise dieser Isolatoren einfach ist, erfordert ihre Anwendung die Beachtung von Details, wie z. B. das Platinenlayout, um sicherzustellen, dass ihre Hochspannungsisolationsfähigkeit und ihr Hochgeschwindigkeitsbetrieb nicht beeinträchtigt werden.

Zur Unterstützung der Entwickler bei der Verwendung und Bewertung der Komponenten bietet Analog Devices das iCoupler-Interface-Evaluierungsboard EVAL-ADUM34XEEBZ für digitale Isolatoren an (Abbildung 6). Auf dieser Platine befinden sich Positionen und Layouts für jeweils einen der Isolatoren sowie eine vierte, nicht festgelegte Position. Die Platine ist mit v-förmigen Rillen zwischen den einzelnen Bauteilen (U1 bis U4) versehen, damit die Benutzer die Platine in Abschnitte unterteilen und ein bestimmtes Bauteil auf einer Steckplatine oder einer ähnlichen Testvorrichtung untersuchen können.

Abbildung 6: Das Evaluierungsboard EVAL-ADuM34XEEBZ unterstützt alle drei ADuM34xE-Bausteine und verfügt über eine offene Stelle für die Auswahl eines mit dem Pinout kompatiblen Bausteins durch den Benutzer. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Board EVAL-ADuM34XEEBZ folgt angemessenen Leiterplattendesign-Praktiken, einschließlich einer Massefläche auf jeder Seite der Isolationsbarriere. Für die Evaluierung von iCoupler-Bauteilen mit dieser Karte sind nur ein Oszilloskop, ein Signalgenerator und eine 2,25 V bis 5,5 V Stromversorgung erforderlich.

Fazit

Isolierung ist in vielen Designs erforderlich, um die Signalintegrität zu erhalten, die Sicherheit von Anwendern und Geräten zu gewährleisten und gesetzliche Auflagen zu erfüllen. Digitale Isolationskomponenten, die auf der magnetischen Kopplungstechnologie iCoupler von Analog Devices basieren, bieten eine einfach zu verwendende und zuverlässige Hochgeschwindigkeitslösung. Ihre Kernspezifikationen, einschließlich der minimalen Verschlechterung im Laufe der Zeit und der Temperatur, gewährleisten eine hervorragende Langzeitperformance.