01.10.2013 11:38 | Entwicklung robuster, kompakter Mess- und Steuerungssysteme

Integrierte Isolation zwischen Signal- und Versorgungsleitungen

Fachartikel von Baoxing Chen

Im Industrieumfeld, insbesondere bei Prozesssteuerungen, sind robuste und genaue Messungen unabdingbar. Eine integrierte galvanische Trennung zwischen Daten- und Versorgungsleitungen vereinfacht die Messung sowie die Steuerung und die Kommunikationsschnittstelle von Industriegeräten.

Auf einen Blick

Integrierte Signal- und Power-Isolation mit Micro-Transformatoren in einem kleinen Gehäuse vereinfacht die Entwicklung von industriellen Mess- und Prozesssteuerungssystemen. Außerdem reduzieren sich damit der Platzbedarf auf der Leiterplatte sowie die Kosten gegenüber Lösungen mit Optokopplern und diskreten Transformatoren. Zuverlässige Messungen mit hoher Genauigkeit und leistungsfähige Steuerungen in rauen Industrieumgebungen lassen sich somit optimal durchführen.

Die in Industrieanwendungen eingesetzten Sensoren, darunter Widerstandsthermometer (RTDs) oder Thermoelemente, verlangen normalerweise eine eingangsseitige Isolation, um Masseschleifen zu verhindern, die sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirken können. Auch die Auswirkungen von Spannungstransienten, die Messinstrumente beschädigen können, lassen sich durch Eingänge mit galvanischer Trennung verhindern.

Neben den kleinen differenziellen Messsignalen kann sich auf den Verbindungsleitungen der eingesetzten Sensoren ein erhebliches Gleichtaktpotenzial befinden, welches die Genauigkeit der Datenerfassung reduziert. Durch hohe Spannungstransienten auf den Leitungsverbindungen können Sicherheitsrisiken entstehen. Isolierte Analogausgänge sind erforderlich, um Aktoren wie hydraulische Komponenten, Spulen oder Elektromotoren sicher und genau zu betreiben.

Neben der Isolation der analogen Ein- und Ausgänge gegenüber Systemmasse ist eine galvanische Trennung auch zwischen den Ein- und Ausgängen notwendig, um das System vor den unterschiedlichen Gleichtaktspannungen der Sensoren und Aktoren zu schützen und Interferenzen zu vermeiden.

Mit Digitalisolatoren lassen sich die Leistungsfähigkeit von Analogsystemen steigern und Systeme mit kleineren Abmessungen entwickeln. Sie ersetzen herkömmliche Analogisolatoren oder Optokoppler, die sperrig sind und ungenau arbeiten. Hochauflösende ADCs, die sich direkt am Messpunkt befinden, wandeln die genauen analogen Messsignale in digitale Datenströme, bevor sie mit Hilfe von hochintegrierten, mehrkanaligen Digitalisolatoren über eine Isolationsstrecke an den Mikrocontroller übertragen werden. Auf ähnliche Weise werden die digitalen Befehle vom System-Mikroprozessor über eine Isolationsstrecke übertragen. Auch hier kommen Digitalisolatoren zum Einsatz. Anschließend erfolgt mit Hilfe von hochauflösenden DACs die Wandlung in exakte analoge Strom- oder Spannungssignale. Bei Digitalisolatoren gibt es keine Signalverzerrungen oder Abschwächungen, wie man sie von Analogisolatoren oder herkömmlichen Optokopplern kennt. Allerdings brauchen die DACs zur Anbindung an die Steuerung oder die ADCs zum Anschluss der Sensoren eine Stromversorgung mit galvanischer Trennung.

Diskrete, isolierte DC/DC-Wandler können genutzt werden, um die galvanisch getrennte Stromversorgung von der Systemseite bereitzustellen. Diese sind allerdings sperrig und schwierig zu entwickeln, wegen der vielen diskreten Komponenten. Auch sind die Ausgänge dieser diskreten DC/DC-Wandler nicht optimal geregelt. Bei geringen Lasten, wie sie für hochauflösende ADCs oder DACs typisch sind, werden sie ineffizient. Für robuste und kompakte Analogmess- und Steuerungssysteme sind kleine, integrierte „Isolated Power“ und Digitalisolatoren erforderlich. Isopower, eine Erweiterung der iCoupler-Technologie, bietet galvanisch getrennte Signal- und Versorgungsbereiche in einem SSOP (Shrink Small Outline Package).

Galvanische Trennung zwischen Signal- und Versorgungsleitungen

Bild 1 (a): Größenvergleich für verschiedene Isolated-Power-Implementierungen. (Quelle: Analog Devices)

Im Folgenden werden Isopower-Bauteile betrachtet und mit herkömmlichen DC/DC-Implementierungen verglichen. Bild 1a zeigt den Größenvergleich eines Isopower-Bauteils (ADuM5010) mit integriertem DC/DC-Wandler mit bis zu 150 mW isolierter Leistung im 20-poligen SSOP, mit einem DC/DC-Modul und einer Optokoppler-basierten diskreten Schaltung. Einschließlich der vier SMD-Keramikkondensatoren beansprucht der ADuM5010 etwa 90mm2 Platz auf der Leiterplatte. Die diskrete Lösung, bestehend aus insgesamt 16 Bauteilen, benötigt 470 mm2 auf der Leiterplatte, über fünf Mal mehr als das Isopower-Bauteil. Die Abmessungen von DC/DC-Modulen variieren. Ihre Bauhöhen verbieten normalerweise eine SMD-Bestückung.

Bilder 1 b und c: Das Innere des ADuM5010 (b), ein komplett integrierter 150-mW-DC/DC-Wandler. Das Innere des ADuM521x (c), ein zweikanaliger Isolator mit integriertem DC/DC-Wandler. (Quelle: Analog Devices)

Ein isolierter DC/DC-Wandler in einem SSOP wird mit einer Zwei-Chip-Integration ermöglicht (Bild 1b). Der linke Chip besteht aus Transformator-Switching-Schaltkreisen, während sich auf dem rechten Chip Dioden und der Rückkopplungs-Controller befinden. Auf dem linken Chip befinden sich drei Transformatoren. Der obere, kleinere Transformator sorgt für die Isolation der Rückkopplung, während die beiden unteren für die isolierte Übertragung von Energie genutzt werden. Zwei weitere Chips können im SSOP untergebracht werden, um zusätzliche Kanäle mit Digitalisolatoren zu realisieren (Bild 1c). Bei diesem Isopower-Bauteil (ADuM521x) handelt es sich um einen zweikanaligen Isolator mit integriertem 150-mW-DC/DC-Wandler. Die zwei Micro-Transformatoren auf dem Chip rechts oben sorgen für die Isolation der beiden digitalen Kanäle. Sowohl der Chip links oben als auch der Chip rechts oben verfügen über Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsschaltkreise zur Übertragung digitaler Signale über Micro-Transformatoren.

Zur Übertragung elektrischer Energie über die Isolationsstrecke werden diese Micro-Transformatoren mit hohen Frequenzen von etwa 120 MHz geschaltet. So lassen sich effiziente Energietransfers erreichen. Die Energieregelung erfolgt über ein niederfrequentes PWM-Rückkopplungssignal mit etwa 500 kHz. Dieses steuert das Tastverhältnis (Bild 2).

Bild 2: Blockschaltung für isolierte Energieübertragung mit Micro-Transformatoren. (Quelle: Analog Devices)

Zwei über Kreuz gekoppelte HVCMOS-Schalter zusammen mit einem Transformator mit Mittenabgriff liefern die dauerhafte Oszillation, die durch einen „Tail Switch“-Controller durch das Rückkopplungs-PWM-Signal aktiviert oder angehalten wird. Die Schottky-Dioden zur effizienten Gleichrichtung bei 120 MHz und ein modifizierter Typ-II-Controller sind auf dem zweiten Chip implementiert. Ein „Soft-Start“-Schaltkreis auf dem ersten Chip sorgt für „sanftes“ Einschalten. Beim Einschalten liefert der „Soft-Start“-Schaltkreis PWM-Signale mit langsam steigendem Tastverhältnis, um die Ausgangsspannung langsam auf einen vorher eingestellten Pegel zu bringen. Dieser Pegel ist etwas niedriger als die gewünschte Ausgangsspannung, bei der das Rückkopplungssignal aktiviert wird. So wird die Steuerung des „Tail-Switch“ vom „Soft-Start“-Ausgang übernommen. Diese sanfte Anlaufsequenz begrenzt das Überschwingen beim Einschalten auf ein Minimum. Ein sehr wichtiges Kriterium für die Systemzuverlässigkeit.

Überschwingen beim Einschalten auf ein Minimum begrenzt

Zum Übertragen der Daten über die Isolationsstrecke, wird differenzielle Verschlüsselung und Entschlüsselung (Encoding und Decoding) verwendet. Die steigende Signalflanke wird als ein kurzer Impuls mit positiver Polarität verschlüsselt. Als kurzer Impuls mit gleicher Dauer, jedoch negativer Polarität wird die fallende Flanke verschlüsselt.

Der differenzielle Empfänger wandelt diese Impulse unterschiedlicher Polarität in das Ausgangssignal mit dem richtigen Logikzustand. Um sicherzustellen, dass der Ausgang aktualisiert wird, falls der Eingang seinen Zustand für längere Zeit nicht verändert hat, werden zusätzlich periodische Auffrisch-Impulse über die Transformatoren übertragen – ein positiver Impuls für logisch „High“ und ein negativer Impuls für logisch „Low“. Der differenzielle Empfänger sorgt dafür, dass die Gleichtaktspannung Gleichtakttransienten unterdrückt und eine hohe Immunität von über 50 kV/μS gegenüber Gleichtakttransienten erreicht wird.

Bild 3: Querschnitt von Isopower-Transformatoren. (Quelle: Analog Devices)

Isolation nach UL von 3,75 kV für eine Minute wird mit Hilfe 32 μm starker Polyimid-Layer erreicht, die sich im Sandwich-Verfahren zwischen den Primär- und den Sekundärspulen befinden. Einen Querschnitt des Isopower-Transformators zeigt Bild 3. Sowohl die obere als auch die untere Wicklung haben 6 μm starkes Gold (Au) für einen effizienten Leistungstransfer. Das Polyimid übersteht Spitzenspannungen von über 10 kV. Neben der hohen Immunität gegenüber Spitzenspannungen zeigt das Polyimid auch ein gut definiertes Alterungsverhalten. Die Time to Failure ist bei verschiedenen Spannungen von 1,2 bis 3 kV aufgenommen und in der Kurve in Bild 4 dargestellt. Basierend auf einem typischen Polyimid-Alterungsmodell beträgt die Lebensdauer über 100 Jahre bei 400 Veff  und ist damit ausreichend für viele Industrieanwendungen.

Neben dem richtigen Verhalten gegenüber hohen Spannungen spielen EMC-Anforderungen wie abgegebene Strahlung eine wichtige Rolle bei Industrieanwendungen. Die Isopower-Transformatoren sind eng miteinander gekoppelt und haben Durchmesser von wenigen Hundert μm. Damit bleibt die abgegebene Strahlung der Transformatoren sehr gering. Die Isopower-Transformatoren sind als S-Typ-Konfiguration implementiert (Bild 5). Im Fernbereich löscht der Magnetfluss der einen Hälfte des Transformators den Magnetfluss der anderen Hälfte aus, wenn jede Hälfte mit entgegengesetzter Phase arbeitet. Während die von den Transformatoren abgegebene Strahlung vernachlässigbar ist, gilt es, bei der Entwicklung von Leiterplatten für diese Produkte sehr sorgfältig zu arbeiten. Neben gutem „Bypassing“, um das Rauschen innerhalb des Bauteils zu halten, müssen isolierte Inseln auf der Leiterplatte sorgfältig entwickelt werden, damit keine Dipol-Antennen entstehen.

Bild 5: Isopower-Transformatorkonfiguration. (Quelle: Analog Devices)

Parameter zuverlässig messen

Um im rauen Industrieumfeld Strom, Spannung, Temperatur, Druck, Durchfluss und andere Parameter zuverlässig zu messen, ist galvanische Trennung unabdingbar. Datenintegrität und die Sicherheit von Geräten und des Anwenders lassen sich nur beibehalten, wenn man Masseschleifen eliminiert und verhindert, dass Anwender oder Geräte gefährlichen Spannungen ausgesetzt sind.

Neben Signalisolation ist auch Power-Isolation erforderlich, um Bias für die ADCs oder DACs zu etablieren, und sie mit verschiedenen Sensoren und Transducern zu verbinden. Eine große Herausforderung besteht darin, Isolationskomponenten wie die auf Optokoppler basierenden, auf einer kleinen Fläche unterzubringen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass viele Analogeingänge oder -ausgänge nicht nur galvanische Trennung von der Backplane, sondern auch zwischen den Analogkanälen brauchen. Integrierte Signal- und Power-Isolation ist die ideale Lösung, um alle analogen I/O-Ports mit wirkungsvoller galvanischer Trennung auszustatten.

Bild 6: Komplett isoliertes Industrie-Mess- und Steuerungssystem mit Isopower. (Quelle: Analog Devices)

Ein Beispiel der Implementierung von galvanischer Trennung zwischen Signal- und Versorgungsleitungen für Industrie- oder Prozesssteuerungen zeigt Bild 6. Ein einziges Isopower-Bauteil wie der ADuM5211, ein zweikanaliger Digitalisolator mit 150-mW-DC/DC-Wandler, erfüllt alle Isolationsanforderungen für einen analogen Eingangskanal. Zur Übertragung des Systemtakts vom Mikrocontroller zum ADC dient ein isolierter Datenkanal. Ein weiterer Datenkanal in entgegengesetzter Richtung leitet die erfassten Daten vom Sensor zurück zum Mikrocontroller. Mehrere Bauteile des Typs ADuM5211 lassen sich für mehrere Sensoren verwenden, die voneinander isoliert sein müssen. Auf ähnliche Weise kann ein einziges Isopower-Bauteil wie der ADuM5210, ein zweikanaliger Digitalisolator mit 150 mW DC/DC-Wandler, die gesamten Isolationsanforderungen für einen analogen Ausgangskanal erfüllen. Die zwei Datenkanäle werden verwendet, um den Takt und die digitalen Befehle vom Mikrocontroller zum DAC zu übertragen und einen Aktor zu steuern. Mehrere Bauteile des Typs ADuM5210 können für mehrere Aktoren oder Analogausgänge verwendet werden, die voneinander isoliert sein müssen. Die roten horizontalen, gestrichelten Linien zeigen die Isolationsstrecken zwischen verschiedenen Sensoren und Aktoren. Die lange rote, vertikale, gestrichelte Linie rechts zeigt die Isolation zwischen dem System und den Analog-I/O-Ports.

Damit viele Geräte der Prozesssteuerung miteinander kommunizieren können, ist zusätzliche Isolation zwischen dem System-Controller und dem Kommunikationsbus (RS485, RS232, CAN und andere) erforderlich (kurze rote, vertikale, gestrichelte Linie). Auch hier kann ein einziges Isopower-Bauteil wie der ADuM5287, ein komplett integrierter isolierter RS-485-Transceiver mit 500 mW, für die komplette Bus-Interface-Isolation für ein einziges Gerät verwendet werden. Hier bietet der ADuM2587 einen integrierten RS-485-Transceiver und drei Kanäle digitaler Isolation, von denen zwei dazu verwendet werden, um „Drive“- und „Drive-Enable“-Signale zum Mikrocontroller und zum Bus zu schicken. Der andere Kanal wird genutzt, um empfangene Daten vom Bus zum Controller zu übertragen.

Laufzeit der Batterie erhalten

Es gibt ähnliche Signal- und Power-Isolationsanforderungen für Batteriemessungen oder Testgeräte. Spannungen und Ströme für alle Batteriezellen müssen kontinuierlich überwacht werden, um die Laufzeit der Batterie zu erhalten. Ein gesamter Batterie-Stack in Serienschaltung kann hunderte oder sogar tausende Volt haben. Batterie-Überwachungs-ICs zum Anschluss an verschiedene Batterie-Packs an unterschiedlichen Positionen des Stacks müssen von System-Controllern isoliert sein. Galvanisch getrennte elektrische Energie ist erforderlich, um bei einem Ausfall der Batterie ein einwandfreies Herunterfahren des Systems zu ermöglichen.

(ah)

Baoxing Chen

Über den Autor

Baoxing Chen ist Senior Staff Engineer bei Analog Devices.

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Analog Devices GmbH
Wilhelm-Wagenfeld-Str.6
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