Bild 1: Der Iso7741 von TI nutzt das OOK-Verfahren zur Übertragung digitaler Daten über eine auf Siliziumdioxid basierende Isolationsbarriere. (Bild: Texas Instruments)
Digitalisolatoren verwenden proprietäre Modulationstechniken, um mithilfe eines Trägersignals Daten über eine Isolationsbarriere zu übertragen. Um hohe Datenraten zu erzielen, fällt die Wahl meist auf eine Trägerfrequenz von einigen 100 MHz. Dies hat allerdings die Konsequenz, dass beim Einsatz in der Nähe von Funk-Modulen die Trägerfrequenz des Digitalisolators und ihre Oberschwingungen störend auf die Funksignale des Kommunikationsmoduls einwirken können. Daraus wiederum resultiert die Gefahr einer Beeinträchtigung der Empfindlichkeit des Funkmoduls und somit die von ihm fehlerfrei unterstützte Reichweite. Der vorliegende Artikel beschreibt, mit welchen Methoden sich die Auswirkungen von Digitalisolatoren auf die Empfindlichkeit von Funk-Modulen minimieren lassen, damit diese den erwarteten fehlerfreien Kommunikationsbereich erreichen können.
Wie funktioniert ein Digitalisolator?
Bild 1: Der Iso7741 von TI nutzt das OOK-Verfahren zur Übertragung digitaler Daten über eine auf Siliziumdioxid basierende Isolationsbarriere. Texas Instruments
Bild 2: Bei einer OOK-basierten Architektur moduliert ein internes Taktsignal den ankommenden digitalen Bitstream, wobei einer der beiden möglichen Eingangszustände durch die Übertragung eines Trägersignals repräsentiert wird, der andere Zustand dagegen durch die Abwesenheit eines Trägersignals. Texas Instruments
Eine in leistungsfähigen Digitalisolatoren häufig implementierte Schaltungsarchitektur zur Übertragung von Daten über die Isolationsbarriere ist das On-Off-Keying (OOK), bei dem der Träger schlicht nur abwechselnd ein und ausgeschaltet wird. Der Iso7741 von Texas Instruments (TI), ein verstärkter Digitalisolator mit hoher Übertragungsrate und robusten EMV-Eigenschaften, nutzt das OOK-Verfahren zur Übertragung digitaler Daten über eine auf Siliziumdioxid basierende Isolationsbarriere. In Bild 1 ist das Blockschaltbild des OOK-basierten Digitalisolators Iso7741 dargestellt, während Bild 2 das Modulationsverfahren illustriert.
Bei einer OOK-basierten Architektur moduliert ein internes Taktsignal den ankommenden digitalen Bitstream. Einer der beiden möglichen Eingangszustände ist durch die Übertragung eines Trägersignals repräsentiert, der andere Zustand dagegen durch die Abwesenheit eines Trägersignals. Das so modulierte Signal lässt sich über die Isolationsbarriere hinweg koppeln und liegt in abgeschwächter Form auf der Empfängerseite an. Der Empfangspfad besteht aus einem Vorverstärker zum Verstärken des ankommenden Signals, gefolgt von einem Hüllkurvendemodulator, der den ursprünglichen digitalen Signalverlauf wiederherstellt. Der Iso7741 wendet außerdem Spread-Spectrum-Modulationsverfahren an, um die aus dem hochfrequenten Träger resultierende Störabstrahlung zu minimieren.
Funkmodule
Bei einem Funkmodul handelt es sich in der Regel um ein kleines elektronisches System mit der Aufgabe, Funksignale zwischen zwei Geräten zu senden beziehungsweise zu empfangen. Es gibt die unterschiedlichsten Arten von Funkmodulen: während die einen für Übertragungsdistanzen im unteren zweistelligen Meterbereich ausgelegt sind, kommen andere auf Entfernungen von einigen Kilometern. Das Design guter Hochfrequenz-Elektronik ist stets eine komplexe Sache, zumal Funkschaltungen immer Grenzwerte bezüglich der elektromagnetischen Störabstrahlungen einhalten müssen. Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen von Normungsinstanzen wie der US-amerikanischen FCC (Federal-Communications-Commission) sind daher verpflichtend. Dies veranlasst viele Entwickler dazu, lieber auf ein fertig ausgearbeitetes Funkmodul zurückzugreifen als es selbst mit einem diskreten Design zu versuchen. So lässt sich bei der Entwicklung Zeit und Geld sparen. Handelsübliche Funkmodule nutzen verschiedene Trägerfrequenzen beispielsweise im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) wie etwa 433,92 MHz, 915 MHz und 2400 MHz. Das GSM-Mobilfunkband dagegen arbeitet bei Frequenzen von 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz und 1900 MHz.
Auswirkungen auf die Empfindlichkeit eines Funkmoduls
Empfindlichkeit gehört zu den entscheidenden Spezifikationen eines jeden Funkempfängers – ganz gleich, ob die Nutzung für WiFi, Mobilfunk oder eine andere Art drahtloser Kommunikation erfolgt. Die Fähigkeit eines Funkempfängers, die übertragenen Signale mit dem erforderlichen Pegel zu empfangen, ermöglicht ihm einen effektiven Betrieb in seiner vorgesehenen Anwendung.
Zu den Parametern, welche die Empfangsempfindlichkeit eines Funkmoduls charakterisieren, gehört das „Minimum-Detectable beziehungsweise Discernible-Signal“ (MDS), also der geringste Signalpegel, den der Empfänger detektieren kann. Der MDS-Pegel entspricht somit dem schwächsten Signal, das sich von der analogen und digitalen Signalkette verarbeiten und vom Empfänger demodulieren lässt, um am Ausgang aussagefähige Informationen zu produzieren.
In Digitalisolatoren unterstützen Trägersignale bei der Übertragung von Daten über eine Isolationsbarriere hinweg. Da es hier um eine reine Signalübertragung und keine Energieübertragung geht, ist der Pegel des gesendeten Trägersignals sehr niedrig gewählt. Die meisten ausschließlich zur Datenübertragung genutzten Digitalisolatoren haben es deshalb nicht schwer, die Funkstörungs-Grenzwerte, beispielsweise des Comité-International-Spécial-des-Perturbations-Radioélectriques (CISPR), einzuhalten.
Die Empfindlichkeit von Funkmodulen ist in der Regel recht hoch, und die Angabe ihrer MDS-Werte erfolgt normalerweise in Dezibel-Milliwatt (dBm): 0 dBm = 1 mW. Befinden sich aber ein Digitalisolator und ein Funkmodul nebeneinander auf derselben Leiterplatte, ist nicht auszuschließen, dass sich das Trägersignal des Digitalisolators auf die Empfindlichkeit des Funkmoduls auswirkt und seinen MDS-Wert in gewissem Umfang verschlechtert. Ein beeinträchtigter MDS-Wert eines Funkmoduls wiederum kann dazu führen, dass sich die eigentlich mögliche Reichweite verschlechtert. Sollte die unterstützte Übertragungsdistanz geringer sein als die akzeptable Distanz, gilt es Maßnahmen zu treffen, um den Einfluss des Digitalisolators auf die Empfindlichkeit des Moduls zu minimieren.
Eck-daten
In vielen Industrie- und Automotive-Anwendungen sowie elektronischen Kleingeräten kommen Digitalisolatoren zum Einsatz – sei es zur Isolation von Masseschleifen, für die Sicherheits-Isolation oder zur Ansteuerung von High-Side-Treibern. Zusätzlich enthalten viele dieser Applikationen auch Funkmodule für die drahtlose Kommunikation mit anderen Systemen. Funkmodule sind überaus anfällig gegen hochfrequente Störeinstrahlungen und werden deshalb auch durch die sehr schwachen Störabstrahlungen infolge der Trägerfrequenz eines Digitalisolators leicht beeinträchtigt. Der Beitrag erläutert die Funktionsweise von Digitalisolatoren und zeigt Methoden, Beeinträchtigungen durch Sötreinstrahlung auf Funkmodule zu reduzieren.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Auswirkungen eines Digitalisolators auf die von einem Funkmodul erreichte Empfindlichkeit zu minimieren – alle mit dem Ziel die Funkmodul-Empfindlichkeit so zu verbessern, dass es seine ursprüngliche Übertragungsentfernung erreicht. Datenmodulation, die Wahl eines Isolators mit dem richtigen Grundzustand oder die Verwendung eines Stitching-Kondensators zwischen den Leiterplatten sind nur drei der Möglichkeiten, um Verbesserungen zu erreichen.
Datenmodulation
Bild 3: Das Datenmodulationsverfahren zur Verringerung der Störemissionen lässt sich per Software implementieren, wenn die Kommunikation über die Isolationsbarriere zwischen zwei Mikrocontrollern oder programmierbaren Bausteinen erfolgt. Texas Instruments
Wie bereits angesprochen, ist einer der Eingangszustände eines Digitalisolators durch die Übertragung eines Trägersignals repräsentiert, der andere Zustand dagegen durch das Ausbleiben dieses Trägersignals. In dem für den Iso7741F geltenden Bild 2 (links) wird bei logisch 1 am Eingang ein Trägersignal über die Isolationsbarriere hinweg übertragen, während bei logisch 0 das Senden eines Signals ausbleibt. Wenn in einer Anwendung mit fester Datenrate die Wiedergabe eines Datenbits mit dem Zustand 1 durch 10 Prozent High-Status, gefolgt von 90 Prozent Low-Status erfolgt, lässt sich die Zeitspanne, in der ein Trägersignal übertragen werden muss, entscheidend verkürzen, wie Bild 3 (links) zeigt. Ein solches Datenmuster ist auf der anderen Seite der Isolationsbarriere leicht wieder zum ursprünglichen Datenbit rekonstruierbar. Dieses Verfahren reduziert die Störabstrahlungen auf ein Zehntel und bewirkt eine proportionale Empfindlichkeitsverbesserung des Funkmoduls. Die Abstrahlungen lassen sich sogar noch weiter reduzieren, wenn sich die Dauer des High-Status auf weniger als 10 Prozent verringert. Im Iso7741 wird bei logisch 0 am Eingang ein Trägersignal gesendet, bei logisch 1 dagegen nicht (Bild 2, rechts). Eine Verminderung der Störabstrahlungen ist hier mit der in Bild 3 (rechts) gezeigten Methode möglich.
Das Datenmodulationsverfahren lässt sich per Software implementieren, wenn die Kommunikation über die Isolationsbarriere zwischen zwei Mikrocontrollern oder programmierbaren Bausteinen erfolgt. Diese Methode kann die Störabstrahlungen um den Faktor zehn oder mehr reduzieren, ohne dass irgendwelche externen Bauelemente erforderlich sind. Es handelt sich hierbei somit um eine der einfachsten und effizientesten Möglichkeiten, die Emissionen zu mindern und die Empfindlichkeit entsprechend zu steigern.
Alternativ ist die Datenmodulation auch per Hardware, also mit externen Bauelementen und ohne Auswirkungen auf die Systemsoftware realisierbar. Die wichtigsten Komponenten zum Implementieren der Datenmodulation sind ein Oszillator mit einstellbarem Tastverhältnis zum Erzeugen eines modulierten Datenmusters und ein Hüllkurvendemodulator zum Regenerieren des ursprünglichen Datenstreams. Dieses Konzept bietet sich für Anwendungen an, in denen die Software umfangreich und anspruchsvoll ist und außerdem kritische System-Interrupts mit höchster Ausführungs-Priorität enthält.
Wahl eines Isolators mit dem richtigen Grundzustand
Viele Anwendungen nutzen Isolatoren für verschiedene Kommunikationsschnittstellen und -protokolle wie zum Beispiel Serial-Peripheral-Interface (SPI), Inter-Integrated-Circuit (I2C), RS-485 und Controller-Area-Network (CAN). Viele dieser Anwendungen erfordern intermittierende Datenübertragungen in Form von Paketen, sodass es zwischen den Paket-Übertragungen lange Leerlaufphasen gibt. Die Kommunikationsschnittstelle aber kann erfordern, dass sich der Bus während dieser Leerlaufperioden in einem bestimmten Zustand (high, low oder ein spezieller Status) befindet.
Ein Digitalisolator, dessen Grundzustand dem Leerlaufzustand des Kommunikationsbusses entspricht, kann die Erzeugung von Störabstrahlungen durch den Isolator während dieser Phasen verhindern. Mit der richtigen Wahl bleibt also die Empfindlichkeit der Funkmodule besonders während der Leerlaufphasen unbeeinflusst. Neben der Übertragung von Datenpaketen kann demnach eine sorgfältige Wahl des Isolators bereits ausreichend sein, um die für eine Anwendung erforderliche Empfindlichkeit des Funkmoduls zu erreichen.
Testergebnisse
Tabelle 1: Zusammenfassung der Empfindlichkeitsprüfungen des Funkmoduls mit verschiedenen Verbesserungsmethoden. Texas Instruments
Die Prüfung der hier angesprochenen Methoden erfolgte mittels eines Digitalisolator-Evaluierungsmoduls Iso7741evm, welches hierzu in unmittelbarer Nähe zu einem hochempfindlichen Funkempfänger platziert wurde. Alle der hier beschriebenen Verbesserungs-Methoden sind dafür geeignet, die Auswirkungen des Trägersignals von Digitalisolatoren auf die Empfindlichkeit und die unterstützte Übertragungsdistanz von Funkmodulen einzudämmen (Tabelle 1).
Koteshwar Rao
(aok)
