Integrierte Isolation zwischen Signal- und Versorgungsleitungen zur Entwicklung robuster und kompakter Mess- und Steuerungssysteme.

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1 Integrierte Isolation zwischen Signal- und Versorgungsleitungen zur Entwicklung robuster und kompakter Mess- und Steuerungssysteme Von Baoxing Chen

2 Integrierte Isolation zwischen Signal- und Versorgungsleitungen zur Entwicklung robuster und kompakter Mess- und Steuerungssysteme Von Baoxing Chen I. Einführung Im Industrieumfeld, insbesondere bei Prozessteuerungen, sind robuste und genaue Messungen unabdingbar. 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. Digitalisolatoren 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 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 um zu arbeiten. 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, weil viele diskrete Komponenten erforderlich sind. Die Ausgänge dieser diskreten DC/DC-Wandler sind auch nicht optimal geregelt. Bei geringen Lasten, wie sie für hochauflösende ADCs oder DACs typisch sind, werden sie ineffizient.

3 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). II. isopower: Galvanische Trennung zwischen Signal- und Versorgungsleitungen, realisiert mit Micro-Transformatoren 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 150mW isolierter Leistung im 20-poligen SSOP, mit einem DC/DC-Modul und einer Optokoppler-basierten diskreten Schaltung. Der ADuM5010 beansprucht einschließlich vier SMD- Keramikkondensatoren etwa 90mm 2 Platz auf der Leiterplatte. Die diskrete Lösung, bestehend aus insgesamt 16 Bauteilen, benötigt 470mm 2 auf der Leiterplatte über fünf mal mehr als das isopower- Bauteil. Die Abmessungen von DC/DC-Modulen variieren. Ihre Bauhöhen verbieten normalerweise die SMD-Bestückung. 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. Drei Transformatoren befinden sich auf dem linken Chip. Der obere, kleinere Transformator sorgt für die Isolationder Rückkopplung, während die beiden unteren Transformatoren für die isolierte Übertragung von Energie genutzt werden. Zwei weitere Chips können im SSOP untergebracht werden, um zusätzliche Kanäle mit Digitalisolatorenzu realisieren (Bild 1c). Dieses isopower-bauteil (ADuM521x) ist ein zweikanaliger Isolator mit integriertem 150mW-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 wie auch der Chip rechts oben verfügen über Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsschaltkreise zur Übertragung digitaler Signale über Micro-Transformatoren. Zur Übertragung von elektrischer Energie über die Isolationsstrecke werden diese Micro- Transformatoren mit hohen Frequenzen von etwa 120MHz geschaltet. So lassen sich effiziente Energietransfers erreichen. Die Energieregelung erfolgt über eine niederfrequentes PWM- Rückkopplungssignal mit etwa 500kHz. Dieses steuert das Tastverhältnis (Bild 2). Zwei über Kreuz gekoppelte HVCMOS-Schalter zusammen mit einem Transformator mit Mittenabgriff liefern die dauerhafte Oszillation. Diese wird durch einen Tail Switch Controller durch das Rückkopplungs-PWM-Signal aktiviert oder angehalten. Die Schottky-Dioden zur effizienten Gleichrichtung bei 120MHz und ein modifizierter Typ-II-Controller sind auf Chip Nummer 2 implementiert. Für ein sanftes Einschalten ist ein Soft-Start -Schaltkreis auf Chip Nummer 1 implementiert. Beim Einschalten liefert der Soft-Start -Schaltkreis PWM-Signale mit langsam steigenden 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

4 übernommen. Diese sanfte Anlaufsequenz begrenzt das Überschwingen beim Einschalten auf einem Minimum. Für die Systemzuverlässigkeit ist dies sehr wichtig. Um die Daten über die Isolationsstrecke zu übertragen, wird differenzielle Verschlüsselung und Entschlüsselung (Encoding und Decoding) verwendet. Die steigende Signalflanke wird als ein kurzer Impuls mit positive Polarität verschlüsselt. Die fallende Flanke wird als kurzer Impuls mit gleicher Dauer, jedoch mit negativer Polarität verschlüsselt. Der differenzielle Empfänger wandelt diese Impulse unterschiedlicher Polarität in das Ausgangssignal mit dem richtigen Logikzustand. Um sicherzustellen, dass der Ausgang aktualisiert wird, wenn 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 während Gleichtakttransienten unterdrückt und eine hohe Immunität von über 50kV/µS gegenüber Gleichtakttransienten erreicht wird. Isolation nach UL von 3,75kV für 1 Minute wird mit Hilfe 32µm starker Polyimid-Layer erreicht, die sich im Sandwich-Verfahren zwischen den Primärspulen und den Sekundärspulen befinden. Einen Querschnitt des isopower-transformators zeigt Bild 3. Sowohl die obere wie auch die untere Wicklung haben 6µm starkes Gold (Au) für einen effizienten Leistungstransfer. Das Polyimid ist sehr gut gegenüber Hochvolt-Transienten. Es übersteht Spitzenspannungen von über 10kV. Neben der hohen Immunität gegenüber Spitzenspannungen zeigt das Polyimid auch ein gut definiertes Alterungsverhalten. Die Time to Failure ist bei bei verschiedenen Spannungen von 1,2kV bis 3kV aufgenommen und in der Kurve in Bild 4 dargestellt. Basierend auf einem typischen Polyimid-Alterungsmodell ( ) beträgt die Lebensdauer über 100 Jahre bei 400V eff. Dies ist gut genug 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, muss man bei der Entwicklung von Leiterplatten für isopower-produkte sehr sorgfältig arbeiten. Neben gutem Bypassing, um Rauschen innerhalb des Bauteils zu halten, müssen isolierte Inseln auf der Leiterplatte sorgfältig entwickelt werden, damit keine Dipol-Antennen entstehen. CISPR Klasse A oder B kann für isopower-bauteile mit richtig entwickelten Leiterplatten erreicht werden. III. Anforderungen an die galvanische Trennung zwischen Signal- Versorgungsleitungen bei Mess- und Steuerungslösungen

5 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, um 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. 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 150mW DC/DC-Wandler, erfüllt alle Isolationsanforderungen für einen analogen Eingangskanal. Ein isolierter Datenkanal dient dazu, den Systemtakt vom Mikrocontroller zum ADC zu übertragen. Ein weiterer Datenkanal in entgegengesetzter Richtung leitet die erfassten Daten vom Sensor zurück zum Mikrocontroller. Mehrere Bauteile des Typs ADuM5211 können für mehrere Sensoren verwendet werden, die voneinander isoliert sein müssen. Auf ähnliche Weise kann ein einziges isopower-bauteil wie der ADuM5210, ein zweikanaliger Digitalisolator mit 150mW 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 500mW, 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. Wie man sieht, vereinfacht eine integrierte galvanische Trennung zwischen Daten- und Versorgungsleitungen die Messung sowie die Steuerung und die Kommunikationsschnittstelle von Industriegeräten. 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

6 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. IV. Zusammenfassung 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. Bild 1 (a) Größenvergleich für verschiedene Isolated Power Implementierungen (b) Das Innere des ADuM5010, ein komplett integrierter 150-mW-DC/DC-Wandler (c) Das Innere des ADuM521x, ein zweikanaliger Isolator mit integriertem DC/DC-Wandler.