Digitale Isolation Den Aufbau eines Isolators in Hinblick auf die Sicherheit abwägen

Autor / Redakteur: David Krakauer * / Kristin Rinortner

Einen Digitalisolator oder doch lieber den bekannten Optokoppler zur galvanischen Isolation verwenden? In unserer Serie vergleichen wir die wichtigsten Eigenschaften der unterschiedlichen Bauelemente.

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Bild 1: (links) Transformator mit starker Polyimid-Isolation. Stromimpulse erzeugen Magnetfelder und induzieren Strom in die Sekundärspule; (rechts) Kondensator mit dünner SiO2-Isolation nutzt ein elektrisches Feld mit niedrigem Strom zur Einkopplung über eine Isolationsstrecke.
Bild 1: (links) Transformator mit starker Polyimid-Isolation. Stromimpulse erzeugen Magnetfelder und induzieren Strom in die Sekundärspule; (rechts) Kondensator mit dünner SiO2-Isolation nutzt ein elektrisches Feld mit niedrigem Strom zur Einkopplung über eine Isolationsstrecke.
(Bild: Analog Devices)

Jahrelang mussten Entwickler von Industrie-, Medizin- und anderen Systemen mit galvanischer Trennung auf Optokoppler als einzige sinnvolle Lösung zur Implementierung von Schutzisolation zurückgreifen. Die heute verfügbaren Digitalisolatoren bieten Vorteile hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Abmessungen, Kosten, Leistungseffizienz und Integration.

Das Verständnis der Eigenschaften und Wechselwirkungen von drei Schlüsselelementen eines Digitalisolators ist bei der Auswahl der richtigen Lösung wichtig. Die drei Elemente sind Isolationsmaterial, Struktur und Art der Datenübertragung.

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Entwickler binden Isolation zum Beispiel wegen Sicherheitsvorschriften oder zur Reduzierung des Rauschens durch Masseschleifen in ihre Geräte ein. Galvanische Isolation sorgt für Datentransfers ohne elektrische Verbindungen oder Leckpfade, welche die Sicherheit gefährden könnten. Isolation bringt jedoch Nachteile bezüglich Verzögerungen, Leistungsaufnahme, Kosten und Abmessungen mit sich. Das Ziel eines Digitalisolators ist, Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und zugleich Nachteile zu minimieren.

Optokoppler, ein herkömmlicher Isolatortyp, bringen die größten Nachteile mit sich. Sie verbrauchen viel Energie und begrenzen die Datenrate auf weniger als 1 MBit/s. Energieeffizientere und schnellere Optokoppler sind zwar verfügbar, kosten allerdings mehr.

Eigenschaften und Werkstoffe von Digitalisolatoren

Digitalisolatoren wurden vor über zehn Jahren eingeführt, um Entwicklern die Nachteile von Optokopplern zu ersparen. Digitalisolatoren basieren auf CMOS-Technik und bieten wesentliche Kosten- und Energieersparnisse bei gleichzeitig höherer Datenrate. Sie bestehen aus den oben erwähnten Elementen. Das Isolationsmaterial ist für die jeweiligen Isolationseigenschaften verantwortlich. Es wird entsprechend der Sicherheitsstandards gewählt. Struktur und Datenübertragungsmethode werden gewählt, um die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Alle drei Elemente müssen zusammenspielen, um ausgewogene Entwicklungsziele zu erhalten. Um bei einem Entwicklungsziel die Fähigkeit der Sicherheitsstandards zu erfüllen gibt es jedoch keinen Kompromiss.

Welche Isolationsmaterialien verwendet werden

Digitalisolatoren werden in Foundry-CMOS-Prozessen hergestellt und nutzen daher ausschließlich Materialien, die in den Fabriken verwendet werden. Nicht-Standard-Materialien verkomplizieren die Herstellung. Daraus resultieren eine schlechtere Herstellbarkeit und höhere Kosten. Übliche Isolationsmaterialien sind Polymere wie Polyimid (PI), das sich wie ein dünner Film aufbringen lässt, und Silizium-Dioxid (SiO2). Beide haben bekannte Isolationseigenschaften und werden seit Jahren in Standard-Halbleiterprozessen verwendet. Polymere sind die Basis für viele Optokopplertypen und verleihen diesen eine Historie als Hochvolt-Isolatoren.

Sicherheitsstandards spezifizieren normalerweise eine Zeitdauer von einer Minute, über die eine Überspannung von 2,5 bis
5 kVeff. verkraftet werden muss. Die Arbeitsspannung liegt zwischen 125 und 400 Veff. Einige Standards spezifizieren als Bestandteil einer Zertifizierung für verstärkte Isolation auch eine kürzere Zeitdauer (z.B. 10 kV Spitze für 50 µs), über die eine höhere Spannung verkraftet werden muss. Polymer/Polyimid-basierte Isolatoren erreichen die besten Isolationseigenschaften:

Polyimid-basierte Digitalisolatoren sind ähnlich den Optokopplern und übersteigen deren Lebensdauer bei typischen Arbeitsspannungen. SiO2-basierte Isolatoren bieten einen geringeren Schutz gegenüber Spannungsspitzen und eignen sich daher nicht für medizinische und ähnliche Anwendungen.

Die Belastbarkeit aller Filmmaterialien ist ebenfalls unterschiedlich. Polyimid ist weniger empfindlich als SiO2 und kann, falls erforderlich, in der Stärke verändert werden. SiO2-Schichten, die zu dick sind, können bei der Wafer-Produktion reißen oder es kann zur Ablösung der Schicht im Betrieb führen. Polyimid-basierte Digitalisolatoren haben Isolationsschichten mit einer Dicke von 26 µm.

Ein kurzer Abriss zur Isolatorstruktur

Digitalisolatoren nutzen Transformatoren oder Kondensatoren um Daten über eine Isolationsstrecke magnetisch oder kapazitiv zu übertragen. Optokoppler hingegen nutzen zur Übertragung von Daten Licht aus LEDs. Bei Transformatoren werden Stromimpulse durch eine Spule übertragen (Bild 1), um ein kleines, lokales Magnetfeld zu erzeugen, welches Strom in eine andere Spule induziert. Die Stromimpulse sind kurz (1 ns). Somit ist der durchschnittliche Strom gering.

Transformatoren arbeiten auch differenziell und bieten eine ausgezeichnete Gleichtakt-Transientenimmunität bis zu 100 kV/µs (bei Optokopplern liegt diese bei typisch 15 kV/µs). Bei der magnetischen Kopplung spielt auch der Abstand zwischen den Transformatorspulen eine geringere Rolle. Bei der kapazitiven Kopplung über Kondensatorplatten ist der Abstand zwischen den Platten wichtig. Dies ermöglicht eine stärkere Isolation zwischen Transformatorspulen, woraus sich eine höhere Isolationsfestigkeit ergibt. Kombiniert mit weniger empfindlichen Polyimid-Filmen lässt sich bei Transformatoren mit Polyimid gegenüber Kondensatoren mit SiO2 eine hohe Isolationsfestigkeit erreichen.

Kondensatoren sind massebezogen und haben eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Gleichtakttransienten. Differenzielle Kondensatorpaare können dies kompensieren, jedoch zu Lasten der Abmessungen und Kosten.

Über die gesamte Leistungsfähigkeit hinaus gibt es beim Einsatz von Transformatoren einen weiteren Vorteil. Sie ermöglichen die Integration von isolierter Leistung. Die isoPower-Technologie von Analog Devices enthält einen isolierten DC/DC-Wandler mit Datenisolation als komplette Isolationslösung. Alles in allem ist der Transformator das Schlüsselelement eines isolierten DC/DC-Wandlers. Solche Lösungen sind mit Kondensator- oder LED-basierten Isolatoren nicht möglich.

Wissenswertes zu den Datenübertragungsmethoden

Optokoppler nutzen Licht von LEDs zur Übertragung von Daten über eine Isolationsstrecke. Die LED schaltet bei logisch „HIGH” ein und bei logisch „LOW” aus. Bei eingeschalteter LED verbraucht der Optokoppler Energie und macht diese Bauteile somit zu einer weniger idealen Wahl, wenn es um einen geringen Energieverbrauch geht. Die meisten Optokoppler überlassen die Signalaufbereitung am Ein- und/oder Ausgang dem Entwickler. Leider lässt sich die Signalaufbereitung nicht immer auf einfache Weise implementieren.

Digitalisolatoren nutzen fortschrittlichere Schaltkreise zur Kodierung und Dekodierung von Daten. Dies ermöglicht eine schneller Datenübertragung und die Fähigkeit, komplexe, bidirektionale Schnittstellen wie USB und I2C zu beherrschen.

Eine Methode verschlüsselt steigende und fallende Signalflanken als doppelte oder einfache Impulse, die einen Transformator treiben (Bild 2). Diese Impulse werden auf der Sekundärseite in steigende oder fallende Signalflanken zurück gewandelt. Dies senkt den Energieverbrauch gegenüber Optokopplern um das Zehn- bis Hundertfache, da bei dieser Methode nicht ständig Leistung aufgenommen wird. Auffrisch-Schaltungen können in die Entwicklung mit einbezogen werden, um den DC-Pegel regelmäßig zu aktualisieren.

Eine andere Methode nutzt HF-modulierte Signale auf ähnliche Weise wie Optokoppler Licht nutzen. Logische „HIGH”-Signale ergeben eine kontinuierliche HF-Übertragung. Dies wird oft als „On/Off”-Konzept bezeichnet. Der Vorteil dieses Konzepts ist, dass es eine schnellere Übertragung von Daten über die Isolationsstrecke ermöglicht. Jitter kann manchmal jedoch ein Problem sein. Auch verbrauchen „On/Off”-Konzepte mehr Energie als Impuls-basierte Methoden, da logische „HIGH“-Signale permanent Energie verbrauchen. Mit einer Impuls-basierten Methode lässt sich die Leistungsaufnahme auf bis zu 1 μW reduzieren. Mit anderen Lösungen ist dies nicht erreichbar.

Differenzielle Techniken können auch zur Gleichtaktunterdrückung verwendet werden. Allerdings eignen sie sich am besten in Verbindung mit differenziellen Elementen wie Transformatoren.

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