Störenfried ertappt

Autor / Redakteur: John Constantino* / Iris Steinbacher

Elektrische Störpegel sind für Designer von HF-Schaltungen eine unangenehme Begleiterscheinung. Besonders in der industriellen Automation stellen diese Störungen eine besondere Herausforderung,

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( Archiv: Vogel Business Media )

Elektrische Störpegel sind für Designer von HF-Schaltungen eine unangenehme Begleiterscheinung. Besonders in der industriellen Automation stellen diese Störungen eine besondere Herausforderung, denn Anlagen wie Motoren und mechanische Schalter in diesen Applikationen erzeugen recht hohe Störspannungen. Hinzu kommt, dass diese Störsignale oft genau in dem Frequenzband auftauchen, indem ein Datenaustausch stattfindet. Dann ist das Filtern der Störspannungen eine sehr schwierige Aufgabe.

Mit CMTI (Common Mode Transient Immunity) oder CMR (Common Mode Rejection) bezeichnet man die Gleichtaktunterdrückung eines Bauelementes, mit der Störsignale in HF-Schaltungen unterdrückt werden sollen. Da diese Störungen nur schwierig zu simulieren und zu bestimmen sind, suchen Designer oft Bauelemente, welche die höchste CMR bieten.

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In der industriellen Automation ist der Optokoppler verantwortlich für die Datenübertragung über die Isolationsbarriere, wobei er gleichzeitig unerwünschte Störpegel filtern soll. Filtert er unzureichend, führt dies zu Fehlern in der Datenübertragung. Folgende Faktoren bestimmen die CMR: Die Gleichtaktspannung (VCM) sowie die Anstiegs- und Abfallzeiten der transienten Signale (dv/dt). Werden entweder VCM oder dv/dt solange erhöht bis das Ausgangssignal des Optokopplers den entgegengesetzten Logikzustand einnimmt, hat man den so genannten Fehlerpunkt bestimmt.

VCM und Transientenrate bestimmen die Leistung

Die Leistung des Bauelementes variiert mit der Amplitude von VCM und der Transientenrate. Bild 1 veranschaulicht eine typische CMR-Leistungskurve. Die X-Achse zeigt die Amplitude der VCM und die Y-Achse den Anstieg und Abfall der Transienten. In der Grafik ist zu erkennen, dass die dv/dt-Widerstandsfähigkeit abhängig von der VCM-Amplitude variiert.

Die Gleichtakt-Unempfindlichkeit des Bauelementes wird in der Regel gut sein solange die VCM oder die dv/dt-Rate gering sind. Dies ist der Bereich unterhalb der Kurve, also der sichere Betriebszustand. Wenn dv/dt hoch, aber VCM niedrig ist, oder aber VCM hoch und die dv/dt-Rate niedrig, wird das Bauelement keine Fehler aufweisen. Sind jedoch VCM und dv/dt ausreichend hoch, ist die Transientenunempfindlichkeit der Schaltung an einem kritischen Punkt angelangt. Das betrifft den oberen Bereich der Grafik, den Fehlerbereich.

Die CMR-Leistung eines Optokopplers wird durch drei Faktoren bestimmt: Gehäusekapazität, Kapazität des Halbleiter-Dies und die Lastkapazität. Die Gehäusekapazität wiederum ergibt sich durch die Gehäusekonstruktion. Zahlreiche Optokoppler verwenden einen so genannten face-to-face-Aufbau. Hierbei sind die LED und der Leiterrahmen vom oberen Gehäuseteil aus gesehen nach unten gerichtet, und zwar oberhalb des Detektors und seines Leiterrahmens (Bild 2).

In diesem Fall verlaufen die Leiterrahmen der LED und des Fotodetektors parallel zueinander. Die Oberfläche der beiden Leiterrahmen trägt in dieser Konfiguration zur Gehäusekapazität bei; ähnlich den parallelen Platten eines Kondensators. Die folgende Formel zeigt das Verhältnis zwischen Kapazität und der Konfiguration der beiden leitenden Oberflächen im Gehäuse:

C=?0S/d

S ist dabei die Fläche der leitenden Oberflächen und d der Plattenabstand.

Koplanarer Gehäuseaufbau reduziert die Kapazität

Fairchilds Optokoppler verwenden einen koplanaren Aufbau. Hierbei befinden sich die LED und der Fotodetektor Seite an Seite und nicht übereinander. Das Licht wird mit einem lichtdurchlässigen Kunststoffmaterial, das in einem runden Dom geformt ist, von der LED zum Fotodetektor gekoppelt. Ein reflektierendes Epoxy-Gehäuse umschließt die ganze Anordnung. In dieser Konfiguration besteht die Oberfläche der beiden Leiterrahmen, die zur Gehäusekapazität beiträgt, lediglich aus der Dicke und Breite des Leiterrahmens. Damit wird der Wert von S in der vorhergehenden Gleichung wesentlich reduziert. Hinzu kommt, dass der Abstand zwischen LED und Fotodetektor im Vergleich zur Stapelversion einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Lichtkopplungseffizienz im koplanaren Gehäuse hat.

Damit lässt sich der Abstand der Leiterrahmen vergrößern, um die Isolation zu verbessern. Auch d in der vorhergehenden Gleichung wird reduziert, was die Gehäusekapazität weiter verbessert. Messungen an typischen Mustern bestätigen, dass der koplanare Gehäuseaufbau gegenüber den gestapelten Versionen eine in etwa 30% geringere Gehäusekapazität aufweist.

Aus der reduzierten Gehäusekapazität resultiert eine bessere CMH-Leistung. Bild 3 vergleicht die CMH des Koplanar-Gehäuses von Fairchild mit einem vergleichbaren Bauelement, das über einen Stapelaufbau verfügt.

Silizium-Designtechniken konnten unter anderem durch ein effizienteres Layout des Fotodetektor-Dies verbessert werden. Das Ergebnis ist ein kleineres Die. Aber auch effizientere LEDs zogen kleinere Fotodioden nach sich. Und die geringere Die-Kapazität bietet zudem eine verbesserte CMR-Performance.

Aufgrund der oben beschriebenen CMR-Verbesserungen an Optokopplern, dürften die Koppler mit den höchsten CMR-Werten in entsprechenden Applikationen keine Fehlfunktionen aufweisen. Damit wird das Boardlayout der nächste kritische Faktor hinsichtlich der Störunempfindlichkeit.

Fairchild Semiconductor, Tel. +44(0)1793 856856

*John Constantino ist Strategic Marketing Manager des Geschäftsbereichs xxx bei Fairchild Semiconductor in xxx.

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