Den Aufbau eines Isolators in Hinblick auf die Sicherheit abwägen

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Analog Devices

Die richtige Kombination auswählen

Digitalisolatoren bieten signifikante Vorteile gegenüber Optokopplern hinsichtlich Abmessungen, Geschwindigkeit, Leistungsaufnahme, Handhabbarkeit und Zuverlässigkeit. In der Klasse der Digitalisolatoren ergeben unterschiedliche Kombinationen aus Isolationsmaterial, Struktur und Datenübertragungsmethode unterschiedliche Produkttypen, von denen sich manche für eine bestimmte Anwendung besser eignen als andere. Wie oben erwähnt bieten Polymer-basierte Materialien die höchste Isolationsfestigkeit. Dieses Material kann in fast allen Anwendungen eingesetzt werden. Die Anwendungen mit den höchsten Anforderungen – zum Beispiel Gesundheitswesen und Industriegeräte – profitieren jedoch am meisten von diesen Materialien.

Um die höchst mögliche Isolationsfestigkeit zu erreichen kann die Dicke der Polyimid-Schicht über das für Kondensatoren sinnvolle Maß erhöht werden. Daher kann die Kondensator-basierte Isolation am besten zum Schutz bzw. zur Sicherheit in Verbindung mit Gerätefunktionen verwendet werden, wenn keine Sicherheitsisolation verlangt wird. Andernfalls kann die Transformator-basierte Isolation am sinnvollsten sein. Speziell in Kombination mit einer differenziellen Datenübertragungsmethode, welche die Vorteile der differenziellen Eigenschaften von Transformatoren nutzt.

Timing, Leistungsaufnahme und Isolation

Während jeder Entwickler den Isolator wählt, welcher den für seine Anwendung besten Kompromiss an Eigenschaften bietet, sind drei Parameter besonders wichtig: Timing, Leistungsaufnahme und Isolation. Zur Beurteilung verschiedener Technologien sollte die Grafik in Bild 3 beachtet werden. Die Grafik nutzt eine Kenngröße, basierend auf dem Timing, dividiert durch Isolationsfestigkeit, aufgetragen über der Leistungsaufnahme.

In diesem Fall entschied man sich für die Nutzung des verkraftbaren Überspannungspegels (ein Hochvoltimpuls mit einer Anstiegszeit von 2 μs und einer Abfallzeit von 50 μs, verwendet für eine verstärkte Isolation), um die Isolationsfestigkeit zu messen. Die Leistungsaufnahme ist die maximale Leistung in mW pro Kanal bei einer Datenrate von 1 MBit/s. Als Datenrate wurde 1 MBit/s gewählt, da die meisten leistungskritischen Anwendungen mit moderaten Datenraten arbeiten. Beim Timing wurde die gesamte Timing-Verzögerung betrachtet, die bei einem Signal, das die Isolationsstrecke durchläuft, auftritt. Daher beinhaltet dies nicht nur die Laufzeitverzögerung sondern auch den Jitter sowie die Ausgangs-Anstiegs- und Abfallzeiten.

Aus dieser Darstellung ist eine Leistungsgrenze für Digitalisolatoren ersichtlich. Optokoppler befinden sich weit hinter dieser Grenze. Zwar sind Optokoppler aufgrund kürzlich vollzogener Verbesserungen näher an die Leistungsgrenze heran gerückt, liegen aber dennoch weit hinter Digitalisolatoren. Ersichtlich ist auch, dass verschiedene Technologien ebenfalls verschiedene Positionen entlang der Leistungsgrenze besetzen. Transformator/Polyimid-basierte Digitalisolatoren mit Impulsverschlüsselungsmethoden zeigen eine wesentlich geringere Leistungseffizienz. On/Off-Konzepte hingegen repräsentieren wesentlich bessere Timing-Eigenschaften.

Verborgen in dieser Grafik sind Details, wie sich verschiedene Hersteller von Digitalisolatoren mit jeder neuen Generation entlang dieser Grenze bewegt haben. Bei seiner zweiten Generation ist es Analog Devices gelungen sich entlang der Grenze zu bewegen. Dies geschah in einem Fall durch eine Reduzierung des Energieverbrauchs und in einem anderen Fall durch Verkürzung der gesamten Timing-Verzögerung.

Diese Änderungen erfolgten ohne Beeinträchtigung der Isolationsfestigkeit. Der Hersteller von Cap1 bewegte sich entlang der Grenze lediglich in eine Richtung. Dazu wurde die Isolationsfestigkeit erhöht. Allerdings erhöhte sich dabei die gesamte Timing-Verzögerung. Dafür ist die Tatsache verantwortlich, dass eine dickere SiO₂-Schicht zum Erreichen einer höheren Isolationsfestigkeit die zur Übertragung von Daten erforderliche Kopplung reduzierte. Dies wiederum senkt die Leistungsfähigkeit.

Flexibilität bei Funktion und Datenübertragung

Bei der Entwicklung seiner digitalen Isolationstechnologie hat Analog Devices die Unterschiede in den vier Elementen der Digitalisolation berücksichtigt. Der Fokus lag dabei auf Isolationsmaterial, Isolationselement und der Methode zur Übertragung von Daten über die Isolationsstrecke. Das Unternehmen entschied sich für die Core iCoupler-Technologie, die auf Polyimid-Isolation und Chip-Scale-Transformatorenbauformen basiert, da diese Kombination die höchste Flexibilität nicht nur zur Integration anderer Funktionen wie isolierter Leistungsübertragung bietet, sondern auch den Einsatz verschiedener Methoden zur Datenübertragung ermöglicht.

Die Impuls-basierte Methode, welche man seit fast 14 Jahren einsetzt, bietet auch weiterhin eine ausgezeichnete Leistungseffizienz sowie beeindruckende Timing-Merkmale. Allerdings lässt sie noch immer die Möglichkeit für den Einsatz anderer Methoden mit ihren eigenen Vorteilen offen. Dies kann alles ohne Beeinträchtigung der Isolationseigenschaften erfolgen, die von allem der Hauptgrund sind, weshalb Entwickler Isolatoren einsetzen.

* David Krakauer arbeitet als Product Line Manager in der iCoupler Digital Isolator Group bei Analog Devices in Wilmingtorn / USA.

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