Robuste digitale Isolierung erhöht die Sicherheit von Hochspannungsanwendungen

Überall dort, wo Stromkreise mit anderen Stromkreisen, Hardware und Infrastruktur oder menschlichen Benutzern interagieren können, besteht die Gefahr von schädlichen Überspannungen. Die physische oder elektronische Isolierung des Stroms von potenziellen Wechselwirkungspunkten, allgemein als galvanische Isolierung bekannt, ist für die Sicherheit und das weitere Funktionieren des Stromkreises unerlässlich. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Isolierung häufig unerwünschtes Rauschen im Ausgangssignal reduziert.

Isolationsanforderungen sind in der Robotik, bei Hochspannungsnetzgeräten, Fabrikausrüstung, Automobilanwendungen und Konsumgütern weit verbreitet. Anwendungsspezifika wie variable Eingangsspannungen, die Verwendung von Batteriestrom oder die Notwendigkeit eines kompakten Footprints sind weitere Anforderungen, die bei der Entwicklung eines isolierenden Systems berücksichtigt werden müssen.

Um die richtigen Isolationskomponenten auszuwählen, müssen Entwickler die Vor- und Nachteile sowie den Aufbau der verschiedenen Isolatorarchitekturen kennen. Mit diesem Wissen können sie die effektivsten, zuverlässigsten und platzsparendsten Isolatoren in ihre elektronischen Designs einbauen.

Identifizierung von Isolatoren

Galvanische Trennung kann auf verschiedene Weise erreicht werden, doch haben sie alle ein gemeinsames Grundprinzip: Ein Eingang mit höherer Spannung auf der Primärseite wird durch eine physische Barriere von der Sekundärseite mit niedriger Spannung und niedrigem Strom getrennt. Die Details der Barriere sowie die Methode zur Übertragung von Strom, Signalen oder beidem über die Barriere hängen vom Typ des Isolators ab.

Optokoppler verwenden LEDs, um das Signal auf der Primärseite von elektrischen Impulsen in Photonen umzuwandeln. Auf der Sekundärseite empfängt ein lichtempfindliches Bauteil wie ein Fototransistor, eine Fotodiode oder ein Foto-Feldeffekt-Transistor (FET) die Photonen und wandelt sie wieder in ein elektrisches Signal um. Neben der physischen Isolierung der Primär- und Sekundärkreise entfernen Optokoppler automatisch unerwünschte Störungen aus dem Ausgangssignal und verhindern Masseschleifen.

Bei Magnetkopplern erzeugt die Spannung an der Primärwicklung eines Transformators ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld induziert eine Spannung in einer Wicklung auf der Sekundärseite, wodurch ein elektrisches Signal übertragen wird, während die galvanische Trennung erhalten bleibt. Transformatoren können zwei getrennte Wicklungen auf einem einzigen Eisenkern haben oder aus zwei Induktoren bestehen, von denen jeder eine Wicklung um seinen eigenen Eisenkern hat, der durch ein dielektrisches Material getrennt ist. Entwickler entscheiden sich oft für die magnetische Kopplung aufgrund ihrer Hochspannungsfähigkeit, ihrer relativ kurzen Reaktionszeit und ihrer Fähigkeit, Signalstörungen herauszufiltern. Allerdings sollten auch die Größe des Isolators, die mögliche Wärmeentwicklung und die Erzeugung elektromagnetischer Störungen berücksichtigt werden.

Bei kapazitiven Kopplern werden Kondensatoren verwendet, d. h. Bauteile mit zwei durch ein Dielektrikum getrennten Elektroden. Durch die Eingangsspannung baut sich an der primärseitigen Elektrode eine Ladung auf. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das in der sekundärseitigen Elektrode eine Spannung induziert. Kapazitive Koppler sind bekannt für ihre geringe Größe, ihren niedrigen Stromverbrauch und ihre schnelle Reaktion auf Eingangsänderungen, wodurch sie bequem und effizient für die Übertragung elektrischer Signale über eine Isolationsbarriere eingesetzt werden können. Entwickler müssen allerdings Maßnahmen ergreifen, um kapazitive Koppler vor einer Eingangsspannung zu schützen, die ihre Fähigkeiten übersteigt, sowie vor Umgebungsfeuchtigkeit und dielektrischem Durchschlag.

Einsatz von digitalen Isolatoren

Jeder der oben genannten Isolatortypen kann in digitale Isolatorsysteme auf integrierten Schaltungen (ICs) eingebaut werden. Diese Topologien können mit Leistungsmodulen oder Signalübertragungskomponenten weiter integriert werden, um komplette digitale Isolationssysteme auf einzelnen Chips zu bilden. Zu den gebräuchlichen Topologien für digitale Isolatorsysteme gehören Flyback, Halbbrücke und Gegentakt.

Eine Flyback-Stromversorgung ist eine Form der magnetischen Isolierung, bei der ein Transformator durch die Kombination einer geteilten Induktivität mit einem Abwärts/Aufwärtswandler erzeugt wird, der die Spannung eines Gleichstromeingangs erhöhen oder verringern kann, um sie an den gewünschten Ausgang anzupassen. Die Rückkopplung zum Aufwärtswandler erfolgt über eine Tertiärdrossel oder einen Optokoppler. Flyback-Stromversorgungen werden für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch empfohlen, aber die Entwickler müssen sich des Potenzials für unerwünschte EMI bewusst sein.

Halbbrücken-Designs (H-Brücken) umfassen einen H-Brücken-Rechteckgenerator, einen Schwingkreis mit zwei Induktivitäten und einem Kondensator (LLC) sowie zwei Gleichrichter, die die gewünschte Ausgangsgleichspannung liefern. Die Gleichrichter ermöglichen eine höhere Ausgangsleistung als andere Designs, und H-Brücken-Isolationsdesigns werden für Anwendungen mit mittlerer Leistung empfohlen.

Isolierte Gegentakt-Netzteile verwenden zwei Transformatoren zur magnetischen Kopplung. Zwei Schalter leiten die Eingangsspannung abwechselnd an die beiden Transformatoren weiter. Zwei Vollbrücken-Gleichrichterdioden auf der Sekundärseite nehmen Spannungsänderungen vorweg und regeln sie zu einem symmetrischen Ausgang.

Für eine bessere Kontrolle können Entwickler einen Transformator-Treiber in eine Gegentaktkonfiguration einbauen. Der Treiber enthält einen Oszillator, einen Frequenzteiler und einen Logik-Controller, der das Öffnen und Schließen der Schalter in einem unterbrechenden Schalttyp (BBM) koordiniert. Dieses Muster erzeugt ein relativ konstantes Ausgangssignal und schützt gleichzeitig interne und nachgeschaltete Komponenten davor, durch das gleichzeitige Einschalten beider Schalter beschädigt zu werden.

Systeme mit Transformatorentreibern können den Ausgang auch mit linearen Spannungsreglern mit geringem Spannungseinbruch (LDOs) steuern, die die Funktion der Gleichrichterdioden ersetzen oder ergänzen. Die Einbruchsspannung (Dropout-Spannung) ist die Maximaldifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung, unterhalb derer der Schaltkreis den Ausgang nicht mehr angemessen regeln kann. Bei LDOs ist dieser Unterschied extrem gering, was einen zuverlässigen Betrieb über einen weiten Eingangsspannungsbereich gewährleistet.

Verwendung eines LDOs

Ein LDO enthält einen FET, einen Differenzverstärker und eine Bandlücken-Spannungsreferenz. Der Differenzverstärker vergleicht die Ausgangsspannung mit der Referenzspannung, und wenn die Differenz zwischen beiden zu groß ist, löst das Verstärkersignal den FET aus, um den Schaltungswiderstand anzupassen und die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Neben der Dropout-Spannung sollten bei der Auswahl eines LDO für eine digitale Isolationsanwendung mehrere andere Spezifikationen berücksichtigt werden, darunter Last- und Netzregelung, Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR), Ausgangsrauschen und Ruhestrom (I_Q). Bei der Lastregelung handelt es sich um die Fähigkeit eines LDO, mit Schwankungen des Eingangsstroms umzugehen und dabei eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, während die Netzregelung Schwankungen der Eingangsspannung betrifft. In vielen Spezifikationen wird auch der PSRR-Wert angegeben, der die Fähigkeit des Reglers misst, die Restwelligkeit eines gleichgerichteten Wechselstroms (AC) zu bewältigen.

Entwickler wollen auch sicherstellen, dass das Ausgangsrauschen so gering wie möglich gehalten wird. Ein niedriger I_Q, d. h. der Strom, der für den Betrieb der internen Schaltkreise des Reglers benötigt wird, vereinfacht das System und schont die Lebensdauer der Batterie in mobilen Anwendungen.

Ein Beispiel für einen LDO, der speziell für batteriebetriebene Systeme entwickelt wurde, ist der TPL8031Q-S von 3PEAK (Abbildung 1). Diese Regler erzeugen Festspannungsausgänge von 3,3 V oder 5 V mit einer Genauigkeit von ±2,5%. Sie bieten einen maximalen Spannungseinbruch von 720 mV für die 5V-Ausgangsversion und 900 mV für die 3,3V-Ausgangsversion.

Abbildung 1: Lineare Spannungsregler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDOs) liefern zuverlässige Ausgangsspannungen für digital isolierte Systeme wie elektronische Steuergeräte in Kraftfahrzeugen. (Bildquelle: 3PEAK)

Die Regler TPL8031Q-S tolerieren Eingangsspannungen zwischen 3 V und 42 V mit Transienten von bis zu 45 V und können einen Strom von bis zu 300 mA abgeben. Gleichzeitig verbrauchen sie wenig Strom, mit einem typischen I_Q von 3 µA. Interne Strombegrenzungen schützen die Regler vor Fehlerzuständen, wie z. B. einem Masseschluss, indem sie die Spannungsregelung unterbrechen. Darüber hinaus schaltet der Übertemperaturschutz den Regler ab, wenn seine interne Temperatur einen Schwellenwert für die thermische Abschaltung (TSD) erreicht, und ermöglicht die Wiederaufnahme des Betriebs, sobald er sich ausreichend abgekühlt hat.

Die Zuverlässigkeit, der niedrige Stromverbrauch und die Hochspannungsfähigkeit machen die Spannungsregler TPL8031Q-S zu guten LDO-Kandidaten für viele platzbeschränkte Automobilanwendungen, die auf Batteriestrom angewiesen sind. Dazu gehören elektronische Steuergeräte (ECUs), Domänen- und Karosseriesteuermodule, Mikrocontroller und Transceiver, Innen- und Außenbeleuchtung, Infotainmentsysteme, Kombiinstrumente und andere Teilsysteme, die von der Fahrzeugbatterie gespeist werden oder mit ihr verbunden sind.

Fazit

Automobilanwendungen sind ein Beispiel für Systeme, die eine robuste digitale Isolierung benötigen, um empfindliche Elektronik vor Überspannungen zu schützen und um sicherzustellen, dass Bediener, Fahrgäste und andere Personen, die mit den Systemen in Kontakt kommen, vor gefährlichen Spannungen sicher sind. Es gibt viele Varianten der Leistungs- und Signaltrennung, mit denen dies erreicht werden kann, und LDOs sind eine wichtige Komponente sorgfältig entwickelter digitaler Isolationssysteme.