Verwendung integrierter digitaler Isolatoren zum Schutz industrieller Kommunikationsnetze

Eine zuverlässige industrielle Kommunikation ist entscheidend für einen reibungslosen Anlagenbetrieb und die effektive Anwendung der Prinzipien des industriellen Internets der Dinge (IIoT). Ein Großteil dieser Kommunikation findet über lokale Netzwerke statt, die in der Lage sind, Multidrop-Kommunikationsverbindungen und Langstrecken-Datenübertragungen durchzuführen. Diese nutzen bewährte Technologien wie eine RS-422/RS-485-Schnittstelle, die übergeordnete Protokolle wie Profibus, Interbus oder Modbus unterstützt. Dennoch sind diese Netzwerke anfällig für Störungen.

Beispielsweise kann eine elektrostatische Entladung (ESD) in einem Schaltschrank, der an ein Industrienetzwerk angeschlossen ist, die Gleichtaktspannung des Systems auf über 20 Volt ansteigen lassen, was weit über der im RS-422/RS-485-Standard festgelegten maximalen Betriebsspannung von 12 Volt liegt. Sogar ein besonders robuster RS-422/RS-485-Transceiver wird wahrscheinlich korrupte Daten erzeugen - oder ganz ausfallen -, wenn er einer Spannungsspitze dieser Größenordnung ausgesetzt wird. Durch die Isolierung empfindlicher Transceiver von Signal- und Netzspannungsspitzen können Ingenieure diese Risiken mindern. Herkömmliche Isolationstechniken, die Transformatoren oder Optokoppler verwenden, bringen jedoch ihre eigenen Kompromisse mit sich, einschließlich einer größer dimensionierten Lösung, höherer Kosten, Komplexität und Durchsatzbeschränkungen.

Ein neuer Ansatz zur digitalen Isolierung, der auf Transformatoren im Chip-Maßstab basiert, hat RS-422/RS-485-Transceiver ermöglicht, die sowohl isolierte DC/DC-Regler als auch einen Dreikanal-Signalisolator auf einem einzigen Chip integrieren. Diese Komponenten ermöglichen es Ingenieuren, kompaktere, einfachere und kostengünstigere digital isolierte industrielle Kommunikationssysteme zu bauen.

In diesem Artikel werden das Problem der Isolation und verschiedene Ansätze zu seiner Lösung erörtert. Anschließend werden Fortschritte bei Planartransformatoren beschrieben, die eine höhere Integration der digitalen Isolationstechnologie ermöglichen. Als praktisches Beispiel stellt der Artikel zwei hochintegrierte, isolierte RS-422/RS-485-Transceiverlösungen von Analog Devices und deren Anwendung vor.

Konventionelle Ansätze zur Leistungs- und Signalisolation

Die Leistungsisolation in konventionellen Systemen wird in der Regel mit einem Transformator erreicht (Abbildung 1), aber diese Technik hat einige Nachteile, darunter

• Ein Transformator ist in der Regel teurer und größer als die äquivalente Induktivität, die in einer nicht isolierten Stromversorgung verwendet wird, so dass isolierte Geräte weniger kompakt und teurer sind.
• Ein Transformator ist weniger effizient als eine Induktivität.
• Da die Isolationsbarriere verhindert, dass das Ausgangssignal des Netzteils direkt erfasst und streng kontrolliert wird, sind seine Regelung und sein Einschwingverhalten nicht so gut wie bei nicht isolierten Geräten.
• Kleinere, nicht isolierte DC/DC-Wandler können in der Nähe der Last platziert werden, um Übertragungsleitungseffekte zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
• Da es sich bei dem Transformator in der Regel um eine maßgefertigte Komponente handelt, liefern keine zwei Komponenten exakt die gleiche Leistung.

Abbildung 1: Eine isolierte DC/DC-Stromversorgung (unten) verwendet einen Transformator anstelle der Induktivität der nicht isolierten Version. Dies erhöht Größe und Kosten und senkt die Effizienz. (Bildquelle: DigiKey)

Die herkömmliche Methode zur Implementierung einer isolierten Signalbarriere ist die Verwendung eines Optokopplers. Die einfachste Art von Optokopplern besteht aus einer LED und einem Fototransistor, die in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht sind; es sind jedoch auch andere Versionen erhältlich. Die LED schaltet sich ein und aus, um digitale Informationen darzustellen, und der Fototransistor - ein lichtempfindlicher bipolarer Baustein - reagiert, indem er den Stromfluss zwischen seinem Emitter und Kollektor ändert.

Die Signalisolation mit Hilfe eines Optokopplers ist einfach und effektiv, hat aber einige Nachteile. Dazu gehören:

• Der Leistungsbedarf der LED ist relativ hoch, und die LED des Optokopplers muss immer dann leuchten, wenn das Eingangssignal einen High-Pegel führt. Das kann ineffizient sein.
• Optokoppler funktionieren oft ohne Vorwarnung nicht mehr, weil die LED ausfällt.
• Laufzeitverzögerungen begrenzen den Durchsatz.
• Da der Eingang und der Ausgang des Optokopplers nicht durch Logikgatter gesteuert werden, ist die Verbindung zwischen dem Baustein und dem Rest eines digitalen Systems komplexer.
• Es ist schwierig, mehrere Optokopplerkanäle in ein einziges Gehäuse zu integrieren.

Zusätzlich zu diesen Herausforderungen erfordert die konventionelle Isolierung separate Komponenten für die Leistungs- und Signalisolierung, da sich der sperrige Transformator nicht auf demselben Komponente wie der Optokoppler integrieren lässt.

Schrumpfende digitale Isolierung

Die digitale Isolierung bietet eine Lösung für die Herausforderungen, die eine konventionelle Isolierung mit sich bringt, indem keine teuren, sperrigen Transformatoren und Optokoppler mit begrenztem Durchsatz verwendet werden. Zusammen mit der Langlebigkeit und dem hohen Durchsatz bietet die Technologie einen geringeren Stromverbrauch und eine kompaktere Lösung.

Die digitale Isolierung neigt jedoch nach wie vor dazu, Kosten und Komplexität zu erhöhen, da die Komponenten relativ teuer sind und separate Komponenten für die isolierte Strom- und Signalfunktionalität (zusätzlich zu den Transceivern des Netzwerks) benötigt werden, um die Isolierungsstandards zu erfüllen.

Jüngste Fortschritte bei Technologie, Materialien und Miniaturisierung haben jedoch zu einem viel höheren Niveau der Integrations- und Isolationsleistung geführt, so dass die Notwendigkeit eines externen DC/DC-Isolationsblocks nun entfällt. Diese digitalen Isolationslösungen reduzieren die Kosten, die Komplexität und den Platzbedarf.

Beispiele für eine verbesserte digitale Isolationstechnologie sind die digitalen Signal- und Leistungsisolationstechnologien iCoupler und isoPower von Analog Devices. isoPower verwendet eine sekundärseitige Reglerarchitektur mit isolierter PWM-Rückkopplung (PWM: Pulsweitenmodulation). Der Strom wird einem Schwingkreis zugeführt, der den Strom in einen chipgroßen Planartransformator schaltet, der wiederum den Strom auf die Sekundärseite überträgt, wo er gleichgerichtet und auf 3,3 Volt geregelt wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: iCoupler und isoPower verwenden chipgroße Planartransformatoren, die den Bedarf an Off-Chip-Leistungs- und Signalisolationsblöcken eliminieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Eine Rückkopplungsschleife, die einen isolierten Datenkanal verwendet, moduliert den Oszillatorkreis, um die an die Sekundärseite gesendete Leistung zu steuern. Durch das Hinzufügen von Rückkopplung ist eine höhere Leistung möglich, und Effizienz und Regulierung werden deutlich verbessert. Der chipgroße Transformator bietet eine ausgezeichnete transiente Gleichtakt-Immunität von bis zu 100 Kilovolt/Mikrosekunde (kV/μs).

Der iCoupler verwendet ebenfalls Transformatorwicklungen in Chipgröße, um digitale Signale magnetisch zu koppeln. Diese Art der digitalen Isolierung reduziert den Stromverbrauch im Vergleich zu einem Optokoppler um eine Größenordnung. Die Technik basiert auf der Kodierung der steigenden und fallenden Flanken der Eingangssignale in doppelte oder einfache Stromimpulse, die die Primärwicklung antreiben. Dies wiederum erzeugt ein kleines, örtlich begrenztes Magnetfeld, das in der Sekundärwicklung Strom induziert. Die Stromimpulse haben eine Dauer von etwa 1 Nanosekunde (ns), so dass der durchschnittliche Strom bescheiden ist. Die Impulse werden auf der Sekundärseite wieder in steigende/fallende Flanken dekodiert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der iCoupler kodiert die steigenden und fallenden Flanken der Eingangssignale in Stromimpulse, um die Primärwicklung zu treiben und Strom in der Sekundärwicklung zu induzieren. Die Impulse werden dann wieder in steigende/fallende Flanken dekodiert. (Bildquelle: Analog Devices)

Isolierte industrielle Netzwerklösungen

Kommerzielle Transceiver mit integrierter iCoupler-Signalisolation und isoPower-Leistungsisolation auf einem einzigen Chip sind jetzt erhältlich. Die digital isolierten RS-422/RS-485-Transceiver ADM2682EBRIZ und ADM2687EBRIZ von Analog Devices bieten eine kompakte, einfache und kostengünstige digitale Isolationslösung mit geringem Stromverbrauch.

Der ADM2682EBRIZ bietet eine Datenrate von 16 Megabit pro Sekunde (Mbit/s), während der ADM2687EBRIZ 500 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) bewältigen kann. Die ADM2682E/ADM2687E von Analog Devices sind voll integrierte signal- und leistungsisolierte 5kV_eff-Daten-Transceiver mit ±15 kV ESD-Schutz und eignen sich für die Highspeed-Kommunikation über Multidrop-Übertragungsleitungen. Die Transceiver enthalten eine integrierte 5 kV_eff isolierte DC/DC-Stromversorgung, wodurch die Notwendigkeit eines externen DC/DC-Reglers entfällt.

In jedem Chip sind ein Drei-Kanal-Isolator, ein Drei-Zustands-Differentialleitungstreiber, ein Differenz-Eingangsempfänger und ein isolierter DC/DC-Wandler integriert (Abbildung 4). Der ADM2682EBRIZ und der ADM2687EBRIZ werden von einer 3,3-Volt- oder 5-Volt-Versorgung gespeist. Zu den Merkmalen gehören Strombegrenzung und thermische Abschaltung zum Schutz vor Ausgangskurzschlüssen und Situationen, in denen Buskonflikte eine übermäßige Verlustleistung verursachen können. Sie sind für den Betrieb über den industriellen Temperaturbereich von -40 ˚C bis +85 ˚C spezifiziert.

Abbildung 4: Die ADM2682EBRIZ- und ADM2687EBRIZ-Transceiver von Analog Devices integrieren einen Dreikanal-Isolator, einen Differenz-Leitungstreiber mit drei Zuständen, einen Differenz-Eingangsempfänger und einen isolierten DC/DC-Wandler in einem einzigen Gehäuse. (Bildquelle: Analog Devices)

Diese RS-422/RS-485-Transceiver sind gemäß UL1577, einer Spezifikation für optische, kapazitive und induktive Isolatoren, zertifiziert. Die Spezifikation erfordert Schutz und Isolierung gegen bis zu 5 kV für bis zu einer Minute und eine transiente Immunität von 25 kV pro Mikrosekunde (kV/μs) zwischen der Reglermasse und den RS-422/RS-485-Signalleitungen.

Handhabung der EMI von digitalen Isolationsbauteilen

Während die digitale Isolierung die konstruktiven Herausforderungen der konventionellen Isolierung angeht, führt sie jedoch auch eigene Herausforderungen ein: Die Verwendung von Oszillatorschaltungen und Stromimpulsen erhöht die Wahrscheinlichkeit elektromagnetischer Interferenz (EMI).

Die isolierte Stromversorgungstechnologie von Analog Devices verwendet beispielsweise Oszillatorschaltungen, die den Strom mit einer Frequenz zwischen 180 und 300 Megahertz (MHz) in den Transformator schalten. Die Gleichrichterschaltung auf der Sekundärseite verdoppelt diese Frequenz während der Gleichrichtung. Die resultierende Betriebsfrequenz ist drei Größenordnungen höher als die eines Standard-Gleichspannungswandlers, und Rauschen, das vom Gerät im Bereich von 30 MHz bis 1 Gigahertz (GHz) erzeugt wird, kann problematische EMI verursachen.

Es gibt zwei potentielle EMI-Quellen in vierschichtigen Leiterplatten mit RS-422/RS-485-Transceivern, die iCoupler und isoPower verwenden: Kantenemissionen und Eingang-zu-Ausgang-Dipolemissionen. Kantenemissionen werden dort erzeugt, wo Differenzrauschen vieler Quellen auf die Kante der Platine trifft und aus einem Schicht-zu-Schicht-Raum austritt, der als Wellenleiter fungiert. Eingang-zu-Ausgang-Dipol-Strahlung wird erzeugt, indem ein Strom über eine Lücke zwischen den Masseebenen getrieben wird - genau die Funktion einer isolierten Stromversorgung (Abbildung 5).

Abbildung 5: Eingang-zu-Ausgang-Dipol-Strahlung wird erzeugt, indem ein Strom über eine Lücke zwischen den Masseebenen getrieben wird. (Bildquelle: Analog Devices)

Entwickler können die folgenden Techniken einsetzen, um diese Emissionen zu reduzieren:

• Eingang-zu-Ausgang-Masseflächenstichkapazität
• Lastregelung
• Kantenschutz
• Kapazitive Überbrückung der Platinenschichten

Durch die Platzierung eines Stichkondensators in der Nähe des Signals über allen Spalten in der Massefläche der Leiterplatte eliminiert der Entwickler alle Differenzströme und -spannungen zwischen den leitenden Ebenen der Leiterplatte, die elektrisches Rauschen erzeugen könnten. Es gibt drei Techniken zur Bildung von Stichkapazitäten: Ein sicherheitsbewerteter Kondensator, der über der Barriere aufgebracht wird; eine potentialfreie Metallebene, die den Spalt zwischen den isolierten und nicht isolierten Seiten auf einer Innenschicht überspannt oder die Masse- und Versorgungsebenen auf einer Innenschicht in den Isolierspalt der Leiterplatte verlängert, um einen Kondensator zu bilden.

Der Entwickler kann das Auftreten von EMI reduzieren, indem er die isoPower-Komponente unter möglichst geringer Last betreibt. Leichte Lasten reduzieren die Einschaltzeit des Oszillators, was wiederum die Entwicklung von Rauschen durch die Komponente verringert.

Kantenschutz mit einer festen, leitfähigen Kantenbehandlung auf einer Leiterplatte ist möglich, aber teuer. Eine billigere Lösung, die sich gut für den Kantenschutz eignet, ist die Behandlung der Kanten der Platte mit einer Schutzringstruktur, die durch Durchkontaktierungen miteinander verbunden ist. Es gibt zwei Ziele bei der Schaffung von Kantenschutz. Das erste besteht darin, zylindrische Emissionen von Durchkontaktierungen zurück in den Zwischenschichtraum zu reflektieren, so dass sie nicht aus dem Rand austreten können. Das zweite ist die Abschirmung von Kantenströmen, die auf internen Schichten aufgrund von Rauschen oder großen Strömen fließen.

Die kapazitive Überbrückung zwischen den Schichten (Interplane Capacitive Bypass) ist eine Technik, mit der sowohl die leitungsgebundenen als auch die abgestrahlten Emissionen der Leiterplatte durch Verbesserung der Überbrückungsintegrität bei hohen Frequenzen reduziert werden sollen. Es kann durch die Verwendung einer dünnen Kernschicht für die Leistungs- und Masseebene implementiert werden. Diese eng gekoppelten Ebenen bieten eine Kapazitätsschicht zwischen den Ebenen, die alle auf der Platine montierten Bypass-Kondensatoren ergänzt.

Evaluierung isolierter industrieller Kommunikationssysteme

Analog Devices bietet Evaluierungsboards für die RS-422/RS-485-Transceiver ADM2682EBRIZ und ADM2687EBRIZ an. Insbesondere das Evaluierungsboard EVAL-ADM2682EEBZ für den ADM2682E und das Evaluierungsboard EVAL-ADM2687EEBZ für den ADM2687E.

Die Boards ermöglichen eine einfache Auswertung der signal- und leistungsisolierten RS-422/RS-485-Transceiver. Reihenklemmen bieten bequeme Anschlüsse für die Leistungs- und Signalanschlüsse, und die Evaluierungsboards lassen sich durch Drahtbrücken einfach konfigurieren.

Die Evaluierungsboards können in Halb- oder Vollduplex-Konfigurationen verwendet werden. Ein 120 Ohm (Ω) Abschlusswiderstand (R_T) ist an den Empfängereingängen angebracht. Treiber und Empfänger werden durch Drahtbrücken aktiviert und deaktiviert. An den Strom- und Signalleitungen auf beiden Seiten der Isolationsbarriere befinden sich Testpunkte. Die Verbindungen LK1 bis LK4 können umkonfiguriert werden, um Funktionen zu aktivieren/deaktivieren oder Ein- und Ausgänge von Testpunkten auf Reihenklemmen zu schalten. Wenn sowohl LK5 als auch LK6 überbrückt sind, ist das Board für Halbduplex-Betrieb konfiguriert, und wenn beide offen sind, ist die Karte für Vollduplex-Betrieb konfiguriert (Abbildung 6).

Abbildung 6: Grundlegende Betriebseinrichtung des Evaluierungsboards von Analog Devices zum Testen digital isolierter RS-422/RS-485-Transceiver. Die Verbindungen LK1 bis LK4 können umkonfiguriert werden, um Funktionen zu aktivieren/deaktivieren oder Ein- und Ausgänge von Testpunkten auf Reihenklemmen zu schalten. LK5 und LK6 bestimmen den Voll- oder Halbduplex-Betrieb. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Evaluierungsboards ermöglichen es dem Entwickler nicht nur, industrielle Kommunikationssysteme zu testen, die auf den RS-422/RS-485-Transceivern ADM2682EBRIZ und ADM2687EBRIZ basieren, sondern sie wurden auch nach den oben genannten Techniken entwickelt, um die EMI zu reduzieren, die von den Hochfrequenz-Schaltelementen erzeugt wird, die zur Übertragung von Signalen und Leistung durch die Transceiver verwendet werden.

Eine Vollduplex-Schaltungsimplementierung des ADM2682E/2587E ist in Abbildung 7 dargestellt. Bis zu 256 Transceiver können an den Bus angeschlossen werden. Die Platzierung von R_T hängt vom Standort des Knotens und der Netzwerkkonfiguration ab. Generell gilt: Um Reflexionen zu minimieren, schließen Sie die Leitung am empfangsseitigen Ende mit ihrer charakteristischen Impedanz ab und halten die Länge der Leitungen so kurz wie möglich.

Abbildung 7: An den RS-485/RS-422-Bus können bis zu 256 Transceiver angeschlossen werden. Entwickler müssen darauf achten, R_T auf der Empfangsseite zu platzieren. Dies wären im Halbduplex-Modus beide Enden (Vollduplex-Modus ist hier dargestellt). (Bildquelle: Analog Devices)

Bei Halbduplex-Betrieb müssen beide Enden der Leitung terminiert werden, da jedes Ende ein Empfangsende sein kann.

Fazit

Industrielle Kommunikationssysteme sind durch Signal- und Leistungsspannungsspitzen gefährdet. Ingenieure können diese Risiken mit Hilfe digitaler Isolationstechniken eliminieren, aber konventionelle Lösungen, die diskrete Isolationskomponenten enthalten, bringen Kosten, Komplexität und Platzprobleme mit sich.

Wie gezeigt, haben neue Ansätze, die den Stand der Technik bei Planartransformatoren vorantreiben, die Integration der digitalen Isolierung auf Transceivern, wie z.B. für RS-422/RS-485-Netzwerke, ermöglicht, wodurch die Kosten gesenkt und der Platzbedarf reduziert werden konnten.