Die heutige Welt ist von digitaler Hochgeschwindigkeitselektronik umgeben, und da die Kommunikationsgeschwindigkeiten in hochempfindlichen Umgebungen immer schneller werden, ist es unerlässlich geworden, mithilfe effizienter Abschirmungsmethoden für Sicherheit und Zuverlässigkeit zu sorgen.
Hauptsächlich in den Bereichen Industrie, Medizin und Luft- und Raumfahrt benötigen immer mehr Anwendungen zusätzliche Schutzschichten. Die meisten abgeschirmten digitalen Anwendungen enthalten Störstrahlungsunterdrückung durch Entfernung der gemeinsamen Erdungen, Schutz vor gefährlichen Spannungen, und halten die Datenübertragung frei von Stoßspannung, die je nach Anwendung zu Datenverfälschung, Verbindungsverlusten und unsicheren und unvorhersehbaren Betriebsbedingungen führen kann.
Es ist kein Geheimnis, dass Abschirmung bei solcherlei Problemen hilfreich ist, und die neuen chipexternen keramischen digitalen Abschirmungen der Digi-Max-Produktreihe von onsemi bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Abschirmungsmethoden wie Geschwindigkeit, Stoßspannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und lebensdauerlange Leistung.
Hintergrundinformationen zu optischen und digitalen Abschirmungstechnologien
Abschirmung hat in den letzten 60 Jahren verschiedene Formen angenommen, angefangen mit der analogen, optikbasierten Abschirmung (die in der heutigen Industrie immer noch häufig anzutreffen ist) bis hin zur neueren digitalen Abschirmung mit Technologien wie CMOS und HF-Übertragung.
Im Allgemeinen ist digitale Abschirmung aufgrund der höheren Schaltleistung und der länger haltbaren internen Komponenten besser als optische Abschirmung. Optokoppler-LEDs sind meist die Schwachstelle, wenn es zu Ausfällen kommt, die auf langzeitige thermische Belastung, Anfälligkeit bei Übergangsspitzenstrom, Diodenstrombeschränkungen und die allgemeinen Lebensdauer von Komponenten zurückzuführen sind. Die digitale Abschirmung enthält in erster Linie eine magnetische und kapazitive Kopplung über eine interne Barriere zur Übertragung von Signalinformationen anstelle lichtempfindlicher Komponenten, obwohl manche digitale Abschirmungen auch einige optische Komponenten enthalten. Außerdem enthalten digitale Abschirmungen sechs Kanäle in einer einzigen Baugruppe, wodurch sie sich hervorragend für mehrkanalige Datenbusse eignen.
Allgemein lässt sich sagen, dass digitale Abschirmungen weniger Platz brauchen und in der Regel zu anderen integrierten Schaltkreisen gehören, die für sensitive oder wichtige Kommunikation vorgesehen sind. Auf diese Weise werden sowohl Platz als auch Kosten gespart. Galvanische Trennung bzw. Abschirmung wird als sicherste Form der Abschirmung betrachtet, da sie ohne elektrische Verbindung oder Kriechwege für die Übertragung von Informationen von einem Schaltkreis zu einem anderen sorgt.
Obwohl Optokoppler eine der häufigsten Formen der galvanischen Abschirmung und sicherer als viele digitale Abschirmungen mit Magnetismus sind, gehören sie zu den langsamsten und sperrigsten Abschirmungsarten und verbrauchen relativ viel Strom, wodurch sie keine ideale Lösung für Anwendungen mit zahlreichen Kanälen und Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind. Abbildung 1 zeigt eine optische Abschirmung im Vergleich zu einer digitalen Abschirmung.
Die meisten digitalen Abschirmungen bieten chipinterne kapazitive Technologie, die dünne Abschirmungsbarrieren und Materialien enthält, die anfällig für Beschädigung durch elektrische Überbeanspruchung und elektrostatische Entladung sind. Wenn eine digitale Abschirmung beschädigt wird, kann sie ihre Fähigkeit des Abschirmens zwischen zwei Leistungsebenen verlieren. Die digitalen Abschirmungen der Digi-Max-Produktreihe von ON Semi sind nicht nur galvanisch abgeschirmt und bieten die Sicherheit herkömmlicher optischer Abschirmungen, sondern funktionieren auch bei den hohen Geschwindigkeiten, die für die heutigen Kommunikationsanwendungen erforderlich sind. Außerdem bilden Digi-Max-Abschirmungen, wenn sie beschädigt werden, weiterhin intrinsisch eine sichere Abschirmungsbarriere, woraus höhere Sicherheit für Ausfallmodi und Betriebsbedingungen resultieren. Digi-Max-Abschirmungen nutzen eine patentierte galvanische chipexterne Kondensatorabschirmungstechnologie in Verbindung mit einem optimierten integrierten Schaltkreis, der ein hohes Maß an Abschirmung und Störsicherheit ermöglicht.
Der Digi-Max-Vorteil
Die NCID9XXX-Produktreihe der Digi-Max-Geräte verfügt über ein keramisches Substrat, das eine Abschirmungsstärke von über 0,5 mm erlaubt und für eine externe Kriechstrecke von 8 mm und Spielräume bemessen ist, die das gleiche Sicherheitniveau wie bei optischen Abschirmungstechnologien gewährleisten. Mit einer maximalen Arbeitsabschirmspannung von 2.000 V bietet Digi-Max einen länger anhaltenden Schutz im Vergleich zu einigen anderen digitalen Abschirmungen und der LED-Verschlechterung von Optokopplern. Mit einer maximalen Arbeitsabschirmspannung von 2.000 V bietet Digi-Max einen länger anhaltenden Schutz im Vergleich zu einigen anderen digitalen Abschirmungen und der LED-Verschlechterung von Optokopplern. Außerdem bieten die mehrkanaligen, bidirektionalen Geräte der Produktreihe NCID9xxx neben dem hohen Grad an Sicherheit und Zuverlässigkeit weitere nützliche Funktionen wie:
• Ausgangsaktivierung und Übertemperaturerkennung
• Erweiterte Temperaturbereiche (–40 bis 125 ˚C)
• Ein-Aus-Tasttechnik für Signalmodulation
• Qualifikation nach AEC-Q100 (anstehend)
• Behördliche Zulassung für UL1577 (5.000 Veff für 1 Minute)
• Gleichbleibende Leistung bei verschiedenen Temperaturen, über lange Zeit und zwischen Geräten
• Gleichtaktschwankungsimmunität (CMTI) von über 100 kV/µs
• Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung bis 50 Mbit/s
Abbildung 2 zeigt ein Einkanalversions-Blockdiagramm der internen Auslegung dieser Digi-Max-Abschirmungen.
Werfen wir kurz einen Blick auf die CMTI-Bemessung: Die Gleichtaktschwankungsimmunität (CMTI) ist als maximale Änderungsgeschwindigkeit zwischen Gleichtaktspannungspotenzialen, denen die Abschirmung widerstehen kann, definiert, oder als Fähigkeit, wie gut die Abschirmung schnelle und starke Spannungsstöße unterdrücken kann. Obwohl kapazitive Technologie direkten Strom blockiert, kann die Gleichtaktunterdrückung in der kapazitiven Abschirmung problematisch sein, da das Gleichtaktrauschen und das übertragene Signal den selben Weg haben. Patentierte Techniken, darunter Techniken, die auf der chipexternen Baugruppentechnologie basieren, ermöglichen eine herausragende Störsicherheit mit einer typischen CMTI-Leistung von 200 kV/us.
Obgleich die Geräte der Digi-Max-Produktreihe im Allgemeinen hochpreisig sind, kann sich die Zuverlässigkeit und Sicherheit, die aus der chipexternen kapazitiven Abschirmung resultiert, durchaus bezahlt machen. Abbildung 3 zeigt in einer Nahansicht, wie sich die chipexterne Kapazität des Digi-Max-Geräts von der chipinternen Kapazität unterscheidet.
Gängige Anwendungen für Abschirmung
Zu Anwendungen, die Abschirmung für Peripheriegeräte auf oder außerhalb der Platine erfordern, gehören Pulsbreitenmodulationssteuerung, industrielle Feldbuskommunikation, serielle Schnittstellen mit Mikroprozessorsystem wie SPI, Datenerfassung und Spannungspegelumsetzung. Eine der gängigsten Systemkonfigurationen zur Abschirmung zwischen einem SPI-Bus-Mastergerät und einem Slavegerät, wobei das Slavegerät eine eigene lokale Schaltung hat und extern als Peripheriegerät fungiert.
Abbildung 4 zeigt eine typische Auslegung, bei der eine Tochterkarte über eine SPI-Bus-Schnittstelle angeschlossen ist. Die zwei Karten verwenden unterschiedliche Stromversorgungen, wobei es wichtig ist, die SPI-Signale und von der Tochterkarte erzeugtes Grundrauschen abzuschirmen.
Ein weiteres Beispiel für eine erforderliche Abschirmung sind außerhalb der Platine befindliche Peripheriegeräte mit empfindlichen digitalen Signalen, die für schnelles Auslösen verwendet werden. Abbildung 5 zeigt eine Bildgebungsanwendung, in welcher ein feldprogrammierbares Gate-Array viele schnellauslösende Signale hat und mit externen Komponenten wie Lasergeräten und Kameras (ein-/ausschaltbare Beleuchtung für ein Lasergerät oder ein-/ausschaltbare Belichtung für eine Kamera) verdrahtet ist. Diese Geräte haben eigene Stromversorgungsquellen, die vom Verarbeitungskern abgeschirmt bleiben müssen, damit Rauschen oder Spannungsstöße verhindert werden. Aus diesem Grunde muss das Auslösesignal auf jeder Seite abgeschirmt werden.
Schlussfolgerung
Während es viele andere Anwendungen für Abschirmung gibt, hat jede Methode ihre Vor- und Nachteile. Während optische Abschirmung im Allgemeinen am preiswertesten ist, hat Sie den Nachteil, relativ langsam zu sein und Probleme zu verursachen, die aus nachlassender Leistung, geringer Temperaturfestigkeit und kurzer Haltbarkeit resultieren. Chipinterne kapazitive Abschirmung bietet eine höhere Geschwindigkeit und Leistung bei vertretbaren Kosten, kann aber nicht an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der chipexternen Abschirmung von Digi-Max-Produkten heranreichen.
Abschirmung gibt nicht nur ein hohes Maß an Sicherheit, sondern ist auch in vielen Fällen die letzte Verteidigungslinie zum Schutz empfindlicher Schaltungen und sensibler Daten. Die Geräte der Digi-Max-Produktreihe von onsemi haben unter Beweis gestellt, dass dieses höhere Maß an Zuverlässigkeit und Sicherheit erreicht werden kann, ohne an Geschwindigkeit oder Leistung zu verlieren. Die hohe Zuverlässigkeit der Digi-Max-Produkte von onsemi eröffnet Entwicklern eine neue Möglichkeit, mit herkömmlichen Optokopplern auf digitale Abschirmungstechnologie umzustellen, ohne Abstriche an der Schutzwirkung der Abschirmung zu machen.
(Hinweis: Der CMTI-Vergleich wurde mit SiLabs Si860x- und TI ISO72x-Geräten durchgeführt)