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Meilensteine der Elektronik 15 Jahre galvanische Trennung mit iCoupler

| Redakteur: Richard Oed

Mit dem ADuM1100 wurde vor 15 Jahren das erste Bauelement der iCoupler-Familie von Analog Devices vorgestellt. Damit begann die Erfolgsgeschichte dieser digitalen Bauelemente zur galvanischen Trennung von Datenpfaden.

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Erstling: Der 2001 von Analog Devices vorgestellte ADuM1100 war das erste Bauelement einer großen und erfolgreichen Familie von ICs zur galvanischen Trennung von Datenpfaden.
Erstling: Der 2001 von Analog Devices vorgestellte ADuM1100 war das erste Bauelement einer großen und erfolgreichen Familie von ICs zur galvanischen Trennung von Datenpfaden.
(Bild: Analog Devices )

Viele Applikationen, wie beispielsweise die industrielle Prozesssteuerung, bestehen aus zwei oder mehr verteilten Systemen. Diese kommunizieren häufig mittels serieller oder paralleler Busse miteinander. Meist besitzt jedes der räumlich oft über größere Distanzen getrennten Teilsysteme eine eigene Stromversorgung. Um die Schaltungen nun gegen Transienten hoher Spannung zu schützen, die Signalverzerrung zu reduzieren, aber auch, um Masseschleifen aufzubrechen, ist in vielen Fällen eine galvanische Trennung der Datenpfade notwendig. Die Stromversorgungen können durch die Verwendung von DC-DC-Wandlern isoliert werden, für die Datenbusse müssen die Entwickler allerdings andere Wege gehen.

Mögliche Lösungen sind das Zwischenschalten von Transformatoren, Koppelkondensatoren oder Optokopplern. Besonders Letztere setzten sich in der Vergangenheit bei Kommunikationsschnittstellen wie RS-232, RS-485 oder CAN-Bussen durch. Einer ihrer wesentlichen Vorteile dabei ist, dass sie in der Lage sind, sowohl digitale als auch analoge Signale zu übertragen. Hinderlich für den Einsatz sind indes unter anderem eine relativ hohe Stromaufnahme und ein gewisser Verschleiß der internen Leuchtdiode über die Zeit.

Der iCoupler ersetzte den Optokoppler

Mit dem 2001 von Analog Devices vorgestellten ADuM1100 in iCoupler-Technologie konnten diese Nachteile mehr als ausgeglichen werden. Das Bauelement besaß die meisten Vorteile der Optokoppler, allerdings bei vergleichbaren Übertragungsraten, niedrigeren Kosten, geringerer Größe und wesentlich kleinerer Stromaufnahme. So besitzt der ADuM1100 einen Ruhestrom von 0,9 mA und nimmt nur 160 µA pro Mbps bei einer Übertragungsrate von maximal 100 Mbps auf. Gegenüber einem vergleichbaren Optokoppler bedeutete dies eine Reduktion um circa 90 Prozent, bei gleichzeitig höherer Leistung und Geschwindigkeit sowie einer verbesserten Zuverlässigkeit. Der Markt war begeistert und bereits im September 2013 wurde die Milliardenmarke bei der Anzahl der gelieferten Kanäle überschritten.

Technologisch wurden neue Wege beschritten

Bei der Entwicklung des Bauelementes wurden technologisch neue Wege beschritten. So sind die Bausteine der iCoupler-Familie in der Integrated Passive Devices- (IPD-) Technologie von Analog Devices aufgebaut. Diese erlaubt es, die CMOS-Schaltkreise für die Sende- und Empfangsseite zusammen mit einem monolithischen Luftkerntransformator in einem Gehäuse unterzubringen.

Dabei handelt es sich bei der Eingangs- und Ausgangsseite um jeweils getrennte Chips, um die notwendige Spannungsfestigkeit herzustellen. Der Transformator sitzt entweder auf einem der Beiden oder einzeln auf einem dritten Halbleiter und ist auf der Oberseite mit der Eingangsseite und auf der Unterseite mit der Ausgangsseite verbunden. Die Planartransformatoren sind aus CMOS-Metallschichten sowie zusätzlich einer Goldschicht oberhalb der Passivierung aufgebaut. Eine spezielle Polyimidschicht mit hoher Durchbruchspannung unterhalb der Goldschicht isoliert die obere Spule von der Unteren. Dieser Aufbau ist im Gegensatz zur LED eines Optokopplers weitgehend alterungsbeständig.

Der ADuM1100 war auch für Gleichspannung geeignet

Eine Besonderheit des ADuM1100 und seiner Varianten ist die patentierte Aktualisierungsfunktion, welche eine korrekte Gleichspannung auf der Ausgangsseite sicherstellt, auch wenn auf der Eingangsseite gerade kein Pegelwechsel stattfindet. Dazu besitzt der ADuM1100 auf der Empfangsseite eine eigene Logik, die jede Mikrosekunde einen Auffrischimpuls über den Transformator sendet, um den momentanen Pegel des Eingangs auf der Ausgangsseite aufrecht zu erhalten.

In Hinsicht auf die Spannungsfestigkeit besitzt der ADuM1100 die Anerkennung nach UL (Underwriters Laboratory), ebenso wie die Konformitätsbescheinigung nach VDE V 0884.

Die Technologie setzte sich durch

Alle genannten Vorteile und Eigenschaften wie Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung führten dazu, dass sich die iCoupler-Technologie von Analog Devices neben den klassischen Einsatzgebieten weitere Anwendungsgebiete eroberte. Heute findet man diese Bauelemente nicht nur in Schnittstellen zur Datenübertragung oder in der Prozesssteuerung, sondern auch in Solaranlagen, Hybridfahrzeugen, in der Medizintechnik oder in industriellen Motorsteuerungsanwendungen. Aufbauend auf dem ursprünglichen und noch immer lieferbaren ADuM1100 hat Analog Devices in den vergangenen 15 Jahren kontinuierlich weitere Innovationen eingeführt und zusätzliche Produktfamilien auf den Markt gebracht. Und für die Zukunft sind weitere Neuerungen für die iCoupler Familie mit zusätzlichen Funktionen geplant.

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