Schaltungsisolation verbessert intelligente Automatisierungstechnik

Der Bedarf an verbesserten Isolationstechnologien

Ebenso wie bei allen anderen elektronischen Bauelementen besteht auch bei den isolierenden Elementen die Forderung nach kleineren Abmessungen in Verbindung mit gleicher oder sogar besserer Leistungsfähigkeit. Besonders drängend sind diese Forderungen in der Fabrikautomation, wo Regelungen für Temperatur, Feuchte, Vibrationen, Chemikalien auf platzsparende Sensoren umgestellt werden. Auch SPS bedingen eine Verkleinerung, um mehr Kommunikationskanäle zu unterstützen, damit Hersteller im gleichen Gehäuse mehr Funktionen unterbringen können.

Neue Highspeed-Kommunikationstechniken in SPS-Backplanes verlangen darüber hinaus eine reduzierte Signallatenz, um mehr Bandbreite für die Steuerung von zusätzlichen Systemen zu haben. Was die Stromversorgung betrifft, benötigen neue Transistortechnologien auf Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) höheren Isolationsspannungen und sind für höhere Frequenzen ausgelegt, damit die Energieeffizienz gesteigert werden kann.

Isolatoren waren traditionell recht sperrige Bauteile mit einer eher schleppenden Reaktionsgeschwindigkeit. Sie basierten auf einer Technologie, die die Integration erschwerte, und wurden deshalb meist als diskrete Bauelemente implementiert, die außerhalb der Chips, die den Großteil der Schaltungen in sich vereinten, viel Leiterplattenfläche beanspruchten.

Hauptziele, die mit der Entwicklung der Isolationstechnologie heute verfolgt werden, ist eine effektivere Skalierung isolierender Bauelemente und ihre Integration in die Chipgehäuse, während gleichzeitig die Bandbreite vergrößert und die Latenz reduziert wird. Das birgt insbesondere deshalb große Herausforderungen, weil sich die Eigenschaften der Bauelemente nur sehr schwer verbessern lassen. Ihre Integration in die IC-Gehäuse bringt zudem wieder die gleichen Interferenzprobleme zwischen Stromversorgung und Signalen mit sich, die man mit den Isolations-Bauelementen eigentlich beseitigen wollte.

Test der Isolationsbausteine

Industrielle Anwendungen verlangen außerdem eine hohe Zuverlässigkeit. Isolationsbausteine werden deshalb strengen Tests unterzogen, um die Spezifikationen zu erfüllen, die in den Industrienormen festgelegt sind. Wichtige Kriterien sind beispielsweise die maximale Spitzenspannung, die maximal zulässige Höhe von Transienten und Überspannungen und die Arbeitsspannungen über die Zeit. Sehr wichtig ist auch die Gleichtakt-Störfestigkeit (CMTI).

Auch die Entfernungen zwischen den Anschlüssen des Bausteins durch die Luft und entlang des Gehäuses (Luft- und Kriechstrecken) müssen gemessen werden. Ebenso ist die Durchschlagsfestigkeit des Gehäuses anzugeben. Viele dieser Parameter werden durch direkte Messung bestimmt, während andere in beschleunigten Belastungsprüfungen ermittelt werden, die das Verhalten des Isolators im praktischen Einsatz über mehrere Jahre extrapolieren. Schließlich ist der Schutz des Systems sowohl kurz- als auch langfristig wichtig.

Eine Isolation, die hinreichenden Schutz für den Betrieb bietet, wird als Basisisolation oder funktionale Isolation bezeichnet. Industrienormen verlangen aus Sicherheitsgründen das Doppelte dieser Isolation, und Konstrukteure trugen dieser Anforderung häufig Rechnung, indem sie zwei Isolations-Bauteile in Serie anordneten. Die IC-Hersteller allerdings arbeiten inzwischen an der Einführung einer effektiveren Isolation, die einerseits die Spezifikationen erfüllt und andererseits Platz spart, indem sie das Äquivalent der zwei- oder mehrfachen Basisisolation in einem einzigen Bauteil bereithält.

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