Schaltungsisolation verbessert intelligente Automatisierungstechnik

Die verstärkte Isolation verlangt Verbesserungen im Design und im Gehäuse sowie einem Dielektrikum mit höherer Spannungsfestigkeit. Das Dielektrikum ist das isolierende Material zwischen den beiden Seiten eines Übertragers, eines Kondensators oder eines anderen isolierenden Bauteils. Es ist ein glücklicher Umstand, dass das Siliziumdioxid (SiO₂), das als isolierende Schicht innerhalb von ICs verwendet wird, ein hervorragendes Dielektrikum ist und sich bestens für die chipinterne Isolation eignet.

Integration kondensatorbasierter Isolation

Alle Isolationsbauteile haben mit parasitären Kapazitäten zu tun, also mit der Potenzialdifferenz zwischen zwei leitenden Flächen, wenn eine Seite unter Spannung gesetzt wird. Werden allerdings Kondensatoren als Isolationsbauteile eingesetzt, macht man sich die Eigenschaft, die bei anderen Isolationstechniken ein Problem darstellt, zunutze. Die Technologie zur Integration von Kondensatoren (mit SiO₂ als Dielektrikum) ist etabliert, auch wenn neue Anwendungen wie die Isolation stets neue Probleme für das Design und die Fertigung mit sich bringen.

Isolierende Kondensatoren lassen sich also zusammen mit elektronischen Schaltungen auf einem Chip integrieren. Die im Betrieb vorkommenden Frequenzen erfordern aber dennoch eine räumliche Trennung zwischen Hoch- und Niederfrequenz-Schaltungen, die nur durch die Verwendung separater Chips realisierbar ist. Bild 3 zeigt den Querschnitt durch einen Baustein, in dem Kondensatoren zur Signalisolation in einem Multi-Chip-Modul (MCM) verwendet werden.

Bild 4 ist ein Foto derselben Anordnung. Die Hochfrequenz-Schaltungen sind in dem einen Chip zusammengefasst, die Niederfrequenz-Schaltungen in dem anderen. Bonddrähte zwischen beiden Chips sind mit den kapazitiven Pads verbunden, die die ankommenden Signale galvanisch isolieren, bevor sie an die internen Schaltungen weitergeleitet werden. Wie in Bild 3 erkennbar ist, wird der Kondensator durch die Bondfläche und eine Platte gebildet, die sich auf einer tieferen Schicht des IC befindet.

Kürzlich eingeführte IC-Lösungen nutzen diese Technologie zur Realisierung einer kondensatorbasierten verstärkten Isolation in einem MCM. Die mehrkanaligen Digitalisolatoren der Reihe ISO78xx bieten beispielsweise eine Isolation für Spitzenspannungen bis zu 8000 V und Übertragungsraten bis zu 100 MBit/s. Die Module sorgen nicht nur für eine verstärkte Isolation nach industriellen Spezifikationen, sondern leisten dies in einem platzsparenden MCM, das in SPS sowie einer Vielzahl weiterer Fabrikausrüstungen eingesetzt werden kann.

Schaltungsisolation lässt Fabriken zusammenrücken

Die Schaltungsisolation dient dem Schutz von Menschen und Anlagen und der Signalintegrität. Dieser seit langem bekannten Technologie wird seit einiger Zeit vermehrte Aufmerksamkeit geschenkt, denn die Fabrikautomation erfordert mehr Vernetzung, Kommunikation und Steuerung, um einen neuen Grad an Genauigkeit und Effizienz zu erreichen.

Intelligente SPS und Sensoren steigern derzeit den Bedarf an neuen Arten der Isolation, deren Vorteile nicht nur in allen Arten industrieller Anlagen zum Tragen kommen werden, sondern auch in Automotive- und Telekommunikations-Anwendungen, Büromaschinen und anderen Märkten. Neue integrierte Lösungen mit kondensatorbasierter verstärkter Isolationstechnologie belegen bereits ihren Nutzen in diesen Systemen, und für die Zukunft sind weitere Innovationen zu erwarten.

* * Mark Morgan ... ist CTO Advanced Development bei Texas Instruments in Dallas, USA. ... Giovanni Frattini ist Leiter im Kilby Labs Design Center von Texas Instruments in Mailand / Italien.

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