Analogtipp Wirksame Abhilfe bei ungleichen Massepotenzialen

Mit der zunehmenden Verbreitung modularer Niederspannungssysteme entsteht eine neue Herausforderung für die Integration: die nahtlose Kommunikation zwischen verschiedenen Spannungs- und Massebereichen. Spezielle „Massepegel“-Umsetzer helfen bei der Spannungsübersetzung von 1,71 bis 5,5 V zwischen Systemen mit unterschiedlichen Massepotenzialen.

Die reibungslose Kommunikation zwischen Subsystemen mit ungleichen Versorgungsspannungen und Massepotenzialen stellt eine wachsende Herausforderung dar. Selbst geringfügig differierende Massepotenziale können zu Problemen mit der Signalintegrität und zu Kommunikationsfehlern führen. Wie die Bilder 1 und 2 verdeutlichen, können statische Potenzialdifferenzen (DC) und Rauschen (AC) zu diesen Offsets führen.

Potenzialdifferenzen werden durch die Widerstände von langen Leiterbahnen oder Kabeln hervorgerufen. Zum Beispiel kann ein Subsystem über eine kurze und breite Leiterbahn mit der Hauptmasse verbunden sein, ein anderes dagegen über eine lange und schmale Leiterbahn mit entsprechend höherem Widerstand.

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AC-Störgrößen auf dem Massepotenzial kommen häufig vor, wenn ein System aus digitalen, analogen und Leistungsschaltungen besteht. Zu den möglichen Ursachen zählen hohe, sich schnell ändernde Rückströme von Schaltbausteinen, aber ebenso können steile Flanken digitaler Schaltungen Stromspitzen in die digitale Masse einbringen. Die Folge hiervon ist, dass das lokale Massepotenzial schwankt, wodurch die Kommunikation zwischen Subsystemen, die auf ein gemeinsames, einheitliches Massepotenzial angewiesen sind, gestört wird.

Abhilfe schaffen spezielle Massepegel-Umsetzer, die bei der Realisierung zuverlässiger, kompakter und skalierbarer System-Designs helfen. In der Vergangenheit setzte man hierfür auf galvanische Isolation oder diskrete Pegelumsetzer-Schaltungen, die jedoch mit Problemen behaftet sind (z. B. großer Platzbedarf, begrenzte Datenrate, mangelnde Zuverlässigkeit und eingeschränkte Skalierbarkeit).

Die Massepegel-Umsetzer von TI unterstützen die Pegelumsetzung von I/O-Spannungen von 1,71 bis 5,5 V und eignen sich für DC-Masseoffsets bis zu ±80 V sowie die Unterdrückung von AC-Störgrößen bis 140 V_pp bei 1 MHz. Ihr Platzbedarf ist gegenüber komplexeren Lösungen um den Faktor 7 geringer, die Kosten liegen bei der Hälfte. Der Massepegel-Umsetzer TXG8041 unterstützt Push-Pull-Ausgänge mit einer Signallaufzeit von unter 5 ns und einem Versatz von Kanal zu Kanal von 0,35 ns, sodass eine zügige Datenverarbeitung für die Echtzeit-Kommunikation zwischen Systemen mit bis zu 250 MBit/s möglich ist.

Der TXG8122 dagegen unterstützt Open-Drain-Konfigurationen wie I²C und nimmt gegenüber existierenden Lösungen nur halb so viel Strom auf, was die Batterielebensdauer verlängert und die thermische Auslegung vereinfacht. Attraktiv sind diese Pegelumsetzer nicht zuletzt wegen ihrer kompakten Gehäuse mit einem Flächenbedarf von 2,25 mm² und ihrer Skalierbarkeit, da mehrere Kanaltypen und Konfigurationen zur Auswahl stehen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für diese Bauelemente sind die bei Elektrofahrzeugen immer populärer werdenden 48-V-Architekturen. Nicht selten muss ein 48-V-Steuergerät mit einem 12-V-Sensor kommunizieren, auch wenn die Massepotenziale um mehrere Volt differieren. Hier bietet sich der TXG8041 an, der Masse-Offsets bis zu ±80 V unterstützt und mit seiner höheren Datenrate und seiner geringen Signallaufzeit eine schnellere SPI-Kommunikation ermöglicht. Der Platzbedarf beträgt 2,25 mm² für eine einkanalige und 4 mm² für eine vierkanalige Konfiguration.

Als weiteres Anwendungsfeld kommen batteriebetriebene Systeme wie E-Bikes oder Energiespeicher hinzu. Die Akkus sind hierbei mit Überwachungsbausteinen bestückt, die jeweils für einen Teil des Akkusatzes zuständig sind und deren Massepotenziale sich zwangsläufig unterscheiden. Hierfür bietet sich der TXG8122 an, er eignet sich für die I²C-Technik, die oftmals für die Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und Batterieüberwachungs-Bausteinen genutzt wird. Der TXG8122 zeichnet sich bei statischen Busbedingungen durch einen reduzierten Stromverbrauch aus. Er kommt mit seinem Footprint von 4 mm² der Miniaturisierung entgegen und ist flexibel in modulare Systeme integrierbar. (kr)

* Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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