Embedded-Systeme & Mikrocontroller Optimal isolieren

Um physikalische Werte mit Sensoren zu erfassen und diese über größere Distanzen zu übertragen, werden auch heute noch Signalwandler mit einer Stromschleife von 4 bis 20 mA zur Signalübertragung eingesetzt. Meist handelt es sich dabei um Temperaturen oder Drücke. Wenn eine galvanische Trennung zwischen Signalerfassung und Übertragungsweg erforderlich war, gab es bisher keine andere Alternative für den Entwickler, als eine 4-Draht-Lösung zu realisieren. Zwei Adern für die Signalübertragung und zwei Adern für die Energieversorgung. Warum? Ganz einfach: Bisher verfügbare Bauteile zur galvanischen Isolation, wie Optokoppler oder digitale Isolatoren, die im Vergleich zu Optokopplern bereits stromsparender sind, benötigen immer noch viel zu viel Energie.

Ein erster Schritt

Die Bauteile, um Signale aufzubereiten und zu übertragen, sind mittlerweile im Stromverbrauch so optimiert, dass sich Signalwandler als 4-bis-20-mA-Stromschleifengespeiste 2-Draht-Lösungen realisieren lassen – sich also mit deutlich weniger als 4 mA betreiben lassen. Um zusätzliche Informationen über den Sensor über die Stromschleife übertragen zu können, hat sich in den letzten Jahren immer mehr HART als zusätzlicher überlagerter digitaler Kommunikationsstandard in diesem Umfeld etabliert.

Damit man solche Signalwandler kostengünstig, kompakt und energieeffizient realisieren kann, und zwar ohne dabei Kompromisse bei der Qualität der Signalaufbereitung eingehen zu müssen, hat Analog Devices in den vergangenen Jahren mehrere Bauteile auf den Markt gebracht. Eine Kombination aus nur drei Bauteilen ermöglicht es heute dem Ingenieur, solche Lösungen einfach zu realisieren. Dabei handelt es sich um den Baustein ADuCM360 für die Signal-
erfassung und Aufbereitung, mit zwei hochauflösenden 24-Bit-A/D-Wandlern und einem ARM-Cortex-M3-Kern. Für die Signalübertragung über die 4-bis-20-mA-Schnittstelle wurde als optimale Lösung der 16-Bit-D/A-Wandler AD5421 mit integrierter Stromregelschleife ausgewählt. Er bietet die Möglichkeit, ein HART-Signal auf den eingeprägten Strom zu modulieren. Dieses wird ihm von dem Baustein AD5700, einem voll-integrierten HART-Modem, als 3. Baustein in der Kombination zur Verfügung gestellt. Weitere Details und Informationen sind dazu der Circuit Note CN0267 [1] nachzulesen. Ebenso gibt es für ähnliche, aber etwas einfacheren und kostengünstigeren Lösungsansätze, die Circuit Notes CN0300 [2] und CN0319 [3]. Hierbei wird die Regelung der Stromschleife jeweils nur durch integrierte Funktionen auf dem Baustein ADuCM360 und einem zusätzlichen Transistor statt dem Bauteil AD5421 realisiert.

Mit diesen Bauteilen gingen für Entwickler lang gehegte Wünsche hinsichtlich kompakter Bauweise, geringer Stromaufnahme und niedriger Kosten in Erfüllung, ohne Kompromisse beim Design von Signalwandlern in der Qualität eingehen zu müssen.

Ein Wunsch der Entwickler konnte bisher aber nicht erfüllt werden: Einen solchen Zwei-Draht-Stromschleifengespeisten 4-bis-20-mA-Signalwandler mit einer kostengünstigen, einfach anwendbaren und absolut stromsparenden galvanischen Isolation zu versehen.

Die Anforderungen an die galvanische Isolation in diesem Umfeld sind mit Übertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von bis zu circa 100 kBit/s bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V eigentlich recht einfach. Bisherige Ansätze (Optokoppler und die moderneren digitalen Isolatoren) benötigen jedoch einfach zu viel Strom.

Je nach Isolationstyp und Übertragungsverfahren werden die entsprechend in Tabelle 1 aufgeführten Versorgungsströme benötigt. Die Optokoppler benötigen den meisten Strom dann, wenn die LED im Eingang eingeschaltet werden muss. Auch manche digitale Isolatoren arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip und schalten eine Modulationsquelle entsprechend dem zu übertragenden Datenstrom einfach nur ein oder aus.

Andere Herangehensweise

Bei seinen induktiv gekoppelten digitalen Isolatoren hat Analog Devices dies von Anfang an anders realisiert. Wie aus Abbildung 1 zu erkennen ist, ist nur sehr kurzzeitig Energie nötig, um Zustandsänderungen an den Eingängen zu erkennen und diese über die integrierten Mikro-
transformatoren als Pulse zu übertragen. Zwei Pulse, jeweils nur circa 1 ns lang, für eine steigende Flanke und nur ein Puls bei einer fallenden Flanke. Um aber auch beim Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannungen auf beiden Seiten der Isolation die aktuell anliegenden Zustände beziehungsweise beim Ausschalten der Versorgung auf der Eingangsseite einen sicheren Zustand auf der Ausgangsseite zu gewährleisten, wurden bei den iCoupler-Bauteilen des Herstellers einfach zusätzliche Funktionen dafür integriert. Da diese rein auf CMOS-Schaltkreisen basieren, war dies einfach möglich.

Diese zusätzlichen Funktionen erlauben eine regelmäßige Auffrischung des Eingangszustandes auf der Ausgangsseite. Bleibt dieser Auffrischimpuls aus, so wird der Ausgang in einen sicheren Zustand überführt. Da man bei der Entwicklung der ersten digitalen Isolatoren auf Kundenwunsch den Schwerpunkt mehr auf die maximal erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit legte, wurde die Rate, mit dem dieser Auffrischimpuls übertragen wird, auf 1 MHz festgelegt. Dies bedeutet aber, dass quasi kontinuierlich mit 1 MHz Daten von der Eingangs- zur Ausgangsseite übertragen werden. Dies ist schon eine Größenordnung höher als die Anforderung der Übertragungsrate, die für unsere Anwendung notwendig ist. Messungen zeigen, dass sich bei Übertragungsraten kleiner 1 MHz die Stromaufnahme nicht weiter reduziert.

Leistungsaufnahme verringern

Um also die Leistungsaufnahme der iCoupler-Bausteine zu reduzieren – damit sie für eine 4-bis-20-mA-Stromschleife als Isolatoren geeignet sind –, gibt es folgende Möglichkeiten: Die Rate für den Auffrischimpuls deutlich reduzieren, oder gar komplett abschalten – dies ist aber nicht immer für alle Anwendungen machbar.

Ein erster Ansatz für die Anwendung wurde mit einem Test des einkanaligen Bauteils ADuM1100 realisiert. Statt das Bauteil an die Versorgung anzuschließen, wurde die Eingangsdatenleitung zur Versorgung der Eingangsseite des Bauteils genutzt. Die Ergebnisse sind in einer Anwendernotiz [4] festgehalten und wurden auch von Kunden für galvanische Isolationen, bei denen es auf die Stromaufnahme ankommt, eingesetzt. Der Nachteil dieser Lösung war der Platzbedarf, da man für jeden Kanal ein eigenes Bauteil einsetzen musste.

Was also fehlte war, die gewonnenen Erkenntnisse in die Entwicklung eines optimierten Bauteils zur galvanischen Isolation für minimale Stromaufnahme einzubringen und dies zu realisieren. Bei den Bauteilen ADuM144x und ADuM124x wurden, neben Optimierungen in der Stromaufnahme, die Rate für den Auffrischimpuls auf 17 kHz reduziert und zusätzlich die Möglichkeit implementiert, diesen komplett abzuschalten. Damit reduzierte sich die Stromaufnahme dieser Bauteile so drastisch, dass damit erstmals ein kompakter Zwei-Draht-4-bis-20-mA-Stromschleifengespeister Signalwandler mit HART-Kommunikation in minimaler Baugröße mit galvanischer Isolation zwischen Signalerfassung und Kommunikationsschnittstelle realisiert werden konnte.

Abbildung 1 veranschaulicht den Unterschied in der Stromaufnahme zwischen den bisherigen digitalen Isolatoren von Analog Devices und den neuen stromsparenden Typen in beiden Betriebsarten – mit und ohne Auffrischimpuls (Refresh).

Literatur

[1] CN0267: Complete 4 mA to 20 mA Loop Powered Field Instrument with HART Interface, http://www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0267/vc.htm

[2] CN0300: 12-Bit, 4-20mA Loop-Powered Thermocouple Measurement System Using ARM Cortex-M3, http://www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0300/vc.html

[3] CN0319: 14-Bit, 4-20 mA, Loop Powered, Thermocouple Temperature Measurement System Using ARM Cortex-M3, http://www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0319/vc.html

[4] NAppkin Note: Ultralow Power Isolation Using ADuM1100, http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/NAppkin_Note_Ultralow_Power_Isolation_Using_ADuM1100.pdf