Teollisuus- ja ajoneuvosovelluksissa siirtyminen kohti kestävämpiä energiaratkaisuja ja tehokkaampia moottoreita tuo mukanaan uudenlaisia vaatimuksia elektroniikkasuunnittelulle. Järjestelmät yhdistävät yhä useammin laajan kaistaeron komponentteihin perustuvat suurjännitealijärjestelmät ja herkät pienjännitepiirit, kuten mikro-ohjaimet. Näiden yhdistäminen samassa kokonaisuudessa lisää sekä suorituskykyä että riskejä – galvaaninen erotus ja häiriösuojaus ovatkin nyt tärkeämpiä kuin koskaan, sanoo Toshiba Electronics Europe.

Siirryttäessä kohti kestävämpiä energiaratkaisuja ja tehokkaampia moottoreita teollisuus- ja autoteollisuussovelluksissa, elektroniikkajärjestelmien suunnittelussa, jotka tukevat näitä kehityssuuntia, on havaittavissa kaksi selkeää trendiä. Toisella puolella ovat sähköntuotanto- ja jakelualijärjestelmät, jotka toimivat vähintään useiden satojen volttien jännitteillä ja siirtyvät kohti kilovolttiluokkaa. Toisella puolella taas ovat nopeat mikro-ohjainyksiköt (MCU:t), jotka mahdollistavat kehittyneiden algoritmien käytön järjestelmien suorituskyvyn optimoimiseksi. Ne perustuvat huipputason puolijohdeprosessoreihin, jotka toimivat lähes vain 1 voltin jännitteellä.

Useat trendit johtavat kohti korkeampia jännitteitä sähköntuotannon ja -jakelun piirialijärjestelmissä. Auto-, teollisuus- ja uusiutuvan energian sovelluksissa suunnittelijat pyrkivät yhä useammin hyödyntämään laajan kaistaeron transistori­teknologioita, kuten galliumnitridiä (GaN) ja piikarbidia (SiC), koska niillä on kyky toimia paitsi korkeammilla taajuuksilla, myös korkeammilla jännitteillä. Korkeataajuisella toiminnalla voidaan lisätä piirien tiheyttä, mutta sen saavuttaminen on ollut haastavaa perinteisillä standardeilla piiprosessiteknologioilla kytkentähäviöiden vuoksi. GaN- ja SiC-komponentit eivät kärsi samoista häviöistä.

Laajan kaistaeron teknologiat ovat myös kestävämpiä ja pystyvät käsittelemään korkeampia käyttöjännitteitä kuin monet piipohjaiset komponentit. Tämä mahdollistaa suuremman tehotiheyden saavuttamisen alhaisilla kustannuksilla. Tämän ansiosta voidaan toteuttaa pienempiä inverttereitä ja autoteollisuuden järjestelmissä latureita, jotka kykenevät siirtämään enemmän energiaa useiden akkukennojen välillä tukien pikalatausprotokollia.

Korkeataajuisessa toiminnassa käytetään ohjausalgoritmeja, jotka tuottavat pulssinleveysmodulaatiosignaaleja (PWM), ja jotka pystyvät reagoimaan nopeasti antureiden tuottamiin signaaleihin varmistaen, että tehotransistorien kytkentätoiminnot tapahtuvat oikea-aikaisesti ja synkronoidusti. Tähän liittyvä toinen trendi on kohti yhä kehittyneempiä ohjausalgoritmeja, joiden avulla moottorin ja invertterin suorituskykyä voidaan optimoida energiatehokkuuden parantamiseksi. Nämä kehityssuunnat edellyttävät edistyneempiä mikro-ohjaimia (MCU), jotka valmistetaan alle mikronin tai nanometriluokan valmistusteknologioilla ja toimivat alhaisilla käyttöjännitteillä – usein noin 1 voltin jännitteellä tai jopa sen alapuolella.

Pienjännitteiset komponentit ja niiden tukipiirit on suojattava ylijännitteiltä ja piikeiltä, joita voi syntyä suurjännitepuolelta. Jos järjestelmän eri osia ei ole eristetty toisistaan, sähköinen kohina ja jännitepiikit voivat kulkeutua suurjännitealijärjestelmästä pienjännitepiireihin. Suurjännite- ja suurvirtaelektroniikan sijoittaminen samalle piirilevylle tai samaan järjestelmään voi aiheuttaa monenlaisia ongelmia. Nämä voivat vaihdella hetkellisistä häiriöistä, kuten datan vioittumisesta aina vakaviin turvallisuusriskeihin ja pysyviin vaurioihin herkissä pienjännitekomponenteissa.

Suuret virtapiikit voivat vahingoittaa puolijohdekomponentteja ja aiheuttaa esimerkiksi lukkiutumisia (latchup), jotka voivat johtaa koko järjestelmän toimintahäiriöön. Komponenteissa, joita ei ole suunniteltu kestämään tällaisia rasituksia, syntyvä lämpö voi aiheuttaa ylikuumenemista ja jopa tulipaloja. Jännitepiikkien aiheuttama eristeiden läpilyönti voi puolestaan johtaa siihen, että normaalisti turvallisina pidetyt I/O-kaapelit alkavat kuljettaa vaarallisia jännite- ja virtatasoja, mikä voi aiheuttaa sähköiskuja käyttäjille ja huoltohenkilöstölle. Vaikka jännitetasot olisivat verrattain matalia, toistuva altistuminen sähköpiikeille voi heikentää järjestelmän luotettavuutta eristysmateriaalien vähittäisen vaurioitumisen seurauksena.

Sähköinen kohina voi myös aiheuttaa merkittäviä ongelmia. Tällainen häiriö vaikuttaa herkkiin sekasignaalikomponentteihin, kuten analogia-digitaalimuuntimiin (ADC), ja voi johtaa virheellisiin mittaustuloksiin. Voimakkaammat häiriöpulssit saattavat lisäksi kääntää bittejä muistista tai muista digitaalisista oheislaitteista isäntäprosessorille siirrettävässä datassa, mikä aiheuttaa virheitä tiedonsiirrossa ja järjestelmän toiminnassa.

Kuva 1: Eristyspaikat PLC-järjestelmässä

Suojattavien kohtien määrä kasvaa jatkuvasti. Alijärjestelmät tarvitsevat sisäisen I/O:n lisäksi yhä useammin myös verkkopohjaista viestintää keskenään, jotta järjestelmän tehokkuutta voidaan parantaa ja reagoida äkillisiin olosuhdemuutoksiin koordinoidusti. Tämä lisää tarvetta nopealle tiedonsiirrolle kaapeliverkkojen ja järjestelmän takatasojen (backplane) kautta. Monien teollisuusjärjestelmien sähköisesti vaativissa ympäristöissä nämä yhteydet täytyy suojata korkeajännitepiikkien ja muun sähkömagneettisen häiriön (EMI) aiheuttamilta vaurioilta.

Suojattavien kohtien määrä kasvaa jatkuvasti. Alijärjestelmät tarvitsevat sisäisten I/O-yhteyksien lisäksi usein myös verkon yli tapahtuvaa viestintää keskenään, jotta järjestelmän tehokkuutta voidaan parantaa ja reagoida äkillisiin olosuhdemuutoksiin entistä koordinoidummin. Tämä lisää nopeiden tiedonsiirtoyhteyksien tarvetta kaapeliverkoissa ja järjestelmän taustalevyissä (backplane). Monien teollisuusjärjestelmien vaativassa sähköympäristössä nämä yhteydet on lisäksi suojattava korkeajännitepiikeiltä ja muilta sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI).

Tyypillisen ohjelmoitavan logiikkaohjaimen (PLC) arkkitehtuuri toimii esimerkkinä monista erilaisista signaaleista, jotka vaativat suojausta. Monissa PLC-järjestelmissä toiminnallisuus on jaettu useisiin yhteistyössä toimiviin moduuleihin, jotka on kytketty toisiinsa yhteisen taustalevyn kautta. Tämä taustalevy tarjoaa yleensä pienjännitteisiä virtakiskoja, jotka toimivat jopa 24 voltin jännitteellä, sekä 5 voltin ohjaussignaaleja ohjausmoduuleille ja syöttöjä virtamoduulille.

Virtamoduuli on yleensä jaettu pienjännite- ja suurjänniteosiin. Suojausta tarvitaan PWM-signaalilinjoille, joita käytetään tehotransistorien kytkennän ohjaukseen. Välttääkseen oikosulkuja ja muita kytkentähäiriöitä, tarvitaan usein useita rinnakkaisia PWM-signaaleja, mikä kasvattaa ohjaussignaalien määrää. Kun eristyskomponentti tukee myös vastakkaissuuntaisia signaaleja, voidaan virhe- ja anturitiedot siirtää tehoasteelta ohjaimelle. Mahdolliset moottoriohjausmoduulit tarvitsevat vastaavanlaisen eristettyjen signaalipolkujen yhdistelmän.

PLC sisältää usein analogisia ja digitaalisia I/O-moduuleja ulkoisten anturisignaalien käsittelyyn. Näiden erilaisten signaalien suojaus on välttämätöntä, ja sen on lisäksi tuettava korkeita siirtonopeuksia mahdollisimman pienellä piirilevyalalla. Verkkoyhteyksien moduulit saattavat siirtää dataa jopa 100 Mb/s nopeudella, ja ne on suojattava sekä korkeajännitevaurioilta että sähköiseltä kohinalta.

Keskeinen tekijä ylijännitteiden leviämisen estämisessä jännitealueiden välillä on sähköinen erottaminen – eli galvaaninen erotus. Tämä tarkoittaa fyysistä katkosta sähköisessä yhteydessä suurjännite- ja pienjännitealueiden välillä. Tällainen katkos estää virran suoran siirtymisen puolelta toiselle.

Vuosien ajan optista erottamista on käytetty tarjoamaan tarvittava sähköinen erotus kahden alijärjestelmän välillä. Menetelmässä sähköinen signaali muunnetaan fotoneiksi valodiodin (LED) avulla. Valo kulkee ei-johtavan, läpinäkyvän esteen läpi vastaanottopuolen fotodetektorille. Optoerottimen keskeinen etu on sen korkea häiriönsietokyky (EMC), sillä fotonit eivät ole alttiita sähköisille häiriöille.

Kuva 2. Optoerotin.

Vaikka optoerottimia on saatavilla kompakteissa koteloissa, ratkaisun koko voi muodostua ongelmaksi, kun eristettäviä kanavia on useampia. Useiden kanavien integroiminen samaan koteloon ei ole helppoa ristikytkentähäiriöiden vuoksi, joten optoerottimet toimitetaan yleensä yksittäisinä komponentteina. Tämä aiheuttaa haasteita erityisesti rinnakkaisessa I/O-erotuksessa. Esimerkiksi SPI-väylän suojaaminen vaatii neljä erillistä optoerotinta.

Toinen optoerottimien haaste liittyy niiden rajalliseen tiedonsiirtonopeuteen, joka määräytyy LEDin ja fotodetektorin vasteaikojen mukaan. Käytännössä suurin mahdollinen digitaalinen kaistanleveys on noin 50 Mb/s. Myös pitkäaikaisluotettavuus on ongelma: LEDin valontuotto heikkenee ajan myötä, mikä voi vaikuttaa järjestelmän suorituskykyyn ja tarkkuuteen.

Kapasitiivinen erottaminen on teknologia, joka mahdollistaa integroitujen komponenttien käytön rinnakkaiseen I/O-erotukseen. Se soveltuu kuitenkin parhaiten tilanteisiin, joissa vaaditaan matalampi eristystaso. Tässä erottamismuodossa data siirretään hyödyntämällä kondensaattorin varaus- ja purkautumissyklejä. Tasavirta ei pääse kulkemaan, sillä kondensaattorirakenteiden välinen eristys estää sen. Vaikka tekniikkaa voivat rajoittaa varaus- ja purkautumisajat erityisesti suurilla kapasitansseilla, se tukee korkeita tiedonsiirtonopeuksia.

Kuva 3. Kapasitiivinen erottaminen.

Kapasitiivisen tekniikan kohdalla eristys rajoittuu yleensä niiden eristyskerrosten läpilyöntijännitteeseen, jotka sijaitsevat kapasitiivisten elementtien välillä. Pienikokoisissa komponenteissa tämä ei välttämättä riitä estämään suuria jännitepiikkejä, joita voi esiintyä esimerkiksi järjestelmissä, joissa syöttöjännite on 500 V tai enemmän.

Galvaaninen erotus hyödyntää yhtä varhaisimmista tunnetuista sähköisen kytkennän muodoista. 1800-luvun alussa fyysikot havaitsivat, että kun sähkövirta kulkee käämin läpi, se vaikuttaa toiseen, viereiseen käämiin – vaikka käämit eivät olisi sähköisesti kytketty toisiinsa. Primäärikäämissä kulkeva virta synnyttää magneettikentän, joka indusoi virran sekundäärikäämiin. Eristysratkaisussa toinen käämi toimii signaalin lähettäjänä ja toinen vastaanottajana ilman suoraa sähköistä yhteyttä.

Kuten sähköverkon muuntajakäytännöt osoittavat, tämä magneettiseen induktioon perustuva erottamistapa toimii luotettavasti myös erittäin korkeissa jännitteissä, tarjoten suojaa tuhansien volttien ylijännitteiltä. Tämän vuoksi magneettinen kytkentä tarjoaa yhdistelmän korkeaa suojaustasoa, pitkää käyttöikää ja nopeampaa toimintaa kuin mitä optoerottimet voivat tarjota.

Kuva 4: Magneettinen kytkentä galvaanisen erotuksen perustana.

Vaikka magneettista kytkentää hyödynnetään laajamittaisissa sähköasennuksissa, sen ei tarvitse olla tilaa vievää. Puolijohdeteknologian kehitys on mahdollistanut käämien integroimisen pienikokoisiin sirutason komponentteihin. Tämän ansiosta voidaan toteuttaa useita rinnakkaisia kanavia yhdessä kotelossa, mikä tuo lisää tilansäästöä. Esimerkkinä tästä toimii Toshiban kehittämä DCL54x01-sarja. Kyseinen erotin koostuu kahdesta yhteiskotelossa olevasta sirusta: toinen moduloi tulosignaalin ja toinen puoli demoduloi vastaanotetun signaalin.

Toshiban galvaanisen erotuksen ratkaisuissa käytetty kahden erillisen sirun (die) rakenne mahdollistaa kaksoiseristysrakenteen, joka tarjoaa maksimaalisen suojan. Tämä suunnittelu estää oikosulkujen syntymisen eristyspuolten välillä, vaikka jommankumman puolen eristysvaippa vaurioituisi. Arkkitehtuuri varmistaa, että jopa 12,8 kV:n jännitepiikit eivät pääse läpäisemään eristysrajaa, ja että komponentit täyttävät VDE V 0884-11 -standardin vaatimukset.

Standardin mukaisten TDDB-mittausten (Time-Dependent Dielectric Breakdown) perusteella, joissa käytettiin 1,2 kVrms pulssijännitettä, on todettu, että rakenne tarjoaa jopa 70 vuoden odotetun eristysiän. Tämä pitkä käyttöikä tukee erityisesti vihreän energian ja teollisuuden sovelluksia, joissa järjestelmien elinkaari voi ulottua useiden vuosikymmenten päähän.

Kuva 5. On-off -koodaus.

Suojaus häiriöiltä onnistuu myös suurilla nopeuksilla, kun käytetään on-off-koodausta modulaatiomenetelmänä. Tässä modulaatiossa loogisia ykkösiä ja nollia ilmaistaan kantasignaalin esiintymisellä tai puuttumisella. Kyseinen menetelmä tarjoaa erittäin tehokkaan ja luotettavan tavan siirtää PWM-signaaleja mikroprosessorilta moottoria tai invertteriä ohjaaville porttiohjaimille piirilevyn suurjännitepuolella.

DCL54x01-komponentissa tämä siirtotapa mahdollistaa alle 3 nanosekunnin pulssileveysvääristymän, mikä takaa PWM- ja muiden nopeiden logiikkatason signaalien tarkan siirron. Lisäksi menetelmä tukee tiedonsiirtoa nopeuksilla, jotka ylittävät 150 Mb/s, ja tarjoaa korkean häiriönsietokyvyn – mukaan lukien suojan yhteismuotoisia transientteja vastaan.

Yhteismuotoinen kohina on häiriötyyppi, jossa virta kulkee samaan suuntaan sekä signaali- että maalinjoissa. Se on yleinen ilmiö suurjännitejärjestelmissä. Tämän tyyppisen kohinan eristäminen on haastavaa, koska jännite-ero vaikuttaa yhtä aikaa sekä signaaliin että maahan, ja se voi kytkeytyä eristysrajan yli – erityisesti kapasitiivisissa eristysratkaisuissa. Mikäli vastaanottopuolelle kytkeytyvä virta ylittää tietyn tason, se voi aiheuttaa toimintahäiriöitä paitsi eristysrajapinnassa, myös koko järjestelmässä. Luotettavan toiminnan varmistamiseksi tarvitaan korkea yhteismuotoisen transientin sietokyky (CMTI, common-mode transient immunity), jonka magneettiset erottimet pystyvät helposti tarjoamaan.

Koska nämä erottimet hyödyntävät kaksoiseristysrakennetta, ne kestävät korkeajännitepiikkejä ja mahdollistavat monikanavaisen toiminnan pienikokoisissa koteloissa. Esimerkiksi DCL54x01-sarjan tuotteet tarjoavat neljä kanavaa eri etu- ja takasuuntaisissa kokoonpanoissa. Jokaisen kanavan (eteen- tai taaksepäin suuntautuva) tulo voidaan ottaa käyttöön tai poistaa käytöstä reaaliaikaisesti erillisillä pienjännitteisillä ohjauslinjoilla.

Suojaus jännitepiikkejä ja häiriöitä vastaan on välttämätöntä monissa auto-, teollisuus- ja uusiutuvan energian järjestelmissä. Magneettiset erotinkomponentit tarjoavat optimaalisen yhdistelmän nopeutta, suurjännitesuojausta, pitkää käyttöikää ja integroitavuutta, mikä tekee niistä erinomaisen ratkaisun turvallisen viestinnän toteuttamiseen näissä vaativissa ympäristöissä.