Leiterplattentechnisch - Differentielle Datenübertragung in Leiterplattenfabriken: Was ist der Unterschied?

Die Hauptfunktion des Isolators besteht darin, irgendeine Form von Information durch die elektrische Trennbarriere zu übertragen, während Strom blockiert wird. Der Isolator besteht aus Isoliermaterial, das den Strom blockieren kann, und es gibt Koppelelemente an beiden Enden der Isolationsbarriere. Die Informationen werden in der Regel vom Koppelelement kodiert, bevor sie durch die Isolationsbarriere übertragen werden.

Der iCoupler® Digitalisolator aus dem Leiterplattenhersteller ADI nutzt einen Chip-Mikrotransformator als Kopplungselement, um Daten durch eine hochwertige Polyimid-Isolationsbarriere zu übertragen. Es gibt zwei Hauptdatenübertragungsmethoden, die in iCoupler Isolatoren verwendet werden: single-ended und differential. Bei der Auswahl eines Datenübertragungsmechanismus, Engineering Design Entscheidungen müssen getroffen werden, um die erforderlichen Terminal Produkteigenschaften zu optimieren.

Bei der einseitigen Datenübertragung verwenden wir einen Transformator, und ein Ende der Primärwicklung ist geerdet. Der Logikkonversionscode im Eingangssignal ist ein Impuls, der immer positiv zur Masse ist und sich auf dem Senderchip befindet. Dies wird auch "ein Impuls, zwei Impulse" genannt, da die steigende Kante als zwei aufeinanderfolgende Impulse codiert wird, während die fallende Kante als einzelner Impuls dargestellt wird (siehe oben in Abbildung 1). Der Empfänger am anderen Ende der Isolationsbarriere empfängt das Signal und bestimmt, ob ein oder zwei Impulse gesendet wurden; Es wird dann die Ausgabe entsprechend rekonstruieren.

Bei der differentiellen Datenübertragung werden echte Differentialtransformatoren verwendet. In diesem Fall, wenn die Eingangskante erkannt wird, wird immer ein einzelner Impuls gesendet, aber die Polarität des Impulses bestimmt, ob der Übergang steigt oder fällt (unten in Abbildung 1). Der Empfänger ist eine echte Differenzstruktur, und der Ausgang wird entsprechend der Pulspolarität aktualisiert.

Single-End und Differential Data Transfer

Einer der Hauptvorteile des Single-Ended-Ansatzes ist der geringere Stromverbrauch bei niedrigen Datenraten. Denn Differenzempfänger benötigen mehr DC-Bias-Strom als CMOS Schmitt-Trigger, die in Single-End-Empfängern verwendet werden. Das Differenzverfahren hat jedoch einen geringeren Stromverbrauch bei höheren Durchsatzraten aus zwei Gründen: dem Antriebspegel und der Anzahl der Impulse. Der Antriebspegel des Transformators kann reduziert werden, da der Empfänger nur die Polarität bestimmen muss und nicht feststellen muss, ob ein einzelner Impuls oder zwei Impulse vorliegen. Im Durchschnitt benötigen Single-Ended-Systeme 1,5-Impulse pro Kante, während differentielle Übertragung einen Impuls pro Kante erfordert (eine Reduktion von 33%).

Reduzierter Antriebspegel und weniger Impulse können auch die Hochfrequenzstrahlung reduzieren. Der Grund für die Strahlung ist, dass der Stromimpuls in der Stromversorgung die Strahlung der Leiterplattenstruktur verursacht. Da es weniger Impulse gibt und die Energie jedes Pulses geringer ist, wird die erzeugte Hochfrequenzstrahlung deutlich reduziert.

Im Vergleich zu einseitigen Systemen hat die differentielle Übertragung zwei weitere Vorteile: Ausbreitungsverzögerung und Immunität. Bei der einseitigen Methode muss beim Erstellen eines einzelnen Impulses oder zweier Impulse eine bestimmte Zeitbeziehung bestehen, und der Empfänger muss die Impulse innerhalb eines bestimmten Zeitfensters analysieren. Diese Anforderungen beschränken die Kodierung und Dekodierung und begrenzen letztlich die Ausbreitungsverzögerung durch das Gerät. Dies wiederum begrenzt den Gesamtdurchsatz, den das Gerät erreichen kann. Das differenzielle Verfahren ist weniger eingeschränkt, da es immer einen einzigen Impuls verwendet, so dass die Ausbreitungsverzögerung geringer und der Durchsatz höher ist.

Der Differenzempfänger kann das vom Sender gesendete Differenzsignal zuverlässig erkennen und auch das nutzlose Gleichtaktrauschen unterdrücken, das im Isolationssystem allgegenwärtig ist, was zu einer signifikanten Verbesserung der Gleichtaktimmunität (CMTI) führt. Differenzempfänger sind nicht zu anfällig für Stromversorgungsgeräusche und haben daher eine höhere Immunität. Die im Optokoppler verwendete LED ist im Wesentlichen einseitig, was einer der Gründe ist, warum die CMTI-Leistung des Optokopplers normalerweise schlecht ist. Durch die differentielle Datenübertragung kann die Leistung von iCoupler Digitalisolatoren gegenüber Optokopplern deutlich verbessert werden.

Die Datenübertragungsmethode ist auch eine Option für Konstrukteure, um die Leistung digitaler Isolatoren zu optimieren. Der Einsatz von echten Differenzkupplungselementen als Basis der iCoupler-Technologie kann in dieser Hinsicht eine hohe Flexibilität bieten, die auch Optokoppler und kapazitive Kopplungsvorrichtungen in der Regel nicht erreichen können.