Elektronik Article on ISO2H823V, German, April 2013

Elektronik Article on ISO2H823V, German, April 2013
EMBEDDED DESIGN
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Intelligente Diagnose:
Betriebszeiten maximieren
wachst die Bedeutung der Diagnose- Fähigkeiten. ries.
Stillstandzeiten können kardinale Auswirkungen auf die Wirt- _
schaftlichkeit haben. Für Fertigung=aniageng al jnteligcnte
Diagnose sind deshalb die Tage angezáhlt. .
In Industrieanlagen sind immer mehr
Losungen erforderlich, die eine diffe-
renzierte und intelligente Rückmeldung
über den Anlagenzustand geben, und
dies nicht nur, wenn eine Störung vor-
liegt, sondern schon dann, wenn sich
durch den Betrieb eine potenzielle Stö-
rung ankündigt. Letzteres erlaubt eine
präventive Wartung.
Der ISO2H823V von Infineon ist ein
8-Kanal-High-Side-Schalter-IC mit inte-
grierter galvanischer Isolation (2,5 КУ).
Jeder der acht Kanäle kann bis zu fünf
verschiedene Diagnosearten unter-
scheiden: Open Load bei „Ausgang ein“
und bei „Ausgang aus“, Short-to-V, ,
Over-Current, Over-Temperature. Zu-
sätzlich werden auf Gesamt-IC-Ebene
fünf weitere Diagnose-Typen unter-
stützt. An dem Baustein stehen an je-
dem Ausgang Lastströme von bis zu
600 mA (nom.) zur Verfügung. Zum
Schutz des ICs gegen Überlast oder
Kurzschlüsse sind die Ausgänge mit
einer aktiven Strombegrenzung bei 1 A
(typ.) ausgestattet. Durch Parallelschal-
ten von Ausgängen kann auf Applikati-
onsebene der Laststrom auf ein Mehr-
faches erhöht werden.
Obwohl das IC für die in Industrie-Steu-
erungen üblichen 24 V (+20 %) Gleich-
spannung vorgesehen ist, kann. es in
einem größeren Einsatzbereich genutzt
werden. Der zulässige ausgangsseitige
Bereich (V,, Operational Range) bemisst
sich auf 11 bis 35 V. Darüber hinaus ha-
ben die Ausgänge eine integrierte ak-
tive Zener-Klemmung. Fúr den Betrieb
induktiver Lasten bedeutet dies fúr den
Systemdesigner eine doppelte Erspar-
nis: Weder die Kosten noch die Plati-
nenflache fúr diskret implementierte
Freilaufdioden sind erforderlich.
Integrierte galvanische Isolation
Wie bei allen Isoface-Bausteinen basiert
auch beim ISO2H823V die galvanische
Isolation auf einem im IC integrierten
Elektronik 7/2013
Magnetkopplerprinzip [1], welches im
Vergleich zu alternativen Isolations-
technologien eine Reihe entscheiden-
der Vorteile bietet:
=» Das IC kann bis zu Betriebstempera-
turen von 125 °C (Trackage) betrieben
werden: Ideal für Lösungen, bei de-
nen nur wenig Einbauplatz zur Ver-
fügung steht und gleichzeitig auch
Betrieb unter hohen Umgebungs-
temperaturen gewährleistet sein
muss.
=» Nahezu keine Anderung im Betriebs-
verhalten durch Temperatur-Ande-
rungen oder wegen hoher Betriebs-
stundenzahl: Längere Betriebsdauer
und höhere Zuverlässigkeit.
=» Integration von Mikrocontroller-
Schnittstelle, Schalterfunktion und
Diagnose-Funktionen in einem IC:
Ermöglicht leistungsfähige und in-
telligente Lösungen bei gleichzeitig
kleinerer Bauform und niedrigeren
Herstellungskosten.
Das 3,3-V-Mikrocontroller-Interface
(U.) des IC ist von der 24-V-Ausgangs-
seite (U,,) galvanisch isoliert. Die inte-
grierte galvanische Isolation ist für
2,5 kV. (U,) ausgelegt. Damit über-
trifft der Baustein die Anforderungen
für verstärkte Isolation gemäß der Norm
IEC 61131-2 für Systeme mit 24-V-Nenn-
betriebsspannung. Die 2,5 kV Isolation
ist gemäß UL 508 und CSA C22.2 No. 14
zertifiziert.
Kanalfeine Diagnosen
Bei jedem der acht Ausgänge können
die Diagnosen individuell konfiguriert
und bis zu fünf unterschiedliche Diag-
nose-Ereignisse signalisiert werden:
=» Offene Verbindung zur Last bei „Aus-
gang ein”: OLA. Mechanische Belas-
tungen oder Korrosion können dazu
führen, dass die elektrische Verbin-
dung zwischen dem Ausgang des IC
und der zu schaltenden Last hoch-
ohmig wird oder nicht mehr besteht.
Der ISO2H823V kann derartige
Drahtbruch-Situationen erkennen.
Der IC verfügt über eine Ausgangs-
stromüberwachung, die nicht nur
den maximalen Ausgangsstrom be-
grenzt. Immer dann, wenn ein Aus-
gangskanal eingeschalten wird und
der Ausgangsstrom unter einem
vom Designer wählbaren Grenzwert
im Bereich zwischen 0,5 mA und
3 mA liegt, wird die „Open Load Ac-
tive”- (OLA) Diagnose gemeldet.
=> Offene Verbindung zur Last bei „Aus-
gang aus”: OLI. Nicht nur wenn ein
Kanal eingeschalten wurde, kann
Drahtbruch erkannt werden. Es ist
auch möglich, dies bereits zu diag-
nostizieren, bevor eingeschaltet
wird. Der Grund dafür ist, dass zu-
sätzlich zur Ausgangsstrombewer-
tung auch eine Überwachung der
Spannung am Schalterausgang
erfolgt. Wenn der Schalter „aus” ist,
wird ein geringer Uberwachungs-
strom von 25 pA durch die Last
geleitet. Bei Lasten mit ohmschen
Widerstanden von weniger als 12 kQ
gilt: Wenn der Ausgang keine nie-
derohmige Verbindung zur Last hat,
dann wird in diesem Fall die Span-
nung am Schalterausgang 2 V oder
mehr betragen. In einem solchen Fall
wird das ,Open Load Inactive”- (OLI)
Diagnose-Signal gesetzt.
=» Überlast: OCL. Überlast oder gar
Kurzschluss zur Masse wird durch
die aktive Strombegrenzung er-
kannt: Immer wenn ein Ausgang
Ein” ist, wird der Ausgangsstrom
dieses Kanals überwacht. Bei Errei-
chen des Schwellwerts von 1 A (typ.)
wird der Ausgangsstrom auf dieses
Niveau begrenzt sowie das Aktivie-
ren der Strombegrenzung durch das
Diagnose-Signal Over Current Limi-
tation (OCL) angezeigt.
=» Kurzschluss zur 24-V-Versorgung (U,),
wenn der Ausgang ,aus” ist: SCV. Es
kommt vor, dass ein Ausgang fálsch-
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licherweise direkt mit der 24-V-Ver-
sorgung verbunden ist. Zu den denk-
baren Ursachen záhlen: Verdrah-
tungsfehler wáhrend der System-
installation, Leitungskurzschluss oder
Eindringen von Flüssigkeiten in An-
lagenteile während des Betriebs. Die-
se Fehler können vom ISO2H823V
erkannt werden. Auch dafür wird die
Ausgangsspannungsüberwachung
genutzt. Ist ein Ausgang „aus“ und
liegt gleichzeitig eine niederohmige
Verbindung zu U, vor, dann ist die
Spannung an diesem Ausgang fast —
auf dem gleichen Niveau wie U,,. In
diesem Fall wird die ,Short Circuit to
V,,"-Diagnose (SCV) ausgelost.
=» Temperatur-Uberwachung der Aus-
gdnge: OTA. Jeder Ausgang ist mit
einem Temperatur-Sensor ausgestat-
tet. Wird eine Chip-Temperatur von
150 °C erreicht, wird sicherheitshal-
ber der betroffene Ausgang abge-
schaltet und ein ,Over-Temperature
Active”- (OTA) Diagnose-Feedback
(sticky) gesetzt. Nach Abkühlen des
Ausgangs auf 135 °C wird dieser au-
tomatisch wieder eingeschaltet.
Fünf globale Diagnosen zur
Erhöhung der Betriebssicherheit
1. Übertemperatur des Moduls: OTP. Zu-
sätzlich zur Temperaturüberwachung
in den einzelnen Kanälen bietet der
ISO2H823V eine weitere Temperatur-
überwachung, deren Schwelle bei
125 °C liegt. Sie wurde so gewählt, dass
sich die Temperatur noch unterhalb der
Verglasungstemperatur von Standard-
FR4-Leiterplatten-Material befindet.
Wird diese Temperatur-Überwachung
(OTP) aktiviert, so ist dies ein Anzeichen
für mögliche Probleme mit dem ther-
mischen Management des Moduls, in
dem der IC verbaut wurde. Denkbar ist
auch, dass diese Diagnose zur Detekti-
on von sich ankúndigendem Verschleif3
auf der Last-Seite genutzt wird.
2. Überwachung der 24-V-Versorgung: UV,
MV und W4P. Bei einer GroBzahl von
Industrie-Steuerungen ist 24 V__die no-
minale Versorgungsspannung (U,, nom)‘
Deren Toleranz beträgt üblicherweise
+20 %. Der IC verfügt über eine mehr-
stufige Uberwachung dieser Spannung.
Sollte diese Versorgungsspannung auf
Werte unterhalb von 19,2 V (24 V — 20 %)
absinken, dann kónnte beispielsweise
ein nicht ausreichend dimensioniertes
Netzteil oder eine Erhóhung der Wider-
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stände der Versorgungsleitungen die
Ursache hierfür sein:
=» Wenn die Versorgungsspannung un-
ter den Wert von 16 V absinkt, dann
wird eine Unterspannungs-Warnung
(UV) abgesetzt. Dies ist eine Vorwar-
nung bzw. ein Hinweis auf eine Ab-
normitat. Bei diesem Spannungs-
niveau arbeiten die Ausgánge nach
wie vor uneingeschrankt.
=» Sollte die Versorgungsspannung auf
13 V absinken, dann wird Spannungs-
fehler (MV) gemeldet. Auch bei die-
sem Spannungspegel arbeiten die
Schalter noch. Um einer Zwangsab-
schaltung bei einem weiteren signi-
fikanten Absinken der Spannung
zuvorzukommen, empfiehlt es sich
jedoch möglicherweise, ein kontrol-
liertes Herunterfahren des betreffen-
den Anlagenteils einzuleiten.
=» Sinkt die Versorgungsspannung auf
9 V ab, dann werden alle Ausgange
automatisch ausgeschalten und ein
Wait-for-Power (W4P) Feedback an-
gezeigt. Eine Versorgungsspannung
unter 9 V ist zu niedrig, um einen si-
cheren Betrieb der Schalter zu ge-
wahrleisten.
3. Gliihlampen-Detektion: LAMP. Obwohl
der 1SO2H823V vorwiegend in neu kon-
zeptionierten Anlagen Einsatz finden
dürfte, kann im Einzelfall durchaus auch
die Notwendigkeit bestehen, existie-
rende Systeme damit nachzurüsten.
Aus diesem Grund verfügt der ISO-
2H823V über die Fähigkeit, das Ein-
schalten von Glühlampen (24 V / 5 W;
für Signalisierungszwecke genutzt) von
Kurzschlüssen unterscheiden zu kön-
nen. Kalte Glühlampen weisen beim
Einschalten ein kapazitives Verhalten
auf, d.h. führen zu kurzzeitigen Ein-
schaltstromspitzen.
Hierbei wird die Möglichkeit genutzt,
sowohl die Spannung als auch den
Strom des eingeschalteten Ausgangs
zu überwachen. Beim Einschalten einer
kalten Glühlampe wird zunächst die
1-A-Strombegrenzung aktiviert. Anders
als bei einem Kurzschluss befindet sich
der Schalterausgang jedoch in diesem
Fall auf einem Pegel von mindestens
5 V. Diese Strom-Spannungs-Kombina-
tion erlaubt es zu erkennen, dass eine
kalte Glühlampe eingeschaltet wurde.
Dies wird durch das Setzen des LAMP-
Feedbacks quittiert.
4. Sichere Kommunikation über die inte-
grierte galvanische Isolationsschnittstelle:
TE. Die Robustheit der Kommunikation
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über die integrierte galvanische Isolati-
onsschnittstelle ist durch mehrere spe-
zielle Maßnahmen abgesichert. Sollte
dennoch eine Störung der Kommuni-
kation auftreten, dann wird dies zum
einen dem Mikrocontroller durch das
TE-Flag (sticky) mitgeteilt, zum anderen
werden sicherheitshalber alles Ausgän-
ge ausgeschaltet.
Wird vom Mikrocontroller ein einmali-
ges Setzen des TE-Flags erkannt, so ist
das ein Hinweis auf eine transiente Sto-
rung. Wird jedoch in zeitlich kurzen Ab-
stánden das TE-Flag wiederholt gesetzt,
so kann dies ein Indiz fúr eine perma-
nente und sehr starke EMV-Stórung oder
ein schwerwiegendes Problem auf der
Platine, in dem der IC verbaut ist, sein.
5. Sicherheit, dass alle Ausgdnge aus sind:
ALLOFF. Um den System-Status zu veri-
fizieren sowie aus Sicherheitsgriinden
kann es wertvoll sein, die Information
darúber zu haben, dass alle Ausgange
wirklich aus sind. Das ALLOFF-Feedback
zeigt dies an: |
=» während des initialen Hochfahrens
des ICs, da dann alle Ausgange aus
sind
=» wenn der Mikrocontroller alle Aus-
gange ausgeschalten hat
=» wenn der fest verdrahtete Eingang
ODIS, z.B. nutzbar fiir Notabschal-
tung, aktiviert wurde
=» wenn alle Ausgänge aus sind wegen
Ubertemperaturabschaltung der in-
dividuellen Kanale (d.h. alle acht OTA
sind aktiv)
=» wenn alle Ausgänge ausgeschaltet
wurden wegen zu niedriger U,, (W4P
wurde aktiviert)
=» wenn die Kommunikation über die
integrierte galvanische Schnittstelle
gestórtist (TE ist aktiv)
und alle Ausgange in der Tat aus sind.
Der ISO2H823V setzt einen neuen Stan-
dard hinsichtlich Diagnose-Móglichkei-
ten fúr industrielle Anwendungen. In
kapitalintensiven Fertigungsanlagen
oder in Anlagen, bei denen zeitgekop-
pelte chemische Prozesse ablaufen, ist
die Echtzeit-Verfügbarkeit von Diagno-
se-Informationen von hôchstem Nut-
zen. Dies gilt sowohl für die präventive
Wartung als auch für die Lösung eines
akuten Problems in kürzester Zeit.
Hubert Baierl, Infineon / ag
Literatur
[1] Baierl, H.: Intelligenter Schutz fiir
industrielle Steuerungen. Elektronik
19/2011, S. 40 ff.
Elektronik 7/2013
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SE a EEES
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