Analog Devices: Galvanisch getrennte LVDS-Schnittstellen für Industrie 4.0

Der Datenübertragungs-Standard LVDS ist zwar schon etwas in die Jahre gekommen, kann aber in IoT und Industrie 4.0 beim Messen, Steuern und Regeln durchaus seine Trümpfe ausspielen: hohe Übertragungsgeschwindigkeit und Störsicherheit sowie mögliche galvanische Trennung.

Abbildung 1: Isolierte LVDS-Schnittstelle mit den Bausteinen ADN4651 und ADuM5000 Bildquelle: © Analog Devices

Abbildung 1: Isolierte LVDS-Schnittstelle mit den Bausteinen ADN4651 und ADuM5000

In Zeiten von Automatisierung, Digitalisierung und Industrie 4.0 kommt der Übertragung von Signalen und Daten eine stetig wachsende Rolle zu. Die Vernetzung der Maschinen, Systeme oder gar der einzelnen Sensoren sowohl innerhalb als auch außerhalb der Produktionshallen verlangt neben einer stabilen Infrastruktur zusätzlich nach sicheren, schnellen, bandbreitenstarken, genauen und störungsfreien Übertragungswegen, die je nach Einsatzgebiet harten Umgebungsbedingungen zu trotzen haben. Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Techniken zur Datenübertragung: leitungsgebunden, drahtlos, seriell oder parallel. Alle Ansätze bringen ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich, die je nach Anwendung sorgfältig gegeneinander abzuwägen sind.

Drahtlose Technologien sind im Unterschied zu leitungsgebundenen Systemen abhängig von einer Reihe kritischer Parameter, verschiedenen Komponenten und aktuellen Umwelteinflüssen. Ein weiterer wichtiger Aspekt von Funkverbindungen ist deren Reichweite, die vom Standort der Sende- und Empfangsantennen, von der Sendeleistung, von der Beschaffenheit der örtlichen Umgebung und vom Frequenzbereich abhängt. So sind bei der Planung von Funkübertragungs-Anwendungen entsprechende Kriterien, besonders in Bezug auf die Reichweite und somit die Güte des Empfangssignals, zu berücksichtigen.

In der Vergangenheit reichten Bandbreiten von einigen wenigen MBit/s für Anwendungen wie Schnittstellenwandler oder industrielle Busplatinen völlig aus. Die teils notwendige Isolation der verschiedenen Schnittstellen wie Serial Peripheral Interface (SPI) oder RS-485 lässt sich dabei noch mit Standardlösungen realisieren. Die derzeitigen Trends wie Industrie 4.0 und das Internet of Things (IoT) erfordern jedoch komplexes Messen und Steuern mit höheren Übertragungsgeschwindigkeiten bzw. Bandbreiten, die wiederum von den Schnittstellen getragen werden müssen. Durch diese und weitere Anforderungen an die Schnittstellen wie zusätzliche Sicherheit in Form von höherer Spannungsfestigkeit, mehr Zuverlässigkeit oder auch weniger Platzbedarf reichen herkömmliche Lösungen nicht mehr aus. Digitale Isolatoren stellen hier die beste Lösung dar, weil sie neben den bereits genannten höheren Anforderungen an Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit eine integrierte Isolation sowie mehrere Ein- und Ausgänge bieten.

Ein in modernen Anwendungen sehr gängiges Verfahren ist die Signalübertragung mittels sogenannter differenzieller Niederspannungssignale (engl. low voltage differential signals, LVDS). Hierbei handelt es sich um einen etablierten Schnittstellen-Standard (TIA/EIA-644) zur seriellen Datenübertragung, der sich neben seiner energiesparenden Eigenschaft und seiner hohen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu einigen GBit/s zusätzlich durch eine hohe Störsicherheit gegenüber äußeren Einflüssen auszeichnet. Zurückzuführen sind diese positiven Eigenschaften auf die interne Stromsteuerung bzw. -begrenzung der Treiberbausteine auf maximal 3 mA. Die differenzielle Spannung des Signals beträgt dadurch gerade einmal 20 mV. Sie wird jedoch anschließend empfangsseitig wieder auf die Logikpegel von 300 mV (differenziell) verstärkt. Daraus ergeben sich unter anderem sehr geringe elektromagnetische Störfelder (EMI) und sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten.

LVDS-Schnittstellen kommen oft in Steuerungs- und Regelsystemen zum Einsatz, bei denen es große Datenvolumina zwischen den Elektronikschaltungen bzw. zwischen kurzen Kabelverbindungen zu senden gilt. Oder auch zur Synchronisation verschiedener Komponenten einer kompletten Applikation, indem die Taktsignale schnell an die jeweiligen Komponenten verteilt werden. Analog-Front-Ends (AFEs) industrieller Messanwendungen und Steuerungen zählen dabei zu den typischen Anwendungsgebieten von LVDS-Schnittstellen. Aber auch zur Realisierung digitaler Schnittstellen zwischen mehreren Datenknoten und bei der Übertragung von Videosignalen zum Beispiel via HDMI werden sie häufig verwendet.