【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)上，光耦合器用于隔離多種電氣設(shè)備中潛在的危險電壓。如今，基于變壓器或容性耦合技術(shù)的現(xiàn)代數(shù)字隔離器得到了廣泛應(yīng)用。基于變壓器的數(shù)字隔離器擁有諸多優(yōu)勢，比如高性能、集成功能、低功耗、出色的長期可靠性以及更高的易用性等。
需要隔離的原因有多種。通過隔離，在使用不同的接地基準(zhǔn)電壓或電源電壓時，功能電路可以正常工作。在系統(tǒng)長期工作期間，必須保護(hù)設(shè)備操作員或病人，使其免受電擊或危險電流的傷害。必須防止敏感和/或昂貴的系統(tǒng)因電涌而損壞——比如雷擊。
隨著時間的推移，各種國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，目的都是為隔離器或采用隔離技術(shù)的電氣系統(tǒng)提供統(tǒng)一的規(guī)范和測試。安全認(rèn)證可以在元件和最終系統(tǒng)兩個層面實現(xiàn)，即使以相同的基本安全標(biāo)準(zhǔn)為參照，認(rèn)證要求也可能因地區(qū)而異。符合全面安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的隔離器為設(shè)備供應(yīng)商提供了最大的靈活性，使其可以輕松滿足這些不同的要求。
電氣系統(tǒng)需要電流隔離的原因多種多樣。最明顯也是最重要的原因是，保護(hù)操作人員，使其免受致命性電擊的影響。電擊危險可能來自設(shè)備使用的市電，也可能來自外殼中產(chǎn)生的高電壓。保護(hù)人員免受致命電擊的傷害需要加強(qiáng)絕緣額定值。
在大型工業(yè)設(shè)置下，物理隔離的接地點之間可能存在電位差，結(jié)果可能導(dǎo)致無用的電流。接地環(huán)路也可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的噪聲和嗡嗡聲。
高可靠性、高可用性的系統(tǒng)往往要求對個別電路故障進(jìn)行控制，使整個系統(tǒng)受影響的程度不超過可接受的水平。在這些系統(tǒng)中，可以通過隔離來控制故障，以使鄰近電路保持正常運行。
電氣系統(tǒng)的不同部分可能存在無基準(zhǔn)地，也可能以不相干高端電源電壓為基準(zhǔn)，同樣帶來隔離的需要。最后，可能需要控制電路特定部分的噪聲，以消除對敏感電子元件的干擾。
安全標(biāo)準(zhǔn)
國際電工委員會(IEC)發(fā)布了與電氣安全相關(guān)的眾多國際標(biāo)準(zhǔn)，而像美國保險商實驗室(UL)以及德國電氣工程師協(xié)會(VDE)一類的國家機(jī)構(gòu)也發(fā)布了諸多地區(qū)規(guī)范。有多個實體提供了標(biāo)準(zhǔn)測試和認(rèn)證服務(wù)，包括UL、VDE、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)和德國技術(shù)監(jiān)督聯(lián)合會(TÜV)。這些認(rèn)證的選擇取決于元件或系統(tǒng)的銷售地區(qū)以及最終用戶。在某些情況下，設(shè)備供應(yīng)商可能要求來自特定公司(如TÜV)的IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，即使已通過另一機(jī)構(gòu)(如CSA)獲得相同標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。有時候，這取決于偏好或前期經(jīng)驗，但這些要求也可能存在認(rèn)證水平上的差異。
表1.與要求隔離的應(yīng)用相關(guān)的系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)(按市場和地區(qū)分)
標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)一直在努力統(tǒng)一國際和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)文件，以簡化認(rèn)證過程。但進(jìn)展十分緩慢，因為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量眾多、復(fù)雜程度高。在實現(xiàn)這一目標(biāo)之前，元件供應(yīng)商最好滿足全面的不同標(biāo)準(zhǔn)，以便為最終設(shè)備在全球的銷售提供最大的靈活性。
使問題復(fù)雜化的是，隔離還存在系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)和元件級標(biāo)準(zhǔn)。與要求隔離的應(yīng)用最相關(guān)的系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)為：此方法提供的系統(tǒng)隔離規(guī)范可以向下延伸到元件級。系統(tǒng)要求用于定義構(gòu)成系統(tǒng)的各器件的隔離特性。遵循系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)可以預(yù)知最終系統(tǒng)設(shè)計的安全等級。
適用于具體隔離元件的標(biāo)準(zhǔn)為
• IEC 60747：半導(dǎo)體器件——第1部分：總則
• UL 1577：光學(xué)隔離器標(biāo)準(zhǔn)
• VDE 0884-10：半導(dǎo)體器件——用于安全隔離的磁性
耦合器和容性耦合器
這些標(biāo)準(zhǔn)保證數(shù)字隔離器元件符合具體的安全要求，但不保證整個系統(tǒng)的隔離等級。系統(tǒng)設(shè)計人員需要根據(jù)整體安全要求來確定單個數(shù)字隔離器的適用性。
另一個考慮因素是各機(jī)構(gòu)對各種參數(shù)的處理方式。例如，UL 1577會記錄實現(xiàn)的爬電距離和電氣間隙，并驗證對指定耐受電壓的承受能力。對于爬電距離和電氣間隙并無具體的要求，只要元件通過測試即可。另一方面，IEC 60950則根據(jù)工作電壓規(guī)定了具體的爬電距離和電氣間隙要求。無論測試結(jié)果如何，元件都必須符合給定電壓的爬電距離和電氣間隙。
部分元件級標(biāo)準(zhǔn)是專門針對隔離柵采用光學(xué)通信的產(chǎn)品而制定的。這些產(chǎn)品被稱為光耦合器，進(jìn)入實用已有一段時間，遵循IEC 60747和UL 1577兩項標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，橫跨隔離柵使用變壓器或容性耦合技術(shù)的現(xiàn)代數(shù)字隔離器被廣泛用作光耦合器的替代方案。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已開始緊跟隔離產(chǎn)品中的技術(shù)變化。例如，VDE 0884-10于2006年發(fā)布，主要針對采用基于變壓器或容性隔離技術(shù)的元件。IEC目前正在努力統(tǒng)一這些標(biāo)準(zhǔn)。
各類安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了多種物理和電氣隔離器特性。其中規(guī)定了元件的絕緣特性以及封裝和絕緣柵的物理尺寸，以承受特定電壓應(yīng)力。不同的應(yīng)力是基于幅度和持續(xù)時間來定義的。
工作電壓
工作電壓是元件在其壽命周期中可以承受的額定連續(xù)直流或交流電壓。IEC 60950規(guī)定了三個等級的工作電壓：250 VRMS、320 VRMS和400 VRMS。
耐受電壓
耐受電壓——也稱為隔離電壓——是元件最多可以承受一分鐘的過壓條件。常見的耐受電壓額定值是UL 1577規(guī)定的1 kVRMS、2.5 kVRMS、3.5 kVRMS和5 kVRMS。
浪涌電壓
浪涌電壓定義了元件在經(jīng)受連續(xù)短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力(見圖1)。隔離器必須通過10 kV浪涌電壓測試，才能取得符合VDE 0884-10規(guī)范的加強(qiáng)絕緣等級。能否通過該測試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應(yīng)用的電場往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點聚集，因此，較低的缺陷密度一般會帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強(qiáng)，因為場強(qiáng)與絕緣體任一端的導(dǎo)體之間的距離成反比。
圖1. 浪涌電壓波形
光耦合器通常符合這一要求，因為DTI的典型值為400 μm，這會降低絕緣質(zhì)量對擊穿特性的影響。簡單而言，絕緣層很厚，因此不需優(yōu)質(zhì)材料也可通過10 kV測試。基于變壓器的數(shù)字隔離器采用一種優(yōu)質(zhì)的20 μm聚酰亞胺層，存放于潔凈的室內(nèi)環(huán)境中。由于這種材料的缺陷水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光耦合器中使用的注射成型環(huán)氧樹脂，因此，厚度薄得多的絕緣層也可達(dá)到10 kV的要求。電容性隔離器同樣采用優(yōu)質(zhì)絕緣層，這里是在晶圓制造過程中沉淀的二氧化硅(SiO2)。二氧化硅具有較高的介電強(qiáng)度，但一般情況下，如果不在薄膜中造成機(jī)械應(yīng)力，則無法沉淀得很厚。較厚的SiO2同時也可降低電容，這又會導(dǎo)致隔離柵耦合效率的下降。為此，電容性隔離器一般不能通過10 kV浪涌測試，因此，無法通過VDE的加強(qiáng)絕緣認(rèn)證。
電平可以指定為峰值電壓或均方根值，因此，必須關(guān)注各種標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)。
圖2. 爬電距離和電氣間隙
物理和環(huán)境影響
各安全標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了兩種基本的絕緣等級。功能絕緣是電路正常工作所需要的絕緣等級。一個例子是，對兩個電路之間的不同接地電位進(jìn)行隔離，以避免發(fā)生過壓狀況。功能絕緣不具有電擊保護(hù)能力。具有電擊保護(hù)能力的絕緣被稱為基本絕緣，或者是IEC標(biāo)準(zhǔn)中的加強(qiáng)絕緣。基本絕緣可以為最終設(shè)備用戶提供電擊保護(hù)。加強(qiáng)絕緣是一種單一絕緣系統(tǒng)，可以提供相當(dāng)于兩個冗余的單一絕緣系統(tǒng)的保護(hù)能力。安全規(guī)定經(jīng)常要求冗余獨立絕緣或者加強(qiáng)絕緣，以保護(hù)用戶免受致命電擊的傷害。加強(qiáng)絕緣更實用，因為冗余的單一絕緣系統(tǒng)在兩個隔離邊界之間是需要功率的。
隔離柵所需要的物理距離主要取決于目標(biāo)額定電壓，但環(huán)境特性也會產(chǎn)生一定的影響。爬電距離和電氣間隙這兩個參數(shù)用于描述隔離距離。爬電距離是沿固體表面橫跨隔離柵的最短距離，電氣間隙則是橫跨隔離柵的最短空間視距路徑。
圖2展示了爬電距離和電氣間隙在一種鷗翼形封裝(如SOIC，即小型集成電路)中的定義。一個重要考慮因素是，必須從爬電距離值中減去封裝端可見的金屬穩(wěn)定桿。
在存在電場和電解雜質(zhì)時，電感路徑將沿著一個表面延伸。這一過程被稱為漏電，用相比漏電指數(shù)(CTI)表示。給定材料的CTI指在表面存在一定量的電解質(zhì)時會導(dǎo)致漏電的電壓。CTI值越高表明材料對漏電的抑制能力越強(qiáng)，并且允許較低的爬電距離值。
決定爬電距離要求的最后一個因素是環(huán)境的污染程度，即污染度。依據(jù)存在的干燥污染物和凝結(jié)量，環(huán)境被分為四類。污染和凝結(jié)程度越高，對爬電距離的要求就越高。標(biāo)準(zhǔn)中列出的表格用于在已知額定電壓、CTI和污染度的情況下確定爬電距離要求。
結(jié)束語
電流隔離是許多電氣系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的一個要素。人們制定了多種國際標(biāo)準(zhǔn)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以確保對隔離器元件和系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范和測試。有多種技術(shù)可以針對特定的系統(tǒng)要求實現(xiàn)必要的隔離，且各有自己的優(yōu)勢。符合全面的國際標(biāo)準(zhǔn)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)——包括10kV浪涌測試——的隔離器為設(shè)備供應(yīng)商滿足這些差異極大的要求提供了最大的靈活性。
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