數(shù)據(jù)耦合器的增強隔離

標簽：數(shù)據(jù)耦合器 電源

本文將討論如何根據(jù)IEC60950、相關的IEC60747-5-5及VDE-0884-10的結構和測試要求在光耦合器和數(shù)字隔離器中構建強化絕緣，以及適用于兩種隔離器的其他公認IEC標準的差異。

安全隔離

現(xiàn)代系統(tǒng)需要隔離有許多原因，比如與電池充電系統(tǒng)或電機驅動器中的高端器件通信、中斷通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路或保護用戶免受危險線路或副邊電壓傷害。隔離水平取決于具體應用所要求的安全水平。功能隔離無法為用戶提供保護，僅提供器件正常工作所需的絕緣。沒有絕緣故障時，基本或單一絕緣的觸電保護水平足以保護操作員。但為了保護人員免受危險電壓傷害，法規(guī)要求在針對觸電保護提供兩個獨立絕緣系統(tǒng)的基礎上，還需提供補充層，以便在故障橋接一個絕緣系統(tǒng)時，另一個冗余系統(tǒng)仍能保證操作員的安全。這種設計稱為雙重絕緣。絕緣的首要要求是安全性而非電氣功能，因此評估期間的故障準則是隔離柵在認證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術規(guī)格則更佳。

現(xiàn)代系統(tǒng)越來越需要通過隔離柵傳遞信息。例如，在電源控制和反饋應用中，數(shù)據(jù)必須從交流/直流轉換器的SELV(安全特低電壓)端流向電源的線路端。操作員可以接觸電源的SELV端，因此，數(shù)據(jù)路徑中必須存在兩個獨立隔離系統(tǒng)，從而保護操作員免遭電擊。電阻或電容等無源器件可以串聯(lián)運行，功能不會明顯下降，但是將兩個數(shù)據(jù)隔離器放在路徑中卻并不可行，原因有多個。首先，模擬數(shù)據(jù)將失去保真度，而且數(shù)字數(shù)據(jù)將具有長傳播延遲和附加抖動。其次，需要中間電源才能在兩個絕緣層間運行耦合器接口。由于數(shù)據(jù)隔離器件不切實際地加倍，因此需要直接跨越雙重絕緣邊界連接單個器件，同時不犧牲安全性。此類器件(圖1)歸類為強化絕緣器件。

器件級要求

器件強化絕緣通過兩種方法評估，一種是器件的外部尺寸，例如爬電距離、間隙和漏電指數(shù)，另一種是內部電氣性能。內部和外部要求的處理方法大不相同。

外部尺寸必須等于由雙重絕緣系統(tǒng)基本層和補充層提供的總距離。一般而言，強化器件的所有爬電距離和電氣間隙兩倍于基本/補充額定器件。圖2例示了兩個常見工作條件及所需的爬電距離和電氣間隙。之所以采用這種方法，是因為外部環(huán)境和表面特性可以決定外部間距要求，其中包括預期污染物數(shù)量、氣壓，以及器件外表面被表面放電侵蝕的傾向，這稱為漏電起痕。

評估器件內部特性的方法說明絕緣質量比具備所需的絕緣厚度更重要。因此制造商可證明器件具有所需的電氣特性，可耐受長短期電壓應力。

IEC60950標準的要求適用于辦公和電信設備，很大程度上也適用于醫(yī)療器件。外部尺寸和材料可利用測微計輕松驗證，并通過散裝材料測試驗證漏電指數(shù)。對于內部要求，有三種認證器件的方法。

可在假設器件僅包含固體絕緣的條件下進行評估。這是最簡單的方法，它要求絕緣層內或沿粘合接頭的所有內部距離大于0.4 mm。無需任何進一步測試。不過，符合這些要求的高性能數(shù)據(jù)耦合器難以制造。人們普遍認為0.4 mm最低絕緣厚度適用于所有強化隔離器件;事實并非如此，許多工程師容易混淆。

如果器件是光耦合器，則應采用IEC60747-5-5標準。這是專為認證光耦合器強化絕緣而設計的嚴格標準，包含一連串類型測試和壽命測試，且每個測試后安排隔離耐受驗證測試。

器件可視為半導體器件。此類器件具有一組類似于IEC60747-5-5要求的類型測試。該方法由數(shù)字隔離器使用，因為光耦合器標準的測試要求是專為光耦合器結構而定制的。

強化額定值的認證和維護分三個階段完成。

1) 評估材料和尺寸，實施電氣類型測試。測試包括熱循環(huán)、有限壽命測試和電氣過應力，有可能造成加熱或災難性絕緣故障。隔離完整性通過每種環(huán)境或測試后的電壓耐受測試來檢查。表1中總結了IEC60747類型測試。

2) 根據(jù)尺寸和類型測試認證器件后，與制造階段一樣，通過電壓耐受測試檢查每個器件的絕緣完整性。采用IEC60747-5-5或同等認證時，應對每個器件進行局部放電絕緣質量測試。

3) 認證機構執(zhí)行定期審查，以驗證材料組合和尺寸未改變，所有裝配線測試使用已校準的設備正確實施。某些類型測試以采樣形式定期重復，并接受審查員審查。

隔離要求發(fā)展趨勢

上文主要討論應用最廣泛的標準之一。不同的標準在器件級具有完全不同的要求。一個標準的各個版本之間甚至也會發(fā)生變化。由于IEC趨向于制定統(tǒng)一的方法，這一問題正在得到解決。由于各標準委員會仍具有很大獨立性，解決此問題可能需要很長時間。系統(tǒng)級標準應用的統(tǒng)一趨勢從器件級標準IEC60747-5-5的推出可見一斑。如果此類標準延伸至器件，便可取代系統(tǒng)級標準的特定要求，如現(xiàn)代系統(tǒng)需要隔離有許多原因，比如與電池充電系統(tǒng)或電機驅動器中的高端器件通信、中斷通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路或保護用戶免受危險線路或副邊電壓傷害。隔離水平取決于具體應用所要求的安全水平。功能隔離無法為用戶提供保護，僅提供器件正常工作所需的絕緣。沒有絕緣故障時，基本或單一絕緣的觸電保護水平足以保護操作員。但為了保護人員免受危險電壓傷害，法規(guī)要求在針對觸電保護提供兩個獨立絕緣系統(tǒng)的基礎上，還需提供補充層，以便在故障橋接一個絕緣系統(tǒng)時，另一個冗余系統(tǒng)仍能保證操作員的安全。這種設計稱為雙重絕緣。絕緣的首要要求是安全性而非電氣功能，因此評估期間的故障準則是隔離柵在認證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術規(guī)格則更佳。

部分第2點所述。目前此標準僅適用于光耦合器，而不適合其他更新的數(shù)字隔離器;不過，VDE已經制定標準草案VDE0884-10，將IEC60747-5-5標準的絕緣測試應用于數(shù)字隔離器。

這些標準為強化絕緣提出了高要求，包括10 kV或更高水平下的電涌測試。極薄的絕緣層無法通過該測試，已經證明它對許多光耦合器和數(shù)字隔離器的強化絕緣認證具有很好的鑒別效果。不滿足要求的器件通常會轉而依據(jù)IEC60747-5-2標準，該標準適用于基本絕緣。這是另一個隔離系統(tǒng)設計人員容易混淆的地方，就是誤以為IEC60747-5認證自動賦予強化狀態(tài)。IEC委員會目前正在修訂IEC60747-5-5標準，以納入數(shù)字隔離器。下一個統(tǒng)一標準未來將覆蓋所有IEC系統(tǒng)級標準，可避免此類混淆。

結束語

數(shù)字隔離器中的強化絕緣經設計和認證后可提供雙重絕緣系統(tǒng)的保護，同時具有單個絕緣柵的數(shù)據(jù)傳輸性能。從外部來看，器件的爬電距離和間隙要求相當于基本絕緣要求的兩倍。從內部來看，絕緣要么符合包括最短絕緣距離在內的固體絕緣要求，要么在生產期間接受廣泛類型測試和裝配線測試。通過測試驗證強化絕緣額定值，而不是提供詳細結構要求，這有利于絕緣技術創(chuàng)新的認證，同時不必為每種新技術重寫標準。