數(shù)據(jù)耦合器的增強隔離

標(biāo)簽：數(shù)據(jù)耦合器 電源

本文將討論如何根據(jù)IEC60950、相關(guān)的IEC60747-5-5及VDE-0884-10的結(jié)構(gòu)和測試要求在光耦合器和數(shù)字隔離器中構(gòu)建強化絕緣，以及適用于兩種隔離器的其他公認(rèn)IEC標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(yīng)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(chǔ)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(shè)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(zhǔn)則是隔離柵在認(rèn)證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術(shù)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(yīng)用中，數(shù)據(jù)必須從交流/直流轉(zhuǎn)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?jǐn)?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(nèi)部電氣性能。內(nèi)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(yù)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(nèi)部特性的方法說明絕緣質(zhì)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(yīng)力。

IEC60950標(biāo)準(zhǔn)的要求適用于辦公和電信設(shè)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(nèi)部要求，有三種認(rèn)證器件的方法。

可在假設(shè)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(nèi)或沿粘合接頭的所有內(nèi)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(rèn)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(yīng)采用IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是專為認(rèn)證光耦合器強化絕緣而設(shè)計的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的測試要求是專為光耦合器結(jié)構(gòu)而定制的。

強化額定值的認(rèn)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(yīng)力，有可能造成加熱或災(zāi)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(jié)了IEC60747類型測試。

2) 根據(jù)尺寸和類型測試認(rèn)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(rèn)證時，應(yīng)對每個器件進行局部放電絕緣質(zhì)量測試。

3) 認(rèn)證機構(gòu)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(zhǔn)的設(shè)備正確實施。某些類型測試以采樣形式定期重復(fù)，并接受審查員審查。

隔離要求發(fā)展趨勢

上文主要討論應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。不同的標(biāo)準(zhǔn)在器件級具有完全不同的要求。一個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的統(tǒng)一趨勢從器件級標(biāo)準(zhǔn)IEC60747-5-5的推出可見一斑。如果此類標(biāo)準(zhǔn)延伸至器件，便可取代系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(yīng)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(chǔ)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(shè)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(zhǔn)則是隔離柵在認(rèn)證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術(shù)規(guī)格則更佳。

部分第2點所述。目前此標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)草案VDE0884-10，將IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)的絕緣測試應(yīng)用于數(shù)字隔離器。

這些標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)證明它對許多光耦合器和數(shù)字隔離器的強化絕緣認(rèn)證具有很好的鑒別效果。不滿足要求的器件通常會轉(zhuǎn)而依據(jù)IEC60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)適用于基本絕緣。這是另一個隔離系統(tǒng)設(shè)計人員容易混淆的地方，就是誤以為IEC60747-5認(rèn)證自動賦予強化狀態(tài)。IEC委員會目前正在修訂IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)，以納入數(shù)字隔離器。下一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)未來將覆蓋所有IEC系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)，可避免此類混淆。

結(jié)束語

數(shù)字隔離器中的強化絕緣經(jīng)設(shè)計和認(rèn)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(dāng)于基本絕緣要求的兩倍。從內(nèi)部來看，絕緣要么符合包括最短絕緣距離在內(nèi)的固體絕緣要求，要么在生產(chǎn)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(xì)結(jié)構(gòu)要求，這有利于絕緣技術(shù)創(chuàng)新的認(rèn)證，同時不必為每種新技術(shù)重寫標(biāo)準(zhǔn)。