工程設計中的隔離技術怎么選才安全？

隨著能源需求的擴大，電流和電壓值也會上升。在許多應用中，更高的電壓變得更為常見，即使在獨立應用中也是如此。具有更高電壓的應用都被認為存在危險，包括電動汽車 (EV)，能源基礎設施應用，例如直流快速充電 (DCFC)、太陽能、儲能和不間斷電源 (UPS)。

在與高壓設備進行人機交互時，電流隔離是必要的，并由安全標準定義，以確保安全運行。創(chuàng)建隔離有多種方法，具體選擇哪種取決于應用、技術要求或適用標準。這篇技術文章將探討不同的方法，并討論如何為應用選擇合適的方法。

什么是隔離？

通常稱為“電氣隔離”，意思是沒有金屬接觸，目的是隔離功能部分或電氣電子電路，以防止電流在它們之間流動。

圖1.電氣隔離原理

隔離的主要原因之一是保障安全；當人員可能與供電設備交互時，這一點尤為重要。提供適當?shù)母綦x可確保任何用戶，即使在發(fā)生嚴重故障的情況下，也不會接觸到危險電壓。

隔離通常由適用于應用的安全標準定義。該定義可能只涉及擊穿電壓，也可能包括對物理隔離（“爬電距離和間隙”）的要求。

除了保護用戶，隔離還可以分開電路的低壓 (LV) 和高壓 (HV) 部分，并在過濾共模噪聲方面發(fā)揮作用。由于沒有金屬傳導路徑，接地電流無法循環(huán)，從而消除了隔離電路中與接地環(huán)路相關的噪聲。

除了保護人員，隔離還可以保護高價值電路元件和子系統(tǒng)免受電路其他區(qū)域的災難性故障造成的損壞。

隔離的方法

雖然隔離使不同的電路部分保持分離，但信號需要跨越隔離邊界，因此需要使用諸如光耦合器或者數(shù)字隔離器，在保持隔離等級的同時允許傳輸信號。

最常見的方法是使用一個集成了LED和光敏晶體管的光耦合器。這項技術已有50多年歷史，并繼續(xù)在隔離器件市場占據主導地位，份額約為85%。

數(shù)字隔離器可以是磁性的或電容性的，雖然這些技術相對較新，但售出的隔離器件中大約有七分之一是數(shù)字隔離器。它們在特定應用（尤其是汽車）中特別有價值，這些領域的增長將使得數(shù)字隔離器在未來占有更大的市場份額。

各種隔離技術的比較

每種技術因性能和價格各異，適合的應用領域也有所不同。

“傳統(tǒng)”光耦合器器件使用環(huán)氧樹脂或硅凝膠提供>400μm的相對穩(wěn)健的隔離距離 (DTI)，符合EN 60950的要求。然而，隨著時間的推移，這些器件的運行和性能會相對下降，并且溫度不穩(wěn)定。它們的預期壽命也相對較短，約為10年，并且很少有符合車規(guī) AEC 標準的。

  

光耦合器通常不太適合多通道設計，因為這需要很大的空間。然而，從積極的方面來說，光耦合器由于使用光來傳輸，因此沒有 EMI/EMC 問題，并且它們不需要調制信號，從而降低了電路設計的復雜性，同時節(jié)省了空間和成本。

兩種片上數(shù)字技術（磁性和電容性）的性能相似。明顯的區(qū)別在于，磁性器件使用磁場通過20μm聚酰亞胺絕緣體傳遞信號，而電容式器件使用電場穿過SiO2隔離屏障。

隨著時間和溫度的變化，這兩種數(shù)字技術都能帶來更快的傳播和性能，預期壽命約為20年，是光耦合器的兩倍。它們還提供更高的共模瞬變抗擾度 (CMTI)，在100kV/μs左右。

不利的一面是，數(shù)字器件的DTI僅為20μm 左右，無法滿足EN60950的要求。它們還需要信號調制，因為它們不能通過DC，并且在使用這些器件時必須考慮EMC/EMI的設計。

安森美 (onsemi) 的Digi-Max?技術提供了一種獨特的數(shù)字隔離器類型，稱為片外電容式。它使用500μm的陶瓷基板作為電容器，將其與初級和次級芯片分開，因此稱為“片外”。金屬層沉積在陶瓷基板的兩邊以構建電容器，提供 0.5 mm 的隔離距離。通常，兩組電容器用于差模通信，以幫助消除共模噪聲。

圖3.片外數(shù)字隔離器在單獨的陶瓷基板上構建電容器，具有多種優(yōu)勢

片外隔離器的工作原理與片上解決方案類似。使用開關鍵控 (OOK)，這樣當輸入信號為低電平時，施加到電容器的信號不會被調制，因此輸出保持低電平。當輸入為高電平時，調制信號通過電容器，導致輸出上升。

圖4.數(shù)字隔離器使用開關鍵控 (OOK) 跨隔離邊界傳輸信號

Digi-Max技術在電容器上多路復用數(shù)據，因此多通道并行數(shù)據可以作為串行數(shù)據流傳輸。這免去了使用多個電容器的需要，從而減小了解決方案的尺寸。

故障防護操作

就本質而言，隔離器件在使用過程中可能會遇到電氣過載 (EOS)。然而，關鍵的考慮因素是它們是否仍然安全。為了說明這一點，我們將兩個器件（一個安森美Digi-Max隔離器和類似的競品器件）都暴露在 VDD 和接地端之間的擊穿限制電壓下。

正如預期的那樣，兩個器件都失效了。然而，在開封之前，它們都經過了絕緣測試。競品器件在大約2.76kV時失效，而安森美的Digi-Max數(shù)字隔離器在60秒內保持了數(shù)據表中標定的5kV性能。這清楚地表明，使用Digi-Max，即使在發(fā)生嚴重的EOS事件后，隔離屏障仍然完好無損，即使出現(xiàn)功能故障，保護仍然存在。

為什么使用陶瓷材料？

片外使用陶瓷材料來制造電容器，作為隔離屏障和信號傳輸介質，使用開關鍵控 (OOK) 技術從一端傳輸信號到另一端。

在 EOS/ESD 損壞其中一個 IC 的情況下，片外隔離結構使用陶瓷材料保護絕緣屏障。

使用陶瓷材料制作隔離電容器有幾個優(yōu)點。陶瓷材料是良好的電絕緣體和熱絕緣體，具有較低的導電性和導熱性?；鹧鎻某跫墏葌鞑サ酱渭墏葞缀跏遣豢赡艿?，因為陶瓷材料具有高熔點并且耐熱。它們經久耐用，具有相當出色的耐用性、硬度和強度。陶瓷具有化學惰性，因此不會與其他化學物質發(fā)生反應。簡而言之，在制造隔離電容器時，沒有任何材料可以與 SiO2 材料相媲美。

使用哪種技術？

如果只需要單通道或雙通道解決方案，光耦合器通常是理想解決方案。如果需要輕松滿足 EMC 要求，或成本是關鍵考慮因素，光耦合器也是理想選擇。

但是，如果應用需要較長的使用壽命（>10 年），或隨時間和溫度的變化保持穩(wěn)定性能，則數(shù)字隔離器是理想技術。它們也更適合高通道數(shù)應用和需要雙向通信的應用。由于很少有光隔離器符合 AEC 標準，因此幾乎所有汽車隔離器都是數(shù)字隔離器。

Digi-Max 技術提供與其他數(shù)字隔離器一樣的各種性能優(yōu)勢和特性，而且不會因 EOS 事件發(fā)生安全故障。此外，由于獨特的電容器結構，它還可以提供與光耦合器器件相同水平的可靠性。

圖5.技術總結

隔離是許多設計中的一個關鍵方面，并且與許多技術一樣，設計人員有多種選擇。盡管光耦合器已經存在了很長時間，但它有一些局限性，尤其是在汽車應用中。如今的數(shù)字隔離器克服了許多這些問題并符合AEC標準。

憑借獨特的片外結構，安森美的Digi-Max數(shù)字隔離器 為設計人員提供了另一個關鍵優(yōu)勢，即使在發(fā)生災難性EOS事件后也能保持原有的隔離等級。

本文轉載自：安森美