數據耦合器的增強隔離

標簽：數據耦合器 電源

本文將討論如何根據IEC60950、相關(guān)的IEC60747-5-5及VDE-0884-10的結構和測試要求在光耦合器和數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

現代系統需要隔離有許多原因，比如與電池充電系統或電機驅動(dòng)器中的高端器件通信、中斷通信系統中的接地環(huán)路或保護用戶(hù)免受危險線(xiàn)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(wú)法為用戶(hù)提供保護，僅提供器件正常工作所需的絕緣。沒(méi)有絕緣故障時(shí)，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，法規要求在針對觸電保護提供兩個(gè)獨立絕緣系統的基礎上，還需提供補充層，以便在故障橋接一個(gè)絕緣系統時(shí)，另一個(gè)冗余系統仍能保證操作員的安全。這種設計稱(chēng)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(wú)損，如果器件仍符合原有技術(shù)規格則更佳。

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

器件級要求

器件強化絕緣通過(guò)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，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(gè)常見(jiàn)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量、氣壓，以及器件外表面被表面放電侵蝕的傾向，這稱(chēng)為漏電起痕。

評估器件內部特性的方法說(shuō)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(cháng)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療器件。外部尺寸和材料可利用測微計輕松驗證，并通過(guò)散裝材料測試驗證漏電指數。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(jìn)行評估。這是最簡(jiǎn)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(wú)需任何進(jìn)一步測試。不過(guò)，符合這些要求的高性能數據耦合器難以制造。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(shí)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(zhuān)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(lèi)型測試和壽命測試，且每個(gè)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(lèi)器件具有一組類(lèi)似于IEC60747-5-5要求的類(lèi)型測試。該方法由數字隔離器使用，因為光耦合器標準的測試要求是專(zhuān)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(gè)階段完成。

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

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

3) 認證機構執行定期審查，以驗證材料組合和尺寸未改變，所有裝配線(xiàn)測試使用已校準的設備正確實(shí)施。某些類(lèi)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(gè)標準的各個(gè)版本之間甚至也會(huì )發(fā)生變化。由于IEC趨向于制定統一的方法，這一問(wèn)題正在得到解決。由于各標準委員會(huì )仍具有很大獨立性，解決此問(wèn)題可能需要很長(cháng)時(shí)間。系統級標準應用的統一趨勢從器件級標準IEC60747-5-5的推出可見(jiàn)一斑。如果此類(lèi)標準延伸至器件，便可取代系統級標準的特定要求，如現代系統需要隔離有許多原因，比如與電池充電系統或電機驅動(dòng)器中的高端器件通信、中斷通信系統中的接地環(huán)路或保護用戶(hù)免受危險線(xiàn)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(wú)法為用戶(hù)提供保護，僅提供器件正常工作所需的絕緣。沒(méi)有絕緣故障時(shí)，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，法規要求在針對觸電保護提供兩個(gè)獨立絕緣系統的基礎上，還需提供補充層，以便在故障橋接一個(gè)絕緣系統時(shí)，另一個(gè)冗余系統仍能保證操作員的安全。這種設計稱(chēng)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(wú)損，如果器件仍符合原有技術(shù)規格則更佳。

部分第2點(diǎn)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字隔離器;不過(guò)，VDE已經(jīng)制定標準草案VDE0884-10，將IEC60747-5-5標準的絕緣測試應用于數字隔離器。

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(wú)法通過(guò)該測試，已經(jīng)證明它對許多光耦合器和數字隔離器的強化絕緣認證具有很好的鑒別效果。不滿(mǎn)足要求的器件通常會(huì )轉而依據IEC60747-5-2標準，該標準適用于基本絕緣。這是另一個(gè)隔離系統設計人員容易混淆的地方，就是誤以為IEC60747-5認證自動(dòng)賦予強化狀態(tài)。IEC委員會(huì )目前正在修訂IEC60747-5-5標準，以納入數字隔離器。下一個(gè)統一標準未來(lái)將覆蓋所有IEC系統級標準，可避免此類(lèi)混淆。

結束語(yǔ)

數字隔離器中的強化絕緣經(jīng)設計和認證后可提供雙重絕緣系統的保護，同時(shí)具有單個(gè)絕緣柵的數據傳輸性能。從外部來(lái)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(lái)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(chǎn)期間接受廣泛類(lèi)型測試和裝配線(xiàn)測試。通過(guò)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(shù)創(chuàng )新的認證，同時(shí)不必為每種新技術(shù)重寫(xiě)標準。