數字隔離器的浪涌測試

許多應用要求隔離危險電壓，以符合國際安全標準的要求。為了確保設備和操作人員的安全，這些標準往往要求隔離元件(如數字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪涌。因此，測試隔離器浪涌性能是開(kāi)發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節。

國際電工委員會(huì )(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個(gè)組織出版的標準就隔離技術(shù)在醫療、工業(yè)、消費以及汽車(chē)等系統中的系統級和元件級應用進(jìn)行了規定。為了確保在出現高壓浪涌時(shí)人員和設備的安全，這些標準根據具體應用所需要的隔離等級規定了不同的浪涌額定值。

共有三類(lèi)常見(jiàn)的隔離等級：功能隔離、基本隔離和增強隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因為它一般只用于要求隔離接地基準電壓的場(chǎng)合，以保證電路能正常工作?？梢?jiàn)，安全性和浪涌性能并不是功能隔離的主要考慮因素。

然而，安全性卻是基本隔離和增強隔離的主要考慮因素，因此，浪涌電平是確定隔離質(zhì)量的關(guān)鍵?；靖綦x可以保護終端設備用戶(hù)，使其免受電擊，增強隔離是一種單獨的隔離系統，其提供的保護能力相當于兩個(gè)冗余的單個(gè)或基本隔離系統。醫療和工業(yè)應用一般要求增強隔離，以保護病人和終端用戶(hù)，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對數字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10，規定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時(shí)對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規定。

數字隔離器的浪涌電壓額定值規定的是在經(jīng)受連續短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的時(shí)序特性。

測試時(shí)，把設備放在一個(gè)測試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見(jiàn)圖2)。將一個(gè)高壓脈沖發(fā)生器通過(guò)一個(gè)1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡(luò )連接到隔離柵的一端。發(fā)生器回路連接到隔離柵另一端。將一個(gè)100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上，以便施加各個(gè)脈沖之后使電路放電。用一個(gè)帶1000:1高壓探頭的示波器監控脈沖。將放電槍設置為測試計劃規定的最低電壓，示波器設為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個(gè)脈沖，并用示波器對各個(gè)脈沖進(jìn)行監控。通過(guò)驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時(shí)間內下降到50%)可發(fā)現隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個(gè)脈沖，則提高放電槍電壓，再施加10個(gè)脈沖。持續進(jìn)行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達到最大測試電壓為止。

圖2. 浪涌測試設置

能否通過(guò)該測試主要取決于隔離厚度(亦稱(chēng)為隔離距離，縮寫(xiě)為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應用的電場(chǎng)往往在絕緣體內部的缺陷點(diǎn)聚集，因此，較低的缺陷密度一般會(huì )帶來(lái)較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強，因為場(chǎng)強與絕緣體任一端的導體之間的距離成反比。

光耦合器一般可以通過(guò)10 kV浪涌測試，因為絕緣體很厚(典型值為400μm)，因而可以降低絕緣質(zhì)量對擊穿特性的影響。簡(jiǎn)單而言，絕緣層很厚，因此不需優(yōu)質(zhì)材料也可通過(guò)10 kV測試?；谧儔浩鞯母綦x器采用一種優(yōu)質(zhì)的20 m至32 μm聚酰亞胺層，存放于潔凈的室內環(huán)境中。由于這種材料的缺陷水平遠遠低于光耦合器中使用的注射成型環(huán)氧樹(shù)脂，因此，厚度薄得多的絕緣層也可達到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(guò)程中沉淀的二氧化硅(SiO2)。二氧化硅具有較高的介電強度，但一般情況下，如果不在薄膜中造成機械應力，則無(wú)法沉淀得很厚。較厚的SiO2同時(shí)也可降低電容，這又會(huì )導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(guò)10 kV浪涌測試，因此，無(wú)法通過(guò)VDE的增強隔離認證。

在需要對人員和設備進(jìn)行保護的增強隔離應用中，需要實(shí)現10 kV浪涌保護。浪涌測試是確定隔離元件在此類(lèi)應用中的安全等級的關(guān)鍵步驟。ADI公司提供廣泛的iCoupler和isoPower產(chǎn)品，完全可以滿(mǎn)足這種需求。

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