【導讀】傳統上，光耦合器用于隔離多種電氣設備中潛在的危險電壓。如今，基于變壓器或容性耦合技術的現代數字隔離器得到了廣泛應用。基于變壓器的數字隔離器擁有諸多優勢，比如高性能、集成功能、低功耗、出色的長期可靠性以及更高的易用性等。
需要隔離的原因有多種。通過隔離，在使用不同的接地基準電壓或電源電壓時，功能電路可以正常工作。在系統長期工作期間，必須保護設備操作員或病人，使其免受電擊或危險電流的傷害。必須防止敏感和/或昂貴的系統因電涌而損壞——比如雷擊。
隨著時間的推移，各種國家標準和國際標準不斷涌現，目的都是為隔離器或采用隔離技術的電氣系統提供統一的規范和測試。安全認證可以在元件和最終系統兩個層面實現，即使以相同的基本安全標準為參照，認證要求也可能因地區而異。符合全面安全標準規范的隔離器為設備供應商提供了最大的靈活性，使其可以輕松滿足這些不同的要求。
電氣系統需要電流隔離的原因多種多樣。最明顯也是最重要的原因是，保護操作人員，使其免受致命性電擊的影響。電擊危險可能來自設備使用的市電，也可能來自外殼中產生的高電壓。保護人員免受致命電擊的傷害需要加強絕緣額定值。
在大型工業設置下，物理隔離的接地點之間可能存在電位差，結果可能導致無用的電流。接地環路也可能導致系統中的噪聲和嗡嗡聲。
高可靠性、高可用性的系統往往要求對個別電路故障進行控制，使整個系統受影響的程度不超過可接受的水平。在這些系統中，可以通過隔離來控制故障，以使鄰近電路保持正常運行。
電氣系統的不同部分可能存在無基準地，也可能以不相干高端電源電壓為基準，同樣帶來隔離的需要。最后，可能需要控制電路特定部分的噪聲，以消除對敏感電子元件的干擾。
安全標準
國際電工委員會(IEC)發布了與電氣安全相關的眾多國際標準，而像美國保險商實驗室(UL)以及德國電氣工程師協會(VDE)一類的國家機構也發布了諸多地區規范。有多個實體提供了標準測試和認證服務，包括UL、VDE、加拿大標準協會(CSA)和德國技術監督聯合會(TÜV)。這些認證的選擇取決于元件或系統的銷售地區以及最終用戶。在某些情況下，設備供應商可能要求來自特定公司(如TÜV)的IEC標準認證，即使已通過另一機構(如CSA)獲得相同標準的認證。有時候，這取決于偏好或前期經驗，但這些要求也可能存在認證水平上的差異。
表1.與要求隔離的應用相關的系統級標準(按市場和地區分)
標準機構一直在努力統一國際和地區標準文件，以簡化認證過程。但進展十分緩慢，因為標準的數量眾多、復雜程度高。在實現這一目標之前，元件供應商最好滿足全面的不同標準，以便為最終設備在全球的銷售提供最大的靈活性。
使問題復雜化的是，隔離還存在系統級標準和元件級標準。與要求隔離的應用最相關的系統級標準為：此方法提供的系統隔離規范可以向下延伸到元件級。系統要求用于定義構成系統的各器件的隔離特性。遵循系統標準可以預知最終系統設計的安全等級。
適用于具體隔離元件的標準為
• IEC 60747：半導體器件——第1部分：總則
• UL 1577：光學隔離器標準
• VDE 0884-10：半導體器件——用于安全隔離的磁性
耦合器和容性耦合器
這些標準保證數字隔離器元件符合具體的安全要求，但不保證整個系統的隔離等級。系統設計人員需要根據整體安全要求來確定單個數字隔離器的適用性。
另一個考慮因素是各機構對各種參數的處理方式。例如，UL 1577會記錄實現的爬電距離和電氣間隙，并驗證對指定耐受電壓的承受能力。對于爬電距離和電氣間隙并無具體的要求，只要元件通過測試即可。另一方面，IEC 60950則根據工作電壓規定了具體的爬電距離和電氣間隙要求。無論測試結果如何，元件都必須符合給定電壓的爬電距離和電氣間隙。
部分元件級標準是專門針對隔離柵采用光學通信的產品而制定的。這些產品被稱為光耦合器，進入實用已有一段時間，遵循IEC 60747和UL 1577兩項標準。現在，橫跨隔離柵使用變壓器或容性耦合技術的現代數字隔離器被廣泛用作光耦合器的替代方案。標準機構已開始緊跟隔離產品中的技術變化。例如，VDE 0884-10于2006年發布，主要針對采用基于變壓器或容性隔離技術的元件。IEC目前正在努力統一這些標準。
各類安全標準中規定了多種物理和電氣隔離器特性。其中規定了元件的絕緣特性以及封裝和絕緣柵的物理尺寸，以承受特定電壓應力。不同的應力是基于幅度和持續時間來定義的。
工作電壓
工作電壓是元件在其壽命周期中可以承受的額定連續直流或交流電壓。IEC 60950規定了三個等級的工作電壓：250 VRMS、320 VRMS和400 VRMS。
耐受電壓
耐受電壓——也稱為隔離電壓——是元件最多可以承受一分鐘的過壓條件。常見的耐受電壓額定值是UL 1577規定的1 kVRMS、2.5 kVRMS、3.5 kVRMS和5 kVRMS。
浪涌電壓
浪涌電壓定義了元件在經受連續短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力(見圖1)。隔離器必須通過10 kV浪涌電壓測試，才能取得符合VDE 0884-10規范的加強絕緣等級。能否通過該測試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離，縮寫為DTI)以及隔離材料的質量。應用的電場往往在絕緣體內部的缺陷點聚集，因此，較低的缺陷密度一般會帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強，因為場強與絕緣體任一端的導體之間的距離成反比。
圖1. 浪涌電壓波形
光耦合器通常符合這一要求，因為DTI的典型值為400 μm，這會降低絕緣質量對擊穿特性的影響。簡單而言，絕緣層很厚，因此不需優質材料也可通過10 kV測試。基于變壓器的數字隔離器采用一種優質的20 μm聚酰亞胺層，存放于潔凈的室內環境中。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氧樹脂，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質絕緣層，這里是在晶圓制造過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，則無法沉淀得很厚。較厚的SiO2同時也可降低電容，這又會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10 kV浪涌測試，因此，無法通過VDE的加強絕緣認證。
電平可以指定為峰值電壓或均方根值，因此，必須關注各種標準的細節。
圖2. 爬電距離和電氣間隙
物理和環境影響
各安全標準都規定了兩種基本的絕緣等級。功能絕緣是電路正常工作所需要的絕緣等級。一個例子是，對兩個電路之間的不同接地電位進行隔離，以避免發生過壓狀況。功能絕緣不具有電擊保護能力。具有電擊保護能力的絕緣被稱為基本絕緣，或者是IEC標準中的加強絕緣。基本絕緣可以為最終設備用戶提供電擊保護。加強絕緣是一種單一絕緣系統，可以提供相當于兩個冗余的單一絕緣系統的保護能力。安全規定經常要求冗余獨立絕緣或者加強絕緣，以保護用戶免受致命電擊的傷害。加強絕緣更實用，因為冗余的單一絕緣系統在兩個隔離邊界之間是需要功率的。
隔離柵所需要的物理距離主要取決于目標額定電壓，但環境特性也會產生一定的影響。爬電距離和電氣間隙這兩個參數用于描述隔離距離。爬電距離是沿固體表面橫跨隔離柵的最短距離，電氣間隙則是橫跨隔離柵的最短空間視距路徑。
圖2展示了爬電距離和電氣間隙在一種鷗翼形封裝(如SOIC，即小型集成電路)中的定義。一個重要考慮因素是，必須從爬電距離值中減去封裝端可見的金屬穩定桿。
在存在電場和電解雜質時，電感路徑將沿著一個表面延伸。這一過程被稱為漏電，用相比漏電指數(CTI)表示。給定材料的CTI指在表面存在一定量的電解質時會導致漏電的電壓。CTI值越高表明材料對漏電的抑制能力越強，并且允許較低的爬電距離值。
決定爬電距離要求的最后一個因素是環境的污染程度，即污染度。依據存在的干燥污染物和凝結量，環境被分為四類。污染和凝結程度越高，對爬電距離的要求就越高。標準中列出的表格用于在已知額定電壓、CTI和污染度的情況下確定爬電距離要求。
結束語
電流隔離是許多電氣系統設計中必不可少的一個要素。人們制定了多種國際標準和地區標準，以確保對隔離器元件和系統進行統一的規范和測試。有多種技術可以針對特定的系統要求實現必要的隔離，且各有自己的優勢。符合全面的國際標準和地區標準——包括10kV浪涌測試——的隔離器為設備供應商滿足這些差異極大的要求提供了最大的靈活性。
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