了解數(shù)字隔離器安全使用的限制值

電流隔離在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中很常見，作為防止高電壓一種手段。設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)上使用光耦合器進(jìn)行隔離，但在過去幾年中，使用電容和磁隔離的數(shù)字隔離器變得越來越流行。對于任何此類隔離器，了解其安全限值的重要性以及如何利用它們對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)都很重要。

在使用隔離器的系統(tǒng)中，確保其絕緣即使在故障條件下也能保持完整可能很重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，管理光耦合器或電容和磁隔離器的元件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了安全限值。這些值指定隔離器的工作條件邊界，即使功能不是，絕緣也保留在該邊界內(nèi)。

隔離器故障模式確定安全限值
要了解安全限值指定的內(nèi)容，請考慮隔離器的設(shè)計(jì)方式。圖1和圖2分別說明了光耦合器和電容式數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。對于光耦合器，硅膠材料和絕緣膠帶在兩個信號側(cè)之間提供絕緣，而LED和光電探測器提供信號傳輸。在數(shù)字隔離器中，兩個獨(dú)立硅芯片上兩個高壓電容器的串聯(lián)提供絕緣，而耦合到高壓電容器的電發(fā)射和接收電路提供信號傳輸。

圖1光耦合器結(jié)構(gòu)

圖2數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)

隔離器一側(cè)的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會損壞該側(cè)的電路。例如，短路、靜電放電（ESD）和功率晶體管擊穿等事件可能會迫使意外的高電壓和電流進(jìn)入隔離器的引腳，從而損壞LED、光電探測器、發(fā)射和接收電路以及片上ESD保護(hù)。如果芯片中有足夠的功率耗散，電路也可能受到嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，例如熔融硅膠絕緣、高壓電容器板短路或熔化的鍵合線。這種結(jié)構(gòu)損壞會降低隔離器的絕緣能力。

從終端系統(tǒng)的角度來看，即使在電氣和熱應(yīng)力事件阻礙了隔離器的信號傳輸操作之后，隔離要求也可能需要保持有效。這是因?yàn)楦綦x柵損壞可能導(dǎo)致二次系統(tǒng)故障或電氣危險。例如，在圖3中，數(shù)字隔離器保護(hù)接地的控制和通信模塊，而系統(tǒng)的其余部分則浮動。必須考慮數(shù)字隔離器內(nèi)部和周圍可能降低隔離器絕緣能力的任何故障的影響，以避免直流接地短路的影響。

圖3數(shù)字隔離器保護(hù)接地的控制和通信模塊

讓我們看一下兩個用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離器安全限制的示例電路。雖然這些示例并非詳盡無遺，無法識別所有可能的故障和結(jié)果，但它們闡明了安全限制的原則，并應(yīng)提供如何在隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)安全限制的了解。

對于第一個示例，圖4顯示了一個數(shù)字隔離器，用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或模擬前端（AFE）與微控制器（MCU）之間的接口。我將分析此系統(tǒng)的任何一個主要故障，包括此單個故障產(chǎn)生的任何次要故障。（可能需要額外的電路來防止多個主要故障。本分析將重點(diǎn)關(guān)注MCU側(cè)的安全限制，盡管您也可以將相同的原理應(yīng)用于ADC/AFE側(cè)。

圖4數(shù)字隔離器用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

使用隔離器時，了解其安全限值并在設(shè)計(jì)中做出滿足這些值的規(guī)定非常重要。未能設(shè)計(jì)安全限制可能會導(dǎo)致故障，從而造成廣泛的系統(tǒng)損壞，如果隔離器的屏障失效，則可能出現(xiàn)火災(zāi)和電氣危險。示例電路演示了確保在故障條件下保持安全限值的方法。

審核編輯黃宇