基于IEC 60950在光耦合器和數(shù)字隔離器中實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)絕緣

觸電安全的主要原則是，在危險(xiǎn)加電電路與電氣器件用戶可接觸的任何導(dǎo)體間必須存在相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立絕緣系統(tǒng)的屏障。絕緣系統(tǒng)之一可為安全接地機(jī)殼加上單個(gè)內(nèi)部絕緣層。另一種方法是配置兩個(gè)絕緣系統(tǒng)以提供冗余保護(hù)。因此，使用雙重絕緣方法的復(fù)雜電氣系統(tǒng)要求在不損失信號(hào)完整性的前提通過兩個(gè)絕緣層觸進(jìn)行電流隔離通信，這就需要具有等效電氣強(qiáng)度和雙冗余絕緣系統(tǒng)可靠性的器件。這種器件稱為加強(qiáng)絕緣器件，依靠結(jié)構(gòu)、型式試驗(yàn)和生產(chǎn)中持續(xù)監(jiān)控來確保與兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)具有同等的安全性。

本文將討論如何根據(jù)IEC 60950相關(guān)的IEC 60747-5-5及VDE-0884-10標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試要求在光耦合器和數(shù)字隔離器中實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)絕緣，以及與其他適用于兩類隔離器的公認(rèn)IEC標(biāo)準(zhǔn)的差異。

安全隔離

現(xiàn)代系統(tǒng)需要隔離有許多原因，比如與電池充電系統(tǒng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的高壓端器件通信，中斷通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路，或保護(hù)用戶免受危險(xiǎn)線路或副邊電壓傷害。隔離水平取決于具體應(yīng)用所要求的安全水平。功能隔離無法為用戶提供保護(hù)，僅提供器件正常工作所需的絕緣。絕緣完好無損時(shí)，基本絕緣的觸電保護(hù)水平足以保護(hù)操作員。但為了保護(hù)人員免受危險(xiǎn)電壓傷害，法規(guī)要求提供兩個(gè)獨(dú)立絕緣系統(tǒng)：針對(duì)觸電保護(hù)的基本絕緣以及一個(gè)補(bǔ)充層，以便一個(gè)絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)冗余系統(tǒng)仍能保證操作員的安全。這種設(shè)計(jì)稱為雙重絕緣。評(píng)估絕緣系統(tǒng)時(shí)，首要要求是安全性而非電氣功能，因此評(píng)估期間的故障準(zhǔn)則是隔離柵在認(rèn)證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術(shù)規(guī)格則更佳。

圖1.

加強(qiáng)絕緣系統(tǒng)的一個(gè)例子是電源中的反饋控制環(huán)路。關(guān)于當(dāng)前輸出電壓電平的信息必須從交流/直流轉(zhuǎn)換器的SELV（安全特低電壓）端流向電源的線路端。操作員可能會(huì)接觸電源的SELV端，因此，數(shù)據(jù)路徑中必須存在兩個(gè)獨(dú)立隔離系統(tǒng)或一個(gè)加強(qiáng)隔離系統(tǒng)，以便保護(hù)操作員免遭電擊。電阻或電容等無源器件可以串聯(lián)運(yùn)行，功能不會(huì)明顯下降，但是將兩個(gè)數(shù)據(jù)隔離器放在路徑中卻并不可行，原因有多個(gè)。

首先，模擬數(shù)據(jù)將失去保真度，而且數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)將具有長(zhǎng)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(yùn)行耦合器接口。由于雙重串聯(lián)數(shù)據(jù)隔離器件不切實(shí)際，因此需要直接跨越雙重絕緣邊界連接的單個(gè)器件，同時(shí)不犧牲安全性。此類器件（圖1）歸類為加強(qiáng)絕緣器件。

圖2.

器件級(jí)要求

器件強(qiáng)化絕緣通過兩種方法評(píng)估，一種是器件的外部尺寸，例如爬電距離、間隙和漏電指數(shù)，另一種是內(nèi)部電氣性能。內(nèi)部和外部要求的處理方法大不相同。爬電距離是指電氣隔離兩端的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（如器件引腳）之間沿器件表面的最短距離。電氣間隙是指器件中隔離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間的最短距離，但它不限于表面上，路徑可以跳過溝槽，懸在脊背上。在簡(jiǎn)單的幾何形狀中，爬電路徑與間隙路徑常常相同。插圖顯示了JEDEC標(biāo)準(zhǔn)SOIC封裝的爬電路徑，許多隔離器件都采用這種封裝。對(duì)于此類封裝，爬電和間隙具有相同的路徑和長(zhǎng)度。爬電距離總是大于或等于電氣間隙。對(duì)于絕緣額定值而言，器件還有一個(gè)重要的外部特性，那就是相對(duì)漏電指數(shù)（CTI）。它衡量一種絕緣材料受漏電侵蝕的容易程度。較高的漏電電壓允許爬電距離較小，同時(shí)仍能保持安全性。

外部尺寸必須等于由雙重絕緣系統(tǒng)基本層和補(bǔ)充層提供的總距離。一般而言，強(qiáng)化器件的所有爬電距離和電氣間隙兩倍于基本/補(bǔ)充額定器件。圖2例示了兩個(gè)常見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?yàn)橥獠凯h(huán)境和表面特性可以決定外部間距要求，其中包括預(yù)期污染物數(shù)量、氣壓，以及器件外表面被表面放電侵蝕的傾向，這稱為漏電起痕。關(guān)于器件的內(nèi)部特性，絕緣質(zhì)量比具備特定數(shù)量或厚度的絕緣更重要。制造商可證明器件具有所需的電氣特性，可耐受長(zhǎng)短期電壓應(yīng)力。

IEC 60950標(biāo)準(zhǔn)的要求適用于辦公和電信設(shè)備，很大程度上也適用于醫(yī)療器件。外部尺寸和材料可利用測(cè)微計(jì)輕松驗(yàn)證，并通過散裝材料測(cè)試驗(yàn)證漏電指數(shù)。對(duì)于內(nèi)部要求，有三種認(rèn)證器件的方法。

？ 可在假設(shè)器件僅包含固體絕緣的條件下進(jìn)行評(píng)估。

這是最簡(jiǎn)單的方法，它要求絕緣層內(nèi)或沿粘合接頭的所有內(nèi)部距離大于0.4 mm。無需任何進(jìn)一步測(cè)試。不過，符合這些要求的高性能數(shù)據(jù)耦合器難以制造。人們普遍認(rèn)為0.4 mm最低絕緣厚度適用于所有強(qiáng)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(yīng)采用IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是專為認(rèn)證光耦合器強(qiáng)化絕緣而設(shè)計(jì)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，包含一連串類型測(cè)試和壽命測(cè)試，且每個(gè)測(cè)試后安排隔離耐受驗(yàn)證測(cè)試。

？ 器件可視為半導(dǎo)體器件。此類器件具有一組類似于IEC 60747-5-5要求的類型測(cè)試。該方法由數(shù)字隔離器使用，因?yàn)楣怦詈掀鳂?biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求是專為光耦合器結(jié)構(gòu)而定制的。

強(qiáng)化額定值的認(rèn)證和維護(hù)分三個(gè)階段完成。

1. 評(píng)估材料和尺寸，實(shí)施電氣類型測(cè)試。測(cè)試包括熱循環(huán)、有限壽命測(cè)試和電氣過應(yīng)力，有可能造成加熱或?yàn)?zāi)難性絕緣故障。隔離完整性通過每種環(huán)境或測(cè)試后的電壓耐受測(cè)試來檢查。表1中總結(jié)了IEC60747類型測(cè)試。

表1. 類型測(cè)試

2. 根據(jù)尺寸和類型測(cè)試認(rèn)證器件后，與制造階段一樣，通過電壓耐受測(cè)試檢查每個(gè)器件的絕緣完整性。采用IEC 60747-5-5或同等認(rèn)證時(shí)，應(yīng)對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行局部放電絕緣質(zhì)量測(cè)試。

3. 認(rèn)證機(jī)構(gòu)執(zhí)行定期審查，以驗(yàn)證材料組合和尺寸未改變，所有裝配線測(cè)試使用已校準(zhǔn)的設(shè)備正確實(shí)施。某些類型測(cè)試以采樣形式定期重復(fù)，并接受審查員審查。隔離要求發(fā)展趨勢(shì)

上文主要討論應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一。不同的標(biāo)準(zhǔn)在器件級(jí)具有完全不同的要求。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)一的方法，這一問題正在得到解決。由于各標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)仍具有很大獨(dú)立性，解決此問題可能需要很長(zhǎng)時(shí)間。系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的統(tǒng)一趨勢(shì)體現(xiàn)在器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，例如IEC 60747-5-5。此類器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以取代系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的特定要求。目前此標(biāo)準(zhǔn)僅適用于光耦合器，而不適合其他更新的數(shù)字隔離器；不過，VDE已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)草案VDE0884-10，將IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)的絕緣測(cè)試應(yīng)用于數(shù)字隔離器。

這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均為強(qiáng)化絕緣提出了高要求，包括10 kV或更高水平下的電涌測(cè)試。極薄的絕緣層無法通過該測(cè)試，已經(jīng)證明它對(duì)許多光耦合器和數(shù)字隔離器的強(qiáng)化絕緣認(rèn)證具有很好的鑒別效果。不滿足要求的器件通常會(huì)轉(zhuǎn)而依據(jù)IEC60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)適用于基本絕緣。這是另一個(gè)隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員容易混淆的地方，就是誤以為IEC 60747-5認(rèn)證自動(dòng)賦予強(qiáng)化狀態(tài)。IEC委員會(huì)目前正在修訂IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)，以納入數(shù)字隔離器。下一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)未來將覆蓋所有IEC系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可避免此類混淆。

結(jié)論

數(shù)字隔離器中的強(qiáng)化絕緣經(jīng)設(shè)計(jì)和認(rèn)證后可提供雙重絕緣系統(tǒng)的保護(hù)，同時(shí)具有單個(gè)絕緣柵的數(shù)據(jù)傳輸性能。從外部來看，器件的爬電距離和間隙要求相當(dāng)于基本絕緣要求的兩倍。從內(nèi)部來看，絕緣要么符合包括最短絕緣距離在內(nèi)的固體絕緣要求，要么在生產(chǎn)期間接受型式測(cè)試和裝配線測(cè)試。通過測(cè)試驗(yàn)證強(qiáng)化絕緣額定值，而不是提供詳細(xì)結(jié)構(gòu)要求，這有利于絕緣技術(shù)創(chuàng)新的認(rèn)證，同時(shí)不必為每種新技術(shù)重寫標(biāo)準(zhǔn)。