數(shù)字隔離器的安全可靠性

作者：David Krakauer，ADI公司iCoupler隔離產(chǎn)品線經(jīng)理

一方面，設計工程師不想在系統(tǒng)中增加電流隔離；另一方面，為了滿足國內(nèi)或國際安全法規(guī)要求，他們不得不這樣做。增加電流隔離的弊端是隔離直接放在數(shù)據(jù)路徑中，會導致延遲并使系統(tǒng)變慢。此外還會增加功耗、尺寸和成本。這些折中令人遺憾。多年來，設計工程師使用光耦合器，勉強應對這些缺點，但一種新型電流隔離器——數(shù)字隔離器已經(jīng)上市，緩解了這些不利影響。利用數(shù)字隔離器可以實現(xiàn)尺寸更小、能效更高、更具性價比、性能更高的設計。然而，安全標準并未同步跟進，給數(shù)字隔離器帶來了困惑和不確定性：它們是否像電流隔離一樣安全？它們是否滿足安全法規(guī)要求？

答案是肯定的：數(shù)字隔離器能夠滿足國內(nèi)和國際標準的安全要求。但是，大多數(shù)供應商提供的光耦合器具有相似的結(jié)構，數(shù)字隔離器則不然，不同供應商以不同方式設計和制造數(shù)字隔離器，因而隔離能力不盡相同，特別是與光耦合器強健的隔離能力相比較時。因此，并非所有數(shù)字隔離器技術和實現(xiàn)方案都能提供同樣的安全性。

隔離器有四個主要考慮因素：

? 絕緣材料
? 隔離元件
? 數(shù)據(jù)傳輸架構
? 封裝

每個要素都存在不同的選擇，最終組合決定隔離器的能力。本文將聚焦于絕緣材料，它是決定安全性高低的主要因素。光耦合器使用各種聚合物材料，包括封裝的環(huán)氧樹脂塑封材料。數(shù)字隔離器使用類似的聚合物或聚酰亞胺材料，也可以使用二氧化硅。隔離壽命和最高耐受電壓的不同取決于材料和制造工藝。我們先考慮安全標準以及它們與不同類型隔離器的關系。

了解隔離要求：標準的復雜性

系統(tǒng)級標準旨在處理環(huán)境條件與系統(tǒng)使用條件的差異。例如，家用電器的要求不同于醫(yī)院用病人監(jiān)護儀或工廠中電機驅(qū)動器的要求。它們常常通過引用電流隔離器特定的器件級標準來說明隔離安全性。有三種標準值得注意：

? IEC 60747：半導體器件——第1部分：通則
? 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

雖然各種標準的目標相似，即確保用戶、操作員和設備的安全性，但采用的方法不同。IEC 60747區(qū)分了隔離等級(例如基本絕緣與增強絕緣)，UL 1577則注重隔離器在一定時間內(nèi)(通常是1分鐘)耐受某一電壓水平的能力。為了適應所有可能的使用情形和條件，系統(tǒng)設計師常常需要獲得多種器件級標準的認證。

數(shù)字隔離器的興起使問題更加復雜，因為許多此類標準是在設計師只有光耦合器可用時制定的。這些標準緊盯與光耦合器相關的弱點，提供了保證安全性的途徑。

對于光耦合器，這些方法非常有效，但可能不適用于數(shù)字隔離器。以認證工作電壓為例，它是連續(xù)施加于隔離柵的電壓。具有認證工作電壓的隔離器應能終身耐受該電壓。

IEC 60747要求通過生產(chǎn)部分放電測試來驗證光耦合器的工作電壓。標準機構已經(jīng)認定，部分放電起始電壓和誘感電壓與光耦合器的工作電壓相關。制造工藝使用注塑方法，容易在塑料內(nèi)部產(chǎn)生空洞。在壓力下，此類空洞可經(jīng)歷更高的電場，導致部分放電引起的性能降低。在高壓下進行部分放電測試可以檢測是否存在空洞，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場應用中會失效的次品。

這種部分放電方法并不完全適用于數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離器確實使用類似的封裝材料，必須利用部分放電進行測試以判斷有無缺陷，但還有其他老化機制與絕緣材料相關。

隔離元件使用的主要隔離材料是通過嚴密控制的晶圓級工藝沉積而成，不大可能產(chǎn)生空洞，因而受部分放電的影響較小，但其他老化機制開始占主導地位。數(shù)字隔離器聲稱的特定工作電壓(通常表示為VIORM，依據(jù)IEC 60747)可能會造成誤解，因為它僅反映在給定電壓下通過部分放電測試的能力。

由于部分放電對于數(shù)字隔離器工作電壓是不完整的測試，因此需要其他測試和表征。IEC的未來標準將解決這一問題并引入新的方法。在過渡期間，數(shù)字隔離器供應商有義務證明他們?nèi)绾伪ＷC器件在額定工作電壓下能夠終身正常工作。

測量iCoupler數(shù)字隔離器的高壓壽命

ADI公司通過部分放電以外的測試保證iCoupler?數(shù)字隔離器的工作電壓。iCoupler數(shù)字隔離器在平面變壓器線圈之間使用20 μm厚聚酰亞胺絕緣層，這是晶圓制造工藝的一部分(見下圖)。這種制造工藝能以低成本將隔離元件與任何晶圓半導體工藝集成，實現(xiàn)出色的質(zhì)量和可靠性。下面的剖面圖顯示了被厚聚酰亞胺層分開的頂部和底部線圈的匝數(shù)。聚酰亞胺材料用于絕緣已有多年的歷史。過去十多年來，已有近10億只iCoupler變壓器投入使用。

為了測量這些芯片級隔離變壓器的工作電壓壽命，我們采用高壓耐受性(HVE)設置。HVE是在更高電壓水平(通常遠高于額定工作電壓)下通過失效時間實驗完成的。

電荷注入是導致器件隔離擊穿的主要HVE失效機制。電荷注入聚酰亞胺絕緣層后，可能會被限制在局部陷阱位置并釋放能量。如果釋放的能量足夠高，聚酰亞胺內(nèi)的鍵結(jié)就會斷開，從而產(chǎn)生更多陷阱位置，導致更多空間電荷被捕捉。這種正反饋最終造成絕緣擊穿。

通過熱力學分析1，壽命L可以表示為：

其中，Et是無電荷注入發(fā)生的閾值場，m和n是比例常數(shù)。經(jīng)觀測，iCoupler器件的HVE數(shù)據(jù)符合下式

其中，L是10 ppm時的失效時間，V是施加的連續(xù)高壓。下圖是一個簡化示例，使用來自高壓受測樣本的四個數(shù)據(jù)點來擬合該模型，并外推回典型工作電壓。

此數(shù)據(jù)是在將樣本置于800 V到2000 V rms的60 Hz共模電位差下測得的。各單元的失效時間記錄并匯總于下面的威布爾圖中。對于預期工作電壓范圍內(nèi)的較低電壓，失效時間通過外推獲得。

iCoupler HVE壽命取決于施加的電壓是交流還是直流電壓。在直流電壓下，靜態(tài)場會阻止能量的捕捉/重組合釋放。因此，直流壽命遠遠長于交流壽命。iCoupler產(chǎn)品始終指定最差情況下的交流壽命。

工作電壓的均方根(rms)規(guī)格也可能引起誤解。400 V rms波形實際上是一個在正560 V與負560 V之間切換的正弦波形，因此隔離柵上的最高峰峰值電壓實際上是1120 V。我們已經(jīng)確認，在額定電壓為400 V rms的雙極性波形下的壽命與在1120 V峰峰值波形下的壽命相同，與中心電壓無關。由于安全至關重要，數(shù)據(jù)手冊應采取保守態(tài)度以確保無潛在危險，因此iCoupler數(shù)字隔離器的數(shù)據(jù)手冊指定了絕對最差情況工作電壓。

結(jié)論

數(shù)字隔離器的引入使得業(yè)已復雜的安全標準愈加令人困惑，因為數(shù)字隔離器使用不同于電流隔離的材料和元件，并非所有標準都適用于數(shù)字隔離器的要求。關于某種工作電壓條件下的壽命，與光耦合器不同，基于部分放電的認證不足以保證數(shù)字隔離器能在數(shù)十年的使用期間安全可靠地工作。應對這些問題的新標準正在制定過程中，但在新標準頒布以前，數(shù)字隔離器供應商必須用可靠的數(shù)據(jù)彌補這些標準，支持可靠性達數(shù)十年的承諾。正因如此，基于聚酰亞胺絕緣材料的iCoupler數(shù)字隔離器利用加速壽命測試，保證器件在額定工作電壓下能夠安全可靠地工作50年以上。

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