了解數(shù)字隔離器的安全認(rèn)證

本應(yīng)用筆記總結(jié)了適用于數(shù)字隔離器的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。我們的示例展示了如何使用數(shù)據(jù)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來確定哪種數(shù)字隔離器最適合應(yīng)用。

介紹

數(shù)字隔離器提供許多電路正確運(yùn)行所需的信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換。它們還可以使用戶免受電擊。這些隔離器必須經(jīng)過廣泛的測(cè)試和認(rèn)證，以確保用戶安全，因?yàn)榛镜娜祟惏踩紤]是相關(guān)的。本應(yīng)用筆記總結(jié)了數(shù)字隔離器的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。使用MAX2244x系列的練習(xí)展示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何使用數(shù)據(jù)資料和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格表來確定適合應(yīng)用的最佳數(shù)字隔離器。

為什么要隔離？

隔離可防止系統(tǒng)的兩個(gè)部分（通常稱為域）之間的傳導(dǎo)，同時(shí)仍允許它們之間的信號(hào)和功率傳輸。術(shù)語(yǔ)“場(chǎng)側(cè)”是指較高電壓域，例如24V I/O，而“邏輯側(cè)”是指許多工業(yè)應(yīng)用中的較低電壓域，例如3.3V及以下（常見于微控制器和此類IC）。

電氣系統(tǒng)需要隔離的原因有幾個(gè)，可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)：

高壓系統(tǒng)：當(dāng)安全受到關(guān)注時(shí)，實(shí)施隔離以防止電流浪涌損壞設(shè)備，保護(hù)人員免受電源電壓等的影響

模擬子系統(tǒng)：隔離用于斷開涉及不同接地電位的接地環(huán)路，尤其是在精密測(cè)量系統(tǒng)中。它還有助于將數(shù)字噪聲與模擬系統(tǒng)隔離開來。

絕緣等級(jí)

表 1 列出了各種絕緣等級(jí)并描述了絕緣材料。有四種類型的絕緣系統(tǒng)，表示系統(tǒng)中的保護(hù)級(jí)別不同。

基本絕緣，即，如果系統(tǒng)只有一層基本保護(hù)。

第二層是補(bǔ)充絕緣，如果基礎(chǔ)絕緣破裂，在基本絕緣上增加了另一層保護(hù)。

基本絕緣和補(bǔ)充絕緣一起稱為雙重絕緣。

增強(qiáng)絕緣，即，如果單層絕緣可以提供與雙重絕緣相同的保護(hù)。

表 1.絕緣等級(jí)的定義

Maxim的數(shù)字隔離器技術(shù)

Maxim專有的工藝和基于邊緣的電容隔離技術(shù)使隔離器能夠以最低的功耗實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸速率，而直接競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品則采用電感技術(shù)或開斷鍵控（OOK）調(diào)制架構(gòu)。圖1顯示了基本隔離器和增強(qiáng)型隔離器的簡(jiǎn)化框圖，圖2顯示了如何在單個(gè)封裝中使用多個(gè)芯片構(gòu)建隔離器的鍵合圖和SEM 圖。4通道隔離器使用兩個(gè)芯片，由于差分信號(hào)，與八根鍵合線互連。二氧化硅的厚度決定了基本隔離等級(jí)與增強(qiáng)隔離等級(jí)。

圖1.Maxim的數(shù)字隔離器架構(gòu)。

圖2.Maxim的多芯片（封裝內(nèi)部視圖）。

國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)

設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)適用于由多個(gè)組件組裝而成的終端設(shè)備。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了各種安全問題，包括絕緣、加壓氣體和電線強(qiáng)度。通常，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了特定應(yīng)用或終端設(shè)備類型的不同方面。例如，國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 61010-1 定義了測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室使用的電氣設(shè)備的安全要求。它與設(shè)備經(jīng)歷的瞬態(tài)電壓以及所用絕緣的特性有關(guān)。本標(biāo)準(zhǔn)沒有專門針對(duì)隔離器。在此IEC標(biāo)準(zhǔn)中找不到隔離器或隔離器一詞。它與隔離器相關(guān)，因?yàn)樗?guī)定了絕緣的瞬態(tài)電壓以及最小爬電距離和間隙距離。因此，市售隔離器的絕緣必須符合這些IEC要求。

支持標(biāo)準(zhǔn)

支持標(biāo)準(zhǔn)提供適用于許多其他標(biāo)準(zhǔn)的定義、方法或要求。支持標(biāo)準(zhǔn)有助于協(xié)調(diào)。一個(gè)例子是IEC 60664-1（低壓系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣協(xié)調(diào)）。該標(biāo)準(zhǔn)也沒有特別提及隔離或隔離器這兩個(gè)詞。

組件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

組件認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)適用于各種應(yīng)用中使用的特定組件。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了所需的測(cè)試、樣本量和預(yù)處理。它們還可以定義數(shù)據(jù)手冊(cè)所需的術(shù)語(yǔ)和信息。除少數(shù)例外情況外，這些標(biāo)準(zhǔn)不設(shè)置性能級(jí)別。相反，性能要求是根據(jù)制造商的規(guī)格。一個(gè)例子是IEC 60747-17。它是使用磁性和電容耦合器進(jìn)行基本和增強(qiáng)隔離的半導(dǎo)體器件的新標(biāo)準(zhǔn)。

組件級(jí)認(rèn)證

讓我們快速了解一下直接影響數(shù)字隔離器制造的規(guī)格（圖3）。

圖3.組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

UL1577 認(rèn)證

UL1577規(guī)范適用于光隔離器。但是，它也用于鑒定電容和電感隔離器。額定值嚴(yán)格基于電壓擊穿。它不包括對(duì)電氣間隙或爬電距離的任何要求。根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的設(shè)備必須承受隔離電壓VISO（由每個(gè)制造商指定），通常為2.5kVRMS或5kVRMS，持續(xù)一分鐘。此外，該規(guī)范允許對(duì)120%的隔離電壓進(jìn)行一秒鐘的生產(chǎn)測(cè)試。通過這些要求（加上 150% 的 VISO 過載和熱老化測(cè)試）的設(shè)備將獲得單一防護(hù)等級(jí)認(rèn)證。雙重保護(hù)等級(jí)要求能夠承受 20kV 放電測(cè)試（施加 50 次）和額定隔離 RMS 電壓或 2.5kVRMS 的 1 秒生產(chǎn)測(cè)試，以較大者為準(zhǔn)。

新型 VDE 0884-11

VDE 0884-11 于 2020 年取代了 VDE 0884-10。與0884-10相比，兩個(gè)主要變化是增加了增強(qiáng)隔離額定值和壽命估計(jì)（基于隔離柵的最壞情況壽命）?？紤]到先前版本的完整內(nèi)容，所有部分都進(jìn)行了修訂：

更新了有關(guān)磁性和電容耦合器定義的部分。

除了加強(qiáng)絕緣外，還引入了基本絕緣。

定義了基本絕緣和增強(qiáng)絕緣的使用壽命。

引入了電壓的外推系數(shù)來確定壽命。

介紹了基本絕緣和增強(qiáng)絕緣的額定壽命的累積故障率。

與所有其他隔離器制造商一樣，Maxim Integrated將其器件送至UL和VDE進(jìn)行認(rèn)證。UL是美國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，VDE總部位于德國(guó)。所有隔離器數(shù)據(jù)手冊(cè)都有一個(gè)表格來顯示安全監(jiān)管認(rèn)證，確保器件的隔離性能經(jīng)過國(guó)際機(jī)構(gòu)的測(cè)試和認(rèn)證。有關(guān)Maxim認(rèn)證文檔的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見數(shù)據(jù)資料（表2所示）和Maxim網(wǎng)站。

表 2.MAX22444–MAX22446安全法規(guī)認(rèn)證

數(shù)字隔離安全認(rèn)證

Maxim數(shù)字隔離器經(jīng)過UL和VDE等公認(rèn)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)的測(cè)試和認(rèn)證，可滿足或超過產(chǎn)品安全和質(zhì)量要求。以下是Maxim數(shù)字隔離器獲得的安全認(rèn)證的概述。單擊表中的產(chǎn)品鏈接以查看證書和產(chǎn)品概述。

安全限值

數(shù)字隔離器必須在故障事件期間承受其安全限制規(guī)格，而不會(huì)影響隔離性能。這必須涵蓋任何器件引腳上的最大電流（IS）、最大功率耗散（PS）和最大結(jié)溫（TS= 150°C）。超出這些規(guī)格的操作可能導(dǎo)致隔離柵不再起作用或縮短其使用壽命。隔離柵必須保持完整，以防止下游系統(tǒng)故障或電氣危險(xiǎn)，這要求工程師采用系統(tǒng)級(jí)保護(hù)方案來限制隔離器超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的安全限值。隔離器數(shù)據(jù)手冊(cè)中有一個(gè)安全限值部分，其中定義了不會(huì)損壞隔離柵或降低其性能的最大電流或功耗限值。在故障事件期間，例如 VDD電源超過其ABS MAX（絕對(duì)最大值）額定值，或因短路而向引腳注入巨大電流，可能會(huì)損壞器件，必須采用系統(tǒng)級(jí)保護(hù)（例如電源模塊中的保護(hù)、限流電阻器）來保護(hù)隔離器不超過其安全限值，從而保護(hù)隔離柵免受損壞。

數(shù)據(jù)表規(guī)格：絕緣特性

所有Maxim隔離器數(shù)據(jù)資料都有說明絕緣規(guī)格的表格，如MAX22444–MAX22446數(shù)據(jù)資料中的表3所示。

表 3.MAX22444–MAX22446數(shù)據(jù)資料 絕緣特性

這規(guī)定了封裝和封裝材料CTI的隔離額定值、工作電壓、爬電距離和間隙。這里的所有規(guī)格都顯示了隔離柵的堅(jiān)固性以及隔離柵可以承受的電壓。

工作電壓由兩個(gè)值定義，最大重復(fù)峰值電壓（VIORM） 和最大工作電壓 （VIOWM），這是在隔離器的整個(gè)使用壽命期間，可以每天連續(xù)地跨勢(shì)壘施加的最大電壓。

隔離電壓也由兩個(gè)值定義，最大瞬態(tài)隔離電壓（V物聯(lián)網(wǎng)），即勢(shì)壘一秒鐘能承受的值，以及最大耐久隔離電壓（V.ISO），這是可以跨勢(shì)壘施加 60 秒的電壓。這是數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)題中始終包含的電壓。

爬電距離是沿絕緣表面測(cè)量的兩種導(dǎo)電材料之間的最短距離，即兩個(gè)引腳。

間隙是通過空氣測(cè)量的兩種導(dǎo)電材料之間的最短距離。間隙不一定是視線（圖4）。

IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了基于V的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最小爬電距離和電氣間隙.ISO， VIOWM、污染程度、器件過電壓類別、材料額定值等。足夠的爬電距離可防止整個(gè)生命周期內(nèi)的跟蹤故障。

跟蹤是由于絕緣表面上或靠近絕緣表面上的放電而在絕緣材料表面上產(chǎn)生局部劣化的部分導(dǎo)電路徑的過程。對(duì)絕緣材料的跟蹤損壞通常是由于以下一個(gè)或多個(gè)原因而發(fā)生的：大氣中的濕度、污染的存在、腐蝕性化學(xué)物質(zhì)以及設(shè)備操作的高度。漏電起痕程度取決于隔離器封裝的比較漏電起痕指數(shù) （CTI） 和環(huán)境中的污染程度。

間隙就像爬電距離一樣，距離、污染程度、溫度和相對(duì)濕度會(huì)影響擊穿的趨勢(shì)。沿著間隙路徑的擊穿是一種快速現(xiàn)象，其中損壞可能由非常短的持續(xù)時(shí)間脈沖（電?。┮?。因此，最大峰值電壓（包括瞬變）應(yīng)決定所需的間隙間距。足夠的間隙距離可防止氣隙（電?。┑碾婋x和隨后的閃絡(luò)。電弧產(chǎn)生與隔離電壓（峰值電壓、短持續(xù)時(shí)間脈沖、瞬態(tài)等）和污染程度有關(guān)。

圖4.半導(dǎo)體封裝的爬電距離和電氣間隙。

比較漏電起痕指數(shù) （CTI） 量化了絕緣封裝材料（相對(duì)于電漏電起痕）的好壞程度，以防止在產(chǎn)品生命周期內(nèi)在污染物存在的情況下在封裝上形成導(dǎo)電路徑。當(dāng)在絕緣材料上施加足夠高的電壓時(shí)，可以通過碳化軌道形成泄漏路徑。當(dāng)工作電壓和污染程度保持恒定時(shí)，較高的CTI材料允許更小的爬電距離和更小的封裝。表4顯示了根據(jù)CTI指數(shù)進(jìn)行的材料分類，表5顯示了污染程度分類。

表 5.污染等級(jí)分類

共模瞬變抗擾度 （CMTI）

CMTI在電氣特性表中指定，盡管它不是隔離或安全規(guī)范。CMTI量化了容忍兩個(gè)接地（共模）之間電位差快速變化而不引起誤差的能力。其規(guī)格單位為kV/μs，通過在隔離柵兩側(cè)的接地之間施加瞬態(tài)來測(cè)量。在電機(jī)控制或柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中需要高CMTI，因?yàn)閮蓚€(gè)隔離接地總是具有不同的電位，并且接地電位總是在變化，例如光伏（PV）逆變器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

圖5所示為MAX22701E隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不斷切換信號(hào)并打開和關(guān)閉柵極（FET）。與微控制器地相比，柵極驅(qū)動(dòng)器接地電位總是變化。由于開關(guān)信號(hào)頻率，這種變化可能非?？?。MAX22700–MAX22702系列產(chǎn)品的CMTI為300kV/μs （典型值）。

圖5.CMTI應(yīng)用示例。

結(jié)論

信號(hào)隔離在當(dāng)今的電路中是必需的，不僅是為了功能，而且是為了提供所需的防觸電保護(hù)。今天，設(shè)計(jì)師受到可用的國(guó)際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證的幫助（或困惑）。UL1577、IEC60747-5、IEC 60747-17 和 VDE0884-11 標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字隔離器所需的關(guān)鍵組件級(jí)認(rèn)證。此外，根據(jù)最終應(yīng)用，還需要 IEC60950-1、IEC61010-1 和 IEC60601-1 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

審核編輯：郭婷