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

觸電安全的主要原則是，在危險加電電路與電氣器件用戶可接觸的任何導(dǎo)體間必須存在相當于兩個獨立絕緣系統(tǒng)的屏障。絕緣系統(tǒng)之一可為安全接地機殼加上單個內(nèi)部絕緣層。另一種方法是配置兩個絕緣系統(tǒng)以提供冗余保護。因此，使用雙重絕緣方法的復(fù)雜電氣系統(tǒng)要求在不損失信號完整性的前提通過兩個絕緣層觸進行電流隔離通信，這就需要具有等效電氣強度和雙冗余絕緣系統(tǒng)可靠性的器件。這種器件稱為加強絕緣器件，依靠結(jié)構(gòu)、型式試驗和生產(chǎn)中持續(xù)監(jiān)控來確保與兩個獨立系統(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標準的結(jié)構(gòu)和測試要求在光耦合器和數(shù)字隔離器中實現(xiàn)加強絕緣，以及與其他適用于兩類隔離器的公認IEC標準的差異。

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)或電機驅(qū)動器中的高壓端器件通信，中斷通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路，或保護用戶免受危險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，僅提供器件正常工作所需的絕緣。絕緣完好無損時，基本絕緣的觸電保護水平足以保護操作員。但為了保護人員免受危險電壓傷害，法規(guī)要求提供兩個獨立絕緣系統(tǒng)：針對觸電保護的基本絕緣以及一個補充層，以便一個絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障時，另一個冗余系統(tǒng)仍能保證操作員的安全。這種設(shè)計稱為雙重絕緣。評估絕緣系統(tǒng)時，首要要求是安全性而非電氣功能，因此評估期間的故障準則是隔離柵在認證后是否完好無損，如果器件仍符合原有技術(shù)規(guī)格則更佳。

圖1.

加強絕緣系統(tǒng)的一個例子是電源中的反饋控制環(huán)路。關(guān)于當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。操作員可能會接觸電源的SELV端，因此，數(shù)據(jù)路徑中必須存在兩個獨立隔離系統(tǒng)或一個加強隔離系統(tǒng)，以便保護操作員免遭電擊。電阻或電容等無源器件可以串聯(lián)運行，功能不會明顯下降，但是將兩個數(shù)據(jù)隔離器放在路徑中卻并不可行，原因有多個。

首先，模擬數(shù)據(jù)將失去保真度，而且數(shù)字數(shù)據(jù)將具有長傳播延遲和附加抖動。其次，需要中間電源才能在兩個絕緣層間運行耦合器接口。由于雙重串聯(lián)數(shù)據(jù)隔離器件不切實際，因此需要直接跨越雙重絕緣邊界連接的單個器件，同時不犧牲安全性。此類器件（圖1）歸類為加強絕緣器件。

圖2.

器件級要求

器件強化絕緣通過兩種方法評估，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標準SOIC封裝的爬電路徑，許多隔離器件都采用這種封裝。對于此類封裝，爬電和間隙具有相同的路徑和長度。爬電距離總是大于或等于電氣間隙。對于絕緣額定值而言，器件還有一個重要的外部特性，那就是相對漏電指數(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)基本層和補充層提供的總距離。一般而言，強化器件的所有爬電距離和電氣間隙兩倍于基本/補充額定器件。圖2例示了兩個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，是因為外部環(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，可耐受長短期電壓應(yīng)力。

IEC 60950標準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微計輕松驗證，并通過散裝材料測試驗證漏電指數(shù)。對于內(nèi)部要求，有三種認證器件的方法。

？ 可在假設(shè)器件僅包含固體絕緣的條件下進行評估。

這是最簡單的方法，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。無需任何進一步測試。不過，符合這些要求的高性能數(shù)據(jù)耦合器難以制造。人們普遍認為0.4 mm最低絕緣厚度適用于所有強化隔離器件；事實并非如此，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標準。這是專為認證光耦合器強化絕緣而設(shè)計的嚴格標準，包含一連串類型測試和壽命測試，且每個測試后安排隔離耐受驗證測試。

？ 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要求的類型測試。該方法由數(shù)字隔離器使用，因為光耦合器標準的測試要求是專為光耦合器結(jié)構(gòu)而定制的。

強化額定值的認證和維護分三個階段完成。

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

表1. 類型測試

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

3. 認證機構(gòu)執(zhí)行定期審查，以驗證材料組合和尺寸未改變，所有裝配線測試使用已校準的設(shè)備正確實施。某些類型測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

上文主要討論應(yīng)用最廣泛的標準之一。不同的標準在器件級具有完全不同的要求。一個標準的各個版本之間甚至也會發(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。由于各標準委員會仍具有很大獨立性，解決此問題可能需要很長時間。系統(tǒng)級標準應(yīng)用的統(tǒng)一趨勢體現(xiàn)在器件級標準的出現(xiàn)，例如IEC 60747-5-5。此類器件級標準可以取代系統(tǒng)級標準的特定要求。目前此標準僅適用于光耦合器，而不適合其他更新的數(shù)字隔離器；不過，VDE已經(jīng)制定標準草案VDE0884-10，將IEC 60747-5-5標準的絕緣測試應(yīng)用于數(shù)字隔離器。

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

結(jié)論

數(shù)字隔離器中的強化絕緣經(jīng)設(shè)計和認證后可提供雙重絕緣系統(tǒng)的保護，同時具有單個絕緣柵的數(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)期間接受型式測試和裝配線測試。通過測試驗證強化絕緣額定值，而不是提供詳細結(jié)構(gòu)要求，這有利于絕緣技術(shù)創(chuàng)新的認證，同時不必為每種新技術(shù)重寫標準。