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(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)或國(guó)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(huì)導(dǎo)致延遲并使系統(tǒng)變慢。此外還會(huì)增加功耗、尺寸和成本。這些折中令人遺憾。多年來(lái)，設(shè)計(jì)工程師使用光耦合器，勉強(qiáng)應(yīng)對(duì)這些缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)尺寸更小、能效更高、更具性價(jià)比、性能更高的設(shè)計(jì)。然而，安全標(biāo)準(zhǔn)并未同步跟進(jìn)，給數(shù)字隔離器帶來(lái)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(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。但是，大多數(shù)供應(yīng)商提供的光耦合器具有相似的結(jié)構(gòu)，數(shù)字隔離器則不然，不同供應(yīng)商以不同方式設(shè)計(jì)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(qiáng)健的隔離能力相比較時(shí)。因此，并非所有數(shù)字隔離器技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案都能提供同樣的安全性。

隔離器有四個(gè)主要考慮因素：

? 絕緣材料
? 隔離元件
? 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)
? 封裝

每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)以及它們與不同類型隔離器的關(guān)系。

了解隔離要求：標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性

系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)儀或工廠中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求。它們常常通過(guò)引用電流隔離器特定的器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)明隔離安全性。有三種標(biāo)準(zhǔn)值得注意：

? IEC 60747：半導(dǎo)體器件——第1部分：通則
? UL 1577：光學(xué)隔離器標(biāo)準(zhǔn)
? VDE 0884-10：半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)相似，即確保用戶、操作員和設(shè)備的安全性，但采用的方法不同。IEC 60747區(qū)分了隔離等級(jí)(例如基本絕緣與增強(qiáng)絕緣)，UL 1577則注重隔離器在一定時(shí)間內(nèi)(通常是1分鐘)耐受某一電壓水平的能力。為了適應(yīng)所有可能的使用情形和條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師常常需要獲得多種器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

數(shù)字隔離器的興起使問題更加復(fù)雜，因?yàn)樵S多此類標(biāo)準(zhǔn)是在設(shè)計(jì)師只有光耦合器可用時(shí)制定的。這些標(biāo)準(zhǔn)緊盯與光耦合器相關(guān)的弱點(diǎn)，提供了保證安全性的途徑。

對(duì)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(rèn)證工作電壓為例，它是連續(xù)施加于隔離柵的電壓。具有認(rèn)證工作電壓的隔離器應(yīng)能終身耐受該電壓。

IEC 60747要求通過(guò)生產(chǎn)部分放電測(cè)試來(lái)驗(yàn)證光耦合器的工作電壓。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)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(guān)。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(chǎng)，導(dǎo)致部分放電引起的性能降低。在高壓下進(jìn)行部分放電測(cè)試可以檢測(cè)是否存在空洞，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中會(huì)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(shí)使用類似的封裝材料，必須利用部分放電進(jìn)行測(cè)試以判斷有無(wú)缺陷，但還有其他老化機(jī)制與絕緣材料相關(guān)。

隔離元件使用的主要隔離材料是通過(guò)嚴(yán)密控制的晶圓級(jí)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(jī)制開始占主導(dǎo)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(huì)造成誤解，因?yàn)樗鼉H反映在給定電壓下通過(guò)部分放電測(cè)試的能力。

由于部分放電對(duì)于數(shù)字隔離器工作電壓是不完整的測(cè)試，因此需要其他測(cè)試和表征。IEC的未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)將解決這一問題并引入新的方法。在過(guò)渡期間，數(shù)字隔離器供應(yīng)商有義務(wù)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(cè)量iCoupler數(shù)字隔離器的高壓壽命

ADI公司通過(guò)部分放電以外的測(cè)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(dǎo)體工藝集成，實(shí)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(guò)去十多年來(lái)，已有近10億只iCoupler變壓器投入使用。

為了測(cè)量這些芯片級(jí)隔離變壓器的工作電壓壽命，我們采用高壓耐受性(HVE)設(shè)置。HVE是在更高電壓水平(通常遠(yuǎn)高于額定工作電壓)下通過(guò)失效時(shí)間實(shí)驗(yàn)完成的。

電荷注入是導(dǎo)致器件隔離擊穿的主要HVE失效機(jī)制。電荷注入聚酰亞胺絕緣層后，可能會(huì)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(huì)斷開，從而產(chǎn)生更多陷阱位置，導(dǎo)致更多空間電荷被捕捉。這種正反饋?zhàn)罱K造成絕緣擊穿。

通過(guò)熱力學(xué)分析1，壽命L可以表示為：

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

其中，L是10 ppm時(shí)的失效時(shí)間，V是施加的連續(xù)高壓。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)化示例，使用來(lái)自高壓受測(cè)樣本的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)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(cè)得的。各單元的失效時(shí)間記錄并匯總于下面的威布爾圖中。對(duì)于預(yù)期工作電壓范圍內(nèi)的較低電壓，失效時(shí)間通過(guò)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(chǎng)會(huì)阻止能量的捕捉/重組合釋放。因此，直流壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)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(shí)際上是一個(gè)在正560 V與負(fù)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(shí)際上是1120 V。我們已經(jīng)確認(rèn)，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(wú)關(guān)。由于安全至關(guān)重要，數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)采取保守態(tài)度以確保無(wú)潛在危險(xiǎn)，因此iCoupler數(shù)字隔離器的數(shù)據(jù)手冊(cè)指定了絕對(duì)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(fù)雜的安全標(biāo)準(zhǔn)愈加令人困惑，因?yàn)閿?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(biāo)準(zhǔn)都適用于數(shù)字隔離器的要求。關(guān)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(rèn)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(yīng)對(duì)這些問題的新標(biāo)準(zhǔn)正在制定過(guò)程中，但在新標(biāo)準(zhǔn)頒布以前，數(shù)字隔離器供應(yīng)商必須用可靠的數(shù)據(jù)彌補(bǔ)這些標(biāo)準(zhǔn)，支持可靠性達(dá)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(cè)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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