數(shù)據(jù)隔離器中的增強(qiáng)絕緣經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和認(rèn)證，可提供雙絕緣系統(tǒng)的保護(hù)，同時(shí)提供單個(gè)隔離柵提供的數(shù)據(jù)傳輸性能。

觸電安全的主要原則是，在危險(xiǎn)通電的電路和電氣設(shè)備用戶可以接觸到的任何導(dǎo)體之間必須有兩個(gè)等效的獨(dú)立絕緣系統(tǒng)。這些絕緣系統(tǒng)之一可以是與單層內(nèi)部絕緣配對(duì)的安全接地外殼。另一種方法是使用兩個(gè)排列的絕緣系統(tǒng)來(lái)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)需要在兩層絕緣層之間進(jìn)行電氣隔離通信，而不會(huì)損失信號(hào)完整性。這就產(chǎn)生了對(duì)具有兩個(gè)冗余絕緣系統(tǒng)同等電氣強(qiáng)度和可靠性的設(shè)備的需求。這被稱為增強(qiáng)絕緣裝置，它依賴于結(jié)構(gòu)、型式測(cè)試和生產(chǎn)中連續(xù)監(jiān)測(cè)的組合，以確保與兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的安全等效性。

我們將根據(jù)IEC 60950和相關(guān)IEC 60747-5-5和VDE-0884-10標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試要求，以及兩種隔離器與其他公認(rèn)的IEC標(biāo)準(zhǔn)的差異，研究光耦合器和數(shù)字隔離器如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)絕緣。

安全隔離

現(xiàn)代系統(tǒng)需要隔離的原因有很多：與電池充電系統(tǒng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的高端組件通信，斷開(kāi)通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路，或保護(hù)用戶免受危險(xiǎn)的線路或次級(jí)電壓的影響。隔離級(jí)別由特定應(yīng)用所需的安全級(jí)別決定。功能隔離不為用戶提供保護(hù)，僅提供組件正常運(yùn)行所需的絕緣?；窘^緣提供一定程度的防震絕緣，如果絕緣完全完好，足以保護(hù)操作員。但是，為了保護(hù)人員免受危險(xiǎn)電壓的影響，法規(guī)要求存在兩個(gè)獨(dú)立的絕緣系統(tǒng)：用于防震的基本絕緣，以及一個(gè)補(bǔ)充層，以便在故障破壞一個(gè)絕緣系統(tǒng)時(shí)，冗余系統(tǒng)仍將為操作員提供安全。這種類型的布置稱為雙重絕緣。在評(píng)估絕緣系統(tǒng)時(shí)，主要要求是安全性，而不是電氣功能，因此評(píng)估期間的故障標(biāo)準(zhǔn)是隔離柵在認(rèn)證后是否完好無(wú)損——如果零件仍然按照原始規(guī)格運(yùn)行，這是一個(gè)額外的好處。

增強(qiáng)絕緣系統(tǒng)的一個(gè)例子是電源中的反饋控制回路。有關(guān)當(dāng)前輸出電壓電平的信息必須從AC-DC轉(zhuǎn)換器的SELV（安全超低電壓）側(cè)流向電源的線路側(cè)。操作員可以與電源的 SELV 側(cè)接觸，因此數(shù)據(jù)路徑中必須存在兩個(gè)獨(dú)立的隔離系統(tǒng)或一個(gè)增強(qiáng)絕緣系統(tǒng)，以保護(hù)操作員免受沖擊。電阻或電容等無(wú)源元件可以串聯(lián)運(yùn)行，而不會(huì)顯著降低功能，但由于多種原因，將兩個(gè)數(shù)據(jù)隔離器放入路徑中是不切實(shí)際的。首先，模擬數(shù)據(jù)會(huì)失去保真度，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)有很長(zhǎng)的傳播延遲和增加的抖動(dòng)。其次，這將產(chǎn)生對(duì)中間電源的需求，以運(yùn)行兩層隔離之間的耦合器接口。將數(shù)據(jù)隔離設(shè)備加倍的不切實(shí)際性導(dǎo)致需要單個(gè)組件直接跨越雙絕緣邊界連接而不會(huì)犧牲安全性。這種類型的組件（圖1）被歸類為具有增強(qiáng)絕緣。

圖1.

組件級(jí)別要求

組件增強(qiáng)絕緣以兩種方式進(jìn)行評(píng)估：組件的外部尺寸，例如爬電距離、間隙和漏電起痕指數(shù);和內(nèi)部電氣性能。內(nèi)部和外部需求以非常不同的方式處理。

爬電距離是電隔離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（如元件引腳）之間沿元件表面的最短距離。間隙是組件中隔離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間的最短距離，但它不受表面的限制，因此路徑可以跳過(guò)凹槽并懸掛在脊上。在簡(jiǎn)單的幾何形狀中，爬電距離和電氣間隙路徑通常是相同的。該圖顯示了JEDEC標(biāo)準(zhǔn)SOIC的爬電距離路徑，因?yàn)檫@種封裝方式用于許多隔離器件。對(duì)于這種封裝方式，爬電距離和電氣間隙具有相同的路徑和長(zhǎng)度。爬電距離始終大于或等于電氣間隙。對(duì)絕緣等級(jí)至關(guān)重要的組件的另一個(gè)外部特性是比較漏電起痕指數(shù) （CTI）。這是衡量絕緣材料在放電下侵蝕的難易程度的指標(biāo)。較高的跟蹤電壓將允許更小的爬電距離，同時(shí)仍保持安全性。

外部尺寸必須等于雙層絕緣系統(tǒng)的基本層和補(bǔ)充層提供的總距離。通常，增強(qiáng)型組件的所有爬電距離和電氣間隙要求都是基本/補(bǔ)充額定組件的兩倍。圖2顯示了兩種常見(jiàn)工作條件以及所需的爬電距離和電氣間隙的示例。采用這種方法是因?yàn)橥獠凯h(huán)境和表面屬性決定了外部間距要求。這些包括預(yù)期的污染物量、氣壓以及組件外表面被表面放電侵蝕的趨勢(shì)，稱為跟蹤。

圖2.

對(duì)于組件的內(nèi)部性能，絕緣的質(zhì)量比具有特定數(shù)量或厚度的絕緣更重要。制造商可以證明該部件具有承受長(zhǎng)期和短期電壓應(yīng)力所需的電氣性能。

IEC 60950標(biāo)準(zhǔn)的要求適用于辦公和電信設(shè)備，在很大程度上適用于醫(yī)療設(shè)備。外部尺寸和材料很容易用千分尺和一些散裝材料測(cè)試來(lái)驗(yàn)證跟蹤指數(shù)。對(duì)于內(nèi)部要求，有三種方法可以限定組件。

可以對(duì)組件進(jìn)行評(píng)估，就好像它只包含固體絕緣材料一樣。這是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樗笸ㄟ^(guò)絕緣層或沿膠結(jié)接頭的所有內(nèi)部距離都大于0.4mm。無(wú)需進(jìn)一步的型式試驗(yàn)。但是，很難制造出滿足這些要求的高性能數(shù)據(jù)耦合器。人們普遍認(rèn)為，0.4 mm的最小絕緣厚度適用于所有增強(qiáng)型隔離裝置;事實(shí)并非如此，這是許多工程師的困惑點(diǎn)。

如果元件是光耦合器，則必須采用IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，專門設(shè)計(jì)用于鑒定光耦合器的增強(qiáng)絕緣，并具有一系列型式測(cè)試和壽命測(cè)試，并在每次測(cè)試后進(jìn)行隔離耐受驗(yàn)證測(cè)試。

該元件可被視為半導(dǎo)體器件。此類設(shè)備具有一組類似于IEC 60747-5-5要求的型式測(cè)試。數(shù)字隔離器采用這種方法，因?yàn)楣怦詈掀鳂?biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求是專門針對(duì)光耦合器結(jié)構(gòu)量身定制的。

強(qiáng)化評(píng)級(jí)的鑒定和維護(hù)分三個(gè)階段完成。

評(píng)估材料和尺寸，并進(jìn)行電氣型式測(cè)試。測(cè)試包括熱循環(huán)、有限壽命測(cè)試以及可能導(dǎo)致加熱或?yàn)?zāi)難性絕緣故障的電氣過(guò)應(yīng)力。在每個(gè)環(huán)境或測(cè)試之后，通過(guò)耐壓測(cè)試來(lái)檢查隔離的完整性。IEC 60747型式試驗(yàn)總結(jié)在表1中。

在根據(jù)其尺寸和型式測(cè)試批準(zhǔn)零件后，通過(guò)耐壓測(cè)試制造每個(gè)設(shè)備的絕緣完整性。在IEC 60747-5-5或同等認(rèn)證的情況下，還會(huì)對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行局部放電絕緣質(zhì)量測(cè)試。

認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期審核，以驗(yàn)證材料組和尺寸沒(méi)有改變，以及所有裝配線測(cè)試是否使用校準(zhǔn)設(shè)備正確進(jìn)行。一些型式試驗(yàn)定期在樣品的基礎(chǔ)上重復(fù)，并由審核員審查。

隔離要求的趨勢(shì)

之前的討論圍繞應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一展開(kāi)。不同的標(biāo)準(zhǔn)在組件級(jí)別可能有不同的要求。它甚至在單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中因版本而異。隨著IEC趨向于統(tǒng)一方法，這變得越來(lái)越不成問(wèn)題。這可能需要大量時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦鱾€(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)仍然具有很大的獨(dú)立性。系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的統(tǒng)一趨勢(shì)是可用性組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 60747-5-5。如果組件存在這樣的標(biāo)準(zhǔn)，則可以應(yīng)用它而不是系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的特定要求。目前，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于光耦合器，不適用于其他較新的數(shù)字隔離器;然而，VDE已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)VDE0884-10草案，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)都為加強(qiáng)絕緣設(shè)定了高標(biāo)準(zhǔn)，包括 10 kV 或更高水平的浪涌測(cè)試。非常薄的絕緣層將無(wú)法通過(guò)此測(cè)試，并且已被證明是許多光耦合器和數(shù)字隔離器作為增強(qiáng)絕緣資格的鑒別測(cè)試。不能滿足要求的組件通?；赝说絀EC 60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于基本絕緣。對(duì)于隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，這是另一個(gè)令人困惑的問(wèn)題，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為IEC 60747-5認(rèn)證會(huì)自動(dòng)授予增強(qiáng)狀態(tài)。IEC委員會(huì)目前正在修訂IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)，以包括數(shù)字隔離器。下一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將適用于所有IEC系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)有助于消除未來(lái)的混淆。

結(jié)論

數(shù)據(jù)隔離器中的增強(qiáng)絕緣經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和認(rèn)證，可提供雙絕緣系統(tǒng)的保護(hù)，同時(shí)提供單個(gè)隔離柵提供的數(shù)據(jù)傳輸性能。在外部，組件的爬電距離和間隙要求相當(dāng)于基本絕緣要求的兩倍。在內(nèi)部，絕緣要么滿足固體絕緣的要求，包括通過(guò)絕緣最小距離，要么在生產(chǎn)過(guò)程中接受廣泛的型式測(cè)試和裝配線測(cè)試。通過(guò)測(cè)試而不是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)要求來(lái)驗(yàn)證的增強(qiáng)絕緣等級(jí)的可用性允許絕緣技術(shù)的創(chuàng)新獲得資格，而無(wú)需重寫(xiě)每項(xiàng)新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷