深入探讨电容隔离技术中增强型数字隔离器的防震保护

如果您是在危险的高压区域工作的人，您可能会稍作停顿，然后考虑一下您是否拥有正确的电气保护。如果您周围系统的设计者选择了符合国际安全标准的两道屏障或加强隔离的设备，那么您就很有可能获得安全保护。两种类型的屏障都可以保护系统电子设备，最重要的是可以保护使用该设备的人员。

如果系统缺乏适当的电流隔离保护，则握手可以进行得很好，也可能不能那么好。

其他设备或人员周围的高压系统需要多层电气隔离。电流隔离是为了防止有害的交流电流在正常运行的电气系统，部件或人体之间流动，同时仍允许信号和功率传输发生。正如他们所说：“电流，而不是电压，是致命的。” 甚至触摸非电隔离的电路也会损坏设备，电路和人员。

在解决数字隔离难题时，您可以使用三个IC选项。电隔离的这些示例是光耦合器和隔离的数字耦合器。具体来说，这包括具有LED和光电检测器的光耦合器；磁耦合器，具有堆叠的带有聚酰亚胺隔板的IC电感器；以及电容耦合器，它们具有在电容器极板之间具有二氧化硅（SiO 2）电介质的IC电容器。该博客深入探讨了电容隔离技术背后的细节。

功能隔离

有两种情况需要隔离。第一种称为功能隔离。功能隔离可确保电路正常运行。一个完美的例子是用隔离装置断开接地回路。断开环路时，一个或多个通道会跨在电路接地的接口上（图2）。

 

图2 单个隔离通道可产生有效的功能隔离。

在图2中，此隔离屏障由底板，SiO 2 电介质和顶板组成。在SiO的厚度2 电介质支撑件的最大重复峰值电压（V IORM）630V的P，最大工作电压（V IOWM 445V的）RMS，最大瞬时隔离电压（V IOTM 6000V的）P，和最大隔离承受电压（V ISO）为3000V RMS。最大浪涌隔离电压（V IOSM），按照IEC61000-4-5等于10kV。这种四通道电容隔离器件也可以采用降噪策略工作。在降噪电路中，屏障上有多个隔离通道，例如ADC的数字SPI通信线。这种隔离将低噪声传感器电路与电路的噪声其余部分分离开来。

双重隔离

安全法规要求双重或加强隔离，并具有第二个隔离屏障以实现冗余。即使第一个障碍物失效，附加的障碍物也可提供电击保护。强大的双重隔离保护了模拟前端或外部工业背板/通信端口，这些端口设计用于在恶劣环境下提高自动化程度。双重隔离需要串联两个等效的隔离设备（图3）。

 

图3 两个单个隔离屏障设备的串联布置创建了一个双重隔离屏障。

在图3中，两个独立的设备具有等效的隔离栅。两种SiO 2 电介质的厚度在V IORM 等于630V RMS，V IOWM 等于445V P，V IOTM 等于6000V P，V ISO 等于3000V RMS以及V IOSM 等于10kV时支持隔离规范。

每个IEC61000-4-5的最大浪涌隔离电压（V IOSM）等于10kV，这量化了器件承受极高电压脉冲的能力。

加强隔离

增强的隔离通过使用一种具有两级功能隔离所需的电气强度，可靠性和防震保护的设备，使系统更紧凑。V IORM，V IOWM，V IOTM，V ISO和V IOSM的高压规范 仍然适用，以确保该器件能够处理高压应力。与双重数字隔离器一样，数字隔离器出现在具有标准隔离要求（IEC 60664-1，IEC 61010-1或IEC61800-5-1）的实际应用系统和终端设备中。电容增强型数字隔离器包含两个串联的隔离电容器栅，被有源电路围绕（图4）。

图4 加固的屏障，在单个设备中具有两个单独的隔离屏障

提供增强隔离的数字隔离器，以及在设备内部具有实际双隔离栅的经过特殊增强的数字隔离器，提供了最强大的保护。在高电压下长时间在现场工作的工厂和电网设备需要这种坚固性，以减少维护成本和停机时间。

通用机器人技术和系统是该行业中的一种增长趋势。有时，相同的模块可能会在操作员可触及的地方以及系统内较深的地方使用，而不需要与人接触。对于增强型数字隔离器而言，低功耗，消耗很少的电流并产生很少的热量至关重要。热会对材料造成压力，并使绝缘势垒退化。节能导致的低热量产生是可靠的数字隔离的关键。

通常在工业应用中需要电隔离，这不仅是为了提供完整的隔离屏障，而且还需要跨屏障发送数据。当操作人员在危险的高压和电子信号链上工作时，必须使用至少两个电流隔离屏障，但最好使用增强型数字隔离器。无论哪种方式，这些屏障中的每一个都可以承受与两个基本隔离屏障相同的测试标准。在同一块PCB上使用两个隔离栅会占用大量空间，这反过来又增加了PCB的成本。通过使用增强型数字隔离器，许多客户更喜欢在PCB上仅使用一个隔离栅。

Bonnie Baker从事模拟和数字设计与系统已有30多年的历史，并以Maxim Integrated的名义撰写此博客。

编辑：hfy