数据耦合器中的增强隔离

数据隔离器中的增强绝缘经过设计和认证，可提供双绝缘系统的保护，同时提供单个隔离栅提供的数据传输性能。

触电安全的主要原则是，在危险通电的电路和电气设备用户可以接触到的任何导体之间必须有两个等效的独立绝缘系统。这些绝缘系统之一可以是与单层内部绝缘配对的安全接地外壳。另一种方法是使用两个排列的绝缘系统来提供冗余保护。因此，使用双重绝缘方法的复杂电气系统需要在两层绝缘层之间进行电气隔离通信，而不会损失信号完整性。这就产生了对具有两个冗余绝缘系统同等电气强度和可靠性的设备的需求。这被称为增强绝缘装置，它依赖于结构、型式测试和生产中连续监测的组合，以确保与两个独立系统的安全等效性。

我们将根据IEC 60950和相关IEC 60747-5-5和VDE-0884-10标准的结构和测试要求，以及两种隔离器与其他公认的IEC标准的差异，研究光耦合器和数字隔离器如何实现增强绝缘。

安全隔离

现代系统需要隔离的原因有很多：与电池充电系统或电机驱动器中的高端组件通信，断开通信系统中的接地环路，或保护用户免受危险的线路或次级电压的影响。隔离级别由特定应用所需的安全级别决定。功能隔离不为用户提供保护，仅提供组件正常运行所需的绝缘。基本绝缘提供一定程度的防震绝缘，如果绝缘完全完好，足以保护操作员。但是，为了保护人员免受危险电压的影响，法规要求存在两个独立的绝缘系统：用于防震的基本绝缘，以及一个补充层，以便在故障破坏一个绝缘系统时，冗余系统仍将为操作员提供安全。这种类型的布置称为双重绝缘。在评估绝缘系统时，主要要求是安全性，而不是电气功能，因此评估期间的故障标准是隔离栅在认证后是否完好无损——如果零件仍然按照原始规格运行，这是一个额外的好处。

增强绝缘系统的一个例子是电源中的反馈控制回路。有关当前输出电压电平的信息必须从AC-DC转换器的SELV（安全超低电压）侧流向电源的线路侧。操作员可以与电源的 SELV 侧接触，因此数据路径中必须存在两个独立的隔离系统或一个增强绝缘系统，以保护操作员免受冲击。电阻或电容等无源元件可以串联运行，而不会显著降低功能，但由于多种原因，将两个数据隔离器放入路径中是不切实际的。首先，模拟数据会失去保真度，数字数据会有很长的传播延迟和增加的抖动。其次，这将产生对中间电源的需求，以运行两层隔离之间的耦合器接口。将数据隔离设备加倍的不切实际性导致需要单个组件直接跨越双绝缘边界连接而不会牺牲安全性。这种类型的组件（图1）被归类为具有增强绝缘。

图1.

组件级别要求

组件增强绝缘以两种方式进行评估：组件的外部尺寸，例如爬电距离、间隙和漏电起痕指数;和内部电气性能。内部和外部需求以非常不同的方式处理。

爬电距离是电隔离导电结构（如元件引脚）之间沿元件表面的最短距离。间隙是组件中隔离导电结构之间的最短距离，但它不受表面的限制，因此路径可以跳过凹槽并悬挂在脊上。在简单的几何形状中，爬电距离和电气间隙路径通常是相同的。该图显示了JEDEC标准SOIC的爬电距离路径，因为这种封装方式用于许多隔离器件。对于这种封装方式，爬电距离和电气间隙具有相同的路径和长度。爬电距离始终大于或等于电气间隙。对绝缘等级至关重要的组件的另一个外部特性是比较漏电起痕指数 （CTI）。这是衡量绝缘材料在放电下侵蚀的难易程度的指标。较高的跟踪电压将允许更小的爬电距离，同时仍保持安全性。

外部尺寸必须等于双层绝缘系统的基本层和补充层提供的总距离。通常，增强型组件的所有爬电距离和电气间隙要求都是基本/补充额定组件的两倍。图2显示了两种常见工作条件以及所需的爬电距离和电气间隙的示例。采用这种方法是因为外部环境和表面属性决定了外部间距要求。这些包括预期的污染物量、气压以及组件外表面被表面放电侵蚀的趋势，称为跟踪。

图2.

对于组件的内部性能，绝缘的质量比具有特定数量或厚度的绝缘更重要。制造商可以证明该部件具有承受长期和短期电压应力所需的电气性能。

IEC 60950标准的要求适用于办公和电信设备，在很大程度上适用于医疗设备。外部尺寸和材料很容易用千分尺和一些散装材料测试来验证跟踪指数。对于内部要求，有三种方法可以限定组件。

可以对组件进行评估，就好像它只包含固体绝缘材料一样。这是最简单的方法，因为它要求通过绝缘层或沿胶结接头的所有内部距离都大于0.4mm。无需进一步的型式试验。但是，很难制造出满足这些要求的高性能数据耦合器。人们普遍认为，0.4 mm的最小绝缘厚度适用于所有增强型隔离装置;事实并非如此，这是许多工程师的困惑点。

如果元件是光耦合器，则必须采用IEC 60747-5-5标准。这是一个严格的标准，专门设计用于鉴定光耦合器的增强绝缘，并具有一系列型式测试和寿命测试，并在每次测试后进行隔离耐受验证测试。

该元件可被视为半导体器件。此类设备具有一组类似于IEC 60747-5-5要求的型式测试。数字隔离器采用这种方法，因为光耦合器标准的测试要求是专门针对光耦合器结构量身定制的。

强化评级的鉴定和维护分三个阶段完成。

评估材料和尺寸，并进行电气型式测试。测试包括热循环、有限寿命测试以及可能导致加热或灾难性绝缘故障的电气过应力。在每个环境或测试之后，通过耐压测试来检查隔离的完整性。IEC 60747型式试验总结在表1中。

在根据其尺寸和型式测试批准零件后，通过耐压测试制造每个设备的绝缘完整性。在IEC 60747-5-5或同等认证的情况下，还会对每个设备进行局部放电绝缘质量测试。

认证机构进行定期审核，以验证材料组和尺寸没有改变，以及所有装配线测试是否使用校准设备正确进行。一些型式试验定期在样品的基础上重复，并由审核员审查。

 

Materials	Electrical	Mechanical
CTI	Withstand	Thermal Cycle
Flammability	Partial Discharge	Thermal Shock
	Insulation Resistance	Vibration
	Surge	High Temp Storage
	Overload	Creepage/Clearance

 

隔离要求的趋势

之前的讨论围绕应用最广泛的标准之一展开。不同的标准在组件级别可能有不同的要求。它甚至在单个标准中因版本而异。随着IEC趋向于统一方法，这变得越来越不成问题。这可能需要大量时间才能实现，因为各个标准委员会仍然具有很大的独立性。系统级标准应用的统一趋势是可用性组件级标准，例如IEC 60747-5-5。如果组件存在这样的标准，则可以应用它而不是系统级标准的特定要求。目前，该标准仅适用于光耦合器，不适用于其他较新的数字隔离器;然而，VDE已经创建了一个标准VDE0884-10草案，将IEC 60747-5-5标准的绝缘测试应用于数字隔离器。

这两个标准都为加强绝缘设定了高标准，包括 10 kV 或更高水平的浪涌测试。非常薄的绝缘层将无法通过此测试，并且已被证明是许多光耦合器和数字隔离器作为增强绝缘资格的鉴别测试。不能满足要求的组件通常回退到IEC 60747-5-2标准，该标准可以应用于基本绝缘。对于隔离系统的设计者来说，这是另一个令人困惑的问题，因为人们认为IEC 60747-5认证会自动授予增强状态。IEC委员会目前正在修订IEC 60747-5-5标准，以包括数字隔离器。下一个统一标准将适用于所有IEC系统级标准，并应有助于消除未来的混淆。

结论

数据隔离器中的增强绝缘经过设计和认证，可提供双绝缘系统的保护，同时提供单个隔离栅提供的数据传输性能。在外部，组件的爬电距离和间隙要求相当于基本绝缘要求的两倍。在内部，绝缘要么满足固体绝缘的要求，包括通过绝缘最小距离，要么在生产过程中接受广泛的型式测试和装配线测试。通过测试而不是详细的结构要求来验证的增强绝缘等级的可用性允许绝缘技术的创新获得资格，而无需重写每项新技术的标准。

审核编辑：郭婷