数字隔离器的安全可靠性

设计人员不会因为想要而为其系统添加电流隔离，而是因为他们需要满足国内或国际安全法规。缺点是隔离直接放置在数据路径中，从而引入延迟并降低系统性能。增加隔离还会增加功耗、尺寸和成本。这些都是不幸的权衡。多年来，设计人员一直使用光耦合器，并勉强管理权衡，但新一代电流隔离器（数字隔离器）已经上市并降低了这些损失。它们可实现更小、更节能、更具成本效益的设计，能够实现更高水平的性能。然而，安全标准没有跟上步伐，这给数字隔离器能否实现设计人员使用电流隔离的一个原因造成了混乱和不确定性：它们是否符合安全法规？

答案是肯定的：数字隔离器可以提供与国内和国际标准相同的安全性。然而，与大多数供应商具有类似结构的光耦合器不同，数字隔离器的设计和制造方式不同，这会影响隔离能力，特别是与光耦合器的坚固隔离能力相比。因此，并非所有数字隔离器技术和实现都能提供相同的安全水平。

考虑四个关键的隔离器元件：

绝缘材料

隔离元件

数据传输架构包

每个元素都有不同的选项，由此产生的组合定义了隔离器的功能。我们将专注于绝缘材料，这是安全的关键差异化因素。光耦合器使用多种聚合物材料，包括封装的环氧模塑料。数字隔离器使用类似的聚合物或聚酰亚胺材料，也可以使用二氧化硅。材料和制造工艺导致绝缘寿命和承受高压浪涌的能力存在差异。让我们首先考虑安全标准以及它们与不同类型的隔离器的关系。

了解隔离要求：标准的复杂性

系统级标准解决了环境条件和系统使用之间的差异。例如，对家用电器的要求不同于医院中使用的病人监护仪或工厂的电机驱动器。他们通常通过提出特定于电流隔离器的组件级标准来解决隔离安全问题。有三个值得注意的标准：

IEC 60747：半导体器件—第1部分：概述

UL 1577：光隔离器标准

VDE 0884-10：半导体器件—用于安全隔离的磁性和电容耦合器

虽然每个都有相似的目标——确保用户、操作员和设备安全——但它们采用不同的方法。IEC 60747 包括隔离等级（例如，基本绝缘与加强绝缘）之间的区别，而 UL 1577 强调隔离器在规定的时间段（通常为一分钟）内承受特定电压水平的能力。系统设计人员通常依赖于这些组件级标准中不止一个的认证，以涵盖所有可能的用途和条件。

数字隔离器的兴起使问题变得复杂，因为其中许多标准都是在设计人员受困于光耦合器的时候编写的。这些标准解决了与光耦合器相关的弱点，并提供了保证安全的方法。

这些方法适用于光耦合器;但是，它们可能不适用于数字隔离器。考虑认证工作电压的情况，即跨越隔离栅的连续施加电压。预期具有认证工作电压的隔离器应在其使用寿命内承受该电压。

IEC 60747要求进行生产局部放电测试，以验证光耦合器的工作电压。标准机构已经确定，局部放电起始电压和欺骗电压与光耦合器工作电压相关。制造过程使用注塑成型，容易在塑料材料内产生空隙。这些空隙在应力下会经历更高的电场，并导致局部放电引起的退化。在高压下使用局部放电测试可检测空隙的存在，并可用于剔除否则会在现场失效的部件。

这种局部放电方法并不完全适用于数字隔离器。数字隔离器确实使用类似的封装材料，必须使用局部放电测试缺陷，但绝缘材料还有其他老化机制。用于隔离元件的主要隔离材料通过控制良好的晶圆级工艺沉积，不易产生空隙，从而不易局部放电;然而，其他衰老机制开始占主导地位。当数字隔离器声称具有基于IEC 60747的某个工作电压（通常表示为VIORM）时，这可能会产生误导，因为它仅反映了在给定电压下通过局部放电测试的能力。

由于局部放电是对数字隔离器工作电压的不完整测试，因此需要进行额外的测试和表征。IEC未来的标准将解决这个问题，并纳入这些新方法。在此期间，数字隔离器供应商有责任展示他们如何保证在额定工作电压下终身工作。

测量i耦合器数字隔离器的高压寿命

ADI公司通过局部放电以外的测试来保证i耦合器数字隔离器的工作电压。我耦合器数字隔离器在刨光变压器线圈之间使用20μm厚的聚酰亚胺绝缘层，这是晶圆制造工艺的一部分（见下图）。这种制造工艺允许隔离元件以低成本、卓越的质量和可靠性与任何代工厂半导体工艺集成。下面的横截面显示了由厚聚酰亚胺层隔开的顶部和底部线圈的匝数。聚酰亚胺材料已用于绝缘多年;近十亿 i耦合变压器已经制造和使用可靠超过十年。®

为了测量这些芯片级隔离变压器的工作电压寿命，我们采用了高压耐久性（HVE）设置。HVE 是通过加速电压水平的失效时间实验完成的，通常远高于规定的工作电压。

电荷注入是导致器件隔离击穿的主要 HVE 故障机制。电荷注入聚酰亚胺绝缘层后，它们可能被困在局部陷阱中，在那里它们释放能量。如果释放的能量足够高，聚酰亚胺内的键将断裂，从而产生更多的陷阱位点，从而导致更多的空间电荷捕获。这种正反馈最终会导致绝缘击穿。

通过热力学分析1，寿命 L 可以表示为

其中 Et是不会发生电荷注入的阈值字段，m、n 是缩放常数。

已观察到来自i耦合器器件的HVE数据遵循

其中 L 是 10 ppm 时的失效时间，V 是施加的连续高压。

下图显示了一个简化的示例，其中使用来自高压应力样本的四个数据点来拟合模型并推断回典型工作电压。

该数据是通过将样品置于800 V至2000 V rms的60 Hz共模电位差下来测量的。每个单元的失效时间记录在下面的威布尔图中。对于预期工作电压范围内的较低电压，故障时间是外推的。

我耦合器 HVE 寿命取决于施加的电压是交流还是直流。在直流应力下，静态场抑制能量的陷阱/复合释放。因此，直流寿命比交流寿命长得多。我耦合器产品始终指定最坏情况下的交流寿命。

工作电压的均方根规格也有些误导。400 V rms波形实际上是正560 V和负560 V之间的正弦切换，因此跨越势垒的完整峰峰值应力实际上是1120 V。我们已经确认，额定值为400 V rms的双极性波形的寿命与1120 V峰峰值波形的寿命相同，与中心位置无关。在安全至关重要的情况下，数据手册应保守，以确保没有潜在危险，这就是为什么i耦合器数字隔离器的数据手册规定了绝对最差情况下的工作电压。

结论

数字隔离器的引入使本已复杂的安全标准难题变得更加混乱，因为并非所有标准都涉及数字隔离器的要求，数字隔离器使用不同的材料和元件进行电气隔离。在某些工作电压条件下，基于局部放电的认证不足以保证数十年使用中的可靠安全运行，就像光耦合器一样。为了解决这一缺陷，正在制定新的标准，但在此之前，数字隔离器供应商必须用可靠的数据来补充这些标准，以支持数十年的可靠性声明。我基于聚酰亚胺绝缘的耦合器数字隔离器已经做到了这一点，并且通过加速寿命测试可以保证在额定工作电压下超过50年的安全运行。

审核编辑：郭婷