了解数字隔离器安全使用的限制值

电流隔离在工业和汽车系统中很常见，作为防止高电压一种手段。设计人员传统上使用光耦合器进行隔离，但在过去几年中，使用电容和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。对于任何此类隔离器，了解其安全限值的重要性以及如何利用它们对于系统设计都很重要。

在使用隔离器的系统中，确保其绝缘即使在故障条件下也能保持完整可能很重要。为了实现这一目标，管理光耦合器或电容和磁隔离器的元件标准规定了安全限值。这些值指定隔离器的工作条件边界，即使功能不是，绝缘也保留在该边界内。

隔离器故障模式确定安全限值
要了解安全限值指定的内容，请考虑隔离器的设计方式。图1和图2分别说明了光耦合器和电容式数字隔离器的结构。对于光耦合器，硅胶材料和绝缘胶带在两个信号侧之间提供绝缘，而LED和光电探测器提供信号传输。在数字隔离器中，两个独立硅芯片上两个高压电容器的串联提供绝缘，而耦合到高压电容器的电发射和接收电路提供信号传输。
 

图1光耦合器结构

图2数字隔离器结构

隔离器一侧的高电压/大电流/大功率故障事件可能会损坏该侧的电路。例如，短路、静电放电（ESD）和功率晶体管击穿等事件可能会迫使意外的高电压和电流进入隔离器的引脚，从而损坏LED、光电探测器、发射和接收电路以及片上ESD保护。如果芯片中有足够的功率耗散，电路也可能受到严重的结构损坏，例如熔融硅胶绝缘、高压电容器板短路或熔化的键合线。这种结构损坏会降低隔离器的绝缘能力。

从终端系统的角度来看，即使在电气和热应力事件阻碍了隔离器的信号传输操作之后，隔离要求也可能需要保持有效。这是因为隔离栅损坏可能导致二次系统故障或电气危险。例如，在图3中，数字隔离器保护接地的控制和通信模块，而系统的其余部分则浮动。必须考虑数字隔离器内部和周围可能降低隔离器绝缘能力的任何故障的影响，以避免直流接地短路的影响。

图3数字隔离器保护接地的控制和通信模块

让我们看一下两个用于实现数字隔离器安全限制的示例电路。虽然这些示例并非详尽无遗，无法识别所有可能的故障和结果，但它们阐明了安全限制的原则，并应提供如何在隔离系统设计中实现安全限制的了解。

对于第一个示例，图4显示了一个数字隔离器，用作模数转换器（ADC）或模拟前端（AFE）与微控制器（MCU）之间的接口。我将分析此系统的任何一个主要故障，包括此单个故障产生的任何次要故障。（可能需要额外的电路来防止多个主要故障。本分析将重点关注MCU侧的安全限制，尽管您也可以将相同的原理应用于ADC/AFE侧。

图4数字隔离器用作模数转换器

结论

使用隔离器时，了解其安全限值并在设计中做出满足这些值的规定非常重要。未能设计安全限制可能会导致故障，从而造成广泛的系统损坏，如果隔离器的屏障失效，则可能出现火灾和电气危险。示例电路演示了确保在故障条件下保持安全限值的方法。

审核编辑 黄宇