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浅谈数字隔离器的安全认证
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2017-11-14
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引言
数字隔离器提供许多电路正确工作所必需的信号隔离和电平转换；同样重要的是，数字隔离器也防止用户受到电击。基于以上所述的基本人身安全考虑，这些隔离器必须经过全面的测试和认证，以确保用户安全。本文简要介绍适用于数字隔离器的国际安全标准和认证。以MAX1493x系列产品为例，介绍设计者必须如何利用数据资料和标准的技术指标表格来确定最适合于具体应用的数字隔离器。
国际安全标准基础
国际电工委员会（IEC）是一家颁布电气安全国际标准的机构，地区规范由诸如UL （美国）、CSA （加拿大）、VDE （德国）和CNCA （中国）等机构负责，实际的测试和认证则由UL、CSA、VDE以及德国的TUV和中国的CQC负责实施。
安全标准可分为三种广义类型：设备标准、支持标准和元件认证标准。经过在多个地区及众多行业的长期发展，安全认证已经演变出大量标准。最近几年，在协调统一这些标准方面又取得了长足进步。如果在某份标准上看到多个前缀，则表示该协调标准满足这些机构的要求。例如，被确定为BS EN IEC的混合标准满足英国标准协会（BS）、欧洲标准（EN）和IEC标准要求。标准协调是一种非常缓慢但十分必要的过程。在达到这一目标之前，元件供应商为了能够在全球范围内销售其器件，就不得不满足尽可能多的标准要求。
设备标准
如您所料，设备安全标准适用于由众多元件组装而成的最终设备。这些标准涵盖各种各样的安全事项，包括绝缘、加压气体以及电源线的强度。IEC 61010-1 （测量、控制和实验室用电气设备的安全要求）主要关注设备承受的瞬态电压以及采用的绝缘特性。该标准不特别针对隔离器。实际上，该IEC标准中未出现过“隔离器”或“隔离”这个词。尽管如此，该标准规定了瞬态电压和绝缘的最小爬电距离和间隙，所以与隔离器紧密相关。因此，认证隔离器的绝缘必须满足IEC标准的要求。
支持标准
支持标准提供适用于其他大量标准的定义、方法或要求。支持标准有助于协调，IEC 60664-1（适用于低压系统内设备的绝缘）就是其中一个例子。同样，该标准并未特别提及隔离或隔离器。
元件认证标准
元件认证标准适用于可用于各种应用的特定元件。这些标准定义要求的测试、样本大小及预处理，也可能定义了数据资料要求的术语和信息。除了少数例外，这些标准不涉及元件性能，而是规定性能要求“遵循制造商的技术指标”。
元件级认证
现在，我们快速了解一下直接影响数字隔离器制造的规范，这非常有用。
UL1577
UL1577规范适用于光隔离器，但也用于判定电容和电感隔离器。等级评定严格基于电压击穿，不包括爬电距离和间隙方面的任何要求。为通过该标准的认证，器件必须承受隔离电压VISO （由制造商规定，通常为2.5kVRMS或5KVRMS）达1分钟。此外，该规范允许采用120%隔离电压进行生产测试，持续时间为1秒钟。满足这些要求的器件（加上150% VISO过载试验和热老化试验）被认定为单保护等级。双保护等级要求能够耐受20kV放电试验（进行50次）和1秒钟额定隔离RMS电压或2.5kVRMS（取大值）的生产测试。
IEC60747-5和VDE0884-10
IEC正在制定电容和电磁隔离器指标规范（IEC60747-17），在本文发表时仍处于草稿阶段。目前为止，IEC60747-5和德国VDE0884-10标准被用于判定数字隔离器。
这些标准基于局部放电试验（而非电压击穿）和隔离耐压。局部放电试验要求将电压斜升至最大瞬态电压VIOTM，持续60秒钟。然后将电压降低至1.5×VIORM，其中VIORM为最大重复峰值隔离电压，持续10秒钟（如果波形为正弦波，那么VIORM为VIOWM的峰值，即最大工作隔离电压，为RMS值）。允许局部放电最高5pC.生产过程中，试验时间缩短为1秒，试验电压为1.875×VIORM.同样，5pC为局部放电门限。
为了通过增强绝缘认证，VDE0884-10包括了附加10kV浪涌电压要求。各种绝缘等级的定义见表1.
只要绝缘保持完整，基本绝缘即可防止电击。然而，为了在绝缘失效的情况下保护操作者免受电击，通常要求冗余（补充）系统。增强绝缘为单绝缘系统，提供相当于双绝缘的保护。
系统级认证
IEC也有一系列适用于系统级认证的标准。最常用于要求隔离的应用的系统级标准有：
●IEC60950-1：信息技术设备
●IEC61010-1：测量、控制和实验室设备
●IEC60601-1：医疗设备
除功能性绝缘认证外，系统级认证规定了防止电击所要求的绝缘等级，包括物理尺寸（例如爬电距离和间隙）、环境条件，当然也包括器件承受规定测试电压的能力。
爬电距离和间隙
爬电距离为两个传导部件（例如两个引脚）之间绝缘材料表面的最短距离。间隙为两个表面之间空气的最短距离（间隙不一定为视线距离）。请参见图1.
图1.半导体封装的爬电距离和间隙。
对于简单结构，爬电距离和间隙可能相同，但爬电距离一般长于间隙。可根据相对漏电起痕指数（CTI）降低爬电距离要求，CTI用于衡量绝缘材料的电击穿（起痕）特性。CTI越高，允许爬电距离越小。表2所示为基于CTI指数的材料分级。
数字隔离器提供许多电路正确工作所必需的信号隔离和电平转换；同样重要的是，数字隔离器也防止用户受到电击。基于以上所述的基本人身安全考虑，这些隔离器必须经过全面的测试和认证，以确保用户安全。本文简要介绍适用于数字隔离器的国际安全标准和认证。以MAX1493x系列产品为例，介绍设计者必须如何利用数据资料和标准的技术指标表格来确定最适合于具体应用的数字隔离器。
国际安全标准基础
国际电工委员会（IEC）是一家颁布电气安全国际标准的机构，地区规范由诸如UL （美国）、CSA （加拿大）、VDE （德国）和CNCA （中国）等机构负责，实际的测试和认证则由UL、CSA、VDE以及德国的TUV和中国的CQC负责实施。
安全标准可分为三种广义类型：设备标准、支持标准和元件认证标准。经过在多个地区及众多行业的长期发展，安全认证已经演变出大量标准。最近几年，在协调统一这些标准方面又取得了长足进步。如果在某份标准上看到多个前缀，则表示该协调标准满足这些机构的要求。例如，被确定为BS EN IEC的混合标准满足英国标准协会（BS）、欧洲标准（EN）和IEC标准要求。标准协调是一种非常缓慢但十分必要的过程。在达到这一目标之前，元件供应商为了能够在全球范围内销售其器件，就不得不满足尽可能多的标准要求。
设备标准
如您所料，设备安全标准适用于由众多元件组装而成的最终设备。这些标准涵盖各种各样的安全事项，包括绝缘、加压气体以及电源线的强度。IEC 61010-1 （测量、控制和实验室用电气设备的安全要求）主要关注设备承受的瞬态电压以及采用的绝缘特性。该标准不特别针对隔离器。实际上，该IEC标准中未出现过“隔离器”或“隔离”这个词。尽管如此，该标准规定了瞬态电压和绝缘的最小爬电距离和间隙，所以与隔离器紧密相关。因此，认证隔离器的绝缘必须满足IEC标准的要求。
支持标准
支持标准提供适用于其他大量标准的定义、方法或要求。支持标准有助于协调，IEC 60664-1（适用于低压系统内设备的绝缘）就是其中一个例子。同样，该标准并未特别提及隔离或隔离器。
元件认证标准
元件认证标准适用于可用于各种应用的特定元件。这些标准定义要求的测试、样本大小及预处理，也可能定义了数据资料要求的术语和信息。除了少数例外，这些标准不涉及元件性能，而是规定性能要求“遵循制造商的技术指标”。
元件级认证
现在，我们快速了解一下直接影响数字隔离器制造的规范，这非常有用。
UL1577
UL1577规范适用于光隔离器，但也用于判定电容和电感隔离器。等级评定严格基于电压击穿，不包括爬电距离和间隙方面的任何要求。为通过该标准的认证，器件必须承受隔离电压VISO （由制造商规定，通常为2.5kVRMS或5KVRMS）达1分钟。此外，该规范允许采用120%隔离电压进行生产测试，持续时间为1秒钟。满足这些要求的器件（加上150% VISO过载试验和热老化试验）被认定为单保护等级。双保护等级要求能够耐受20kV放电试验（进行50次）和1秒钟额定隔离RMS电压或2.5kVRMS（取大值）的生产测试。
IEC60747-5和VDE0884-10
IEC正在制定电容和电磁隔离器指标规范（IEC60747-17），在本文发表时仍处于草稿阶段。目前为止，IEC60747-5和德国VDE0884-10标准被用于判定数字隔离器。
这些标准基于局部放电试验（而非电压击穿）和隔离耐压。局部放电试验要求将电压斜升至最大瞬态电压VIOTM，持续60秒钟。然后将电压降低至1.5×VIORM，其中VIORM为最大重复峰值隔离电压，持续10秒钟（如果波形为正弦波，那么VIORM为VIOWM的峰值，即最大工作隔离电压，为RMS值）。允许局部放电最高5pC.生产过程中，试验时间缩短为1秒，试验电压为1.875×VIORM.同样，5pC为局部放电门限。
为了通过增强绝缘认证，VDE0884-10包括了附加10kV浪涌电压要求。各种绝缘等级的定义见表1.
只要绝缘保持完整，基本绝缘即可防止电击。然而，为了在绝缘失效的情况下保护操作者免受电击，通常要求冗余（补充）系统。增强绝缘为单绝缘系统，提供相当于双绝缘的保护。
系统级认证
IEC也有一系列适用于系统级认证的标准。最常用于要求隔离的应用的系统级标准有：
●IEC60950-1：信息技术设备
●IEC61010-1：测量、控制和实验室设备
●IEC60601-1：医疗设备
除功能性绝缘认证外，系统级认证规定了防止电击所要求的绝缘等级，包括物理尺寸（例如爬电距离和间隙）、环境条件，当然也包括器件承受规定测试电压的能力。
爬电距离和间隙
爬电距离为两个传导部件（例如两个引脚）之间绝缘材料表面的最短距离。间隙为两个表面之间空气的最短距离（间隙不一定为视线距离）。请参见图1.
图1.半导体封装的爬电距离和间隙。
对于简单结构，爬电距离和间隙可能相同，但爬电距离一般长于间隙。可根据相对漏电起痕指数（CTI）降低爬电距离要求，CTI用于衡量绝缘材料的电击穿（起痕）特性。CTI越高，允许爬电距离越小。表2所示为基于CTI指数的材料分级。
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