數(shù)據(jù)隔離器中的增強絕緣經(jīng)過設(shè)計和認(rèn)證，可提供雙絕緣系統(tǒng)的保護(hù)，同時提供單個隔離柵提供的數(shù)據(jù)傳輸性能。

觸電安全的主要原則是，在危險通電的電路和電氣設(shè)備用戶可以接觸到的任何導(dǎo)體之間必須有兩個等效的獨立絕緣系統(tǒng)。這些絕緣系統(tǒng)之一可以是與單層內(nèi)部絕緣配對的安全接地外殼。另一種方法是使用兩個排列的絕緣系統(tǒng)來提供冗余保護(hù)。因此，使用雙重絕緣方法的復(fù)雜電氣系統(tǒng)需要在兩層絕緣層之間進(jìn)行電氣隔離通信，而不會損失信號完整性。這就產(chǎn)生了對具有兩個冗余絕緣系統(tǒng)同等電氣強度和可靠性的設(shè)備的需求。這被稱為增強絕緣裝置，它依賴于結(jié)構(gòu)、型式測試和生產(chǎn)中連續(xù)監(jiān)測的組合，以確保與兩個獨立系統(tǒng)的安全等效性。

我們將根據(jù)IEC 60950和相關(guān)IEC 60747-5-5和VDE-0884-10標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和測試要求，以及兩種隔離器與其他公認(rèn)的IEC標(biāo)準(zhǔn)的差異，研究光耦合器和數(shù)字隔離器如何實現(xiàn)增強絕緣。

安全隔離

現(xiàn)代系統(tǒng)需要隔離的原因有很多：與電池充電系統(tǒng)或電機驅(qū)動器中的高端組件通信，斷開通信系統(tǒng)中的接地環(huán)路，或保護(hù)用戶免受危險的線路或次級電壓的影響。隔離級別由特定應(yīng)用所需的安全級別決定。功能隔離不為用戶提供保護(hù)，僅提供組件正常運行所需的絕緣?；窘^緣提供一定程度的防震絕緣，如果絕緣完全完好，足以保護(hù)操作員。但是，為了保護(hù)人員免受危險電壓的影響，法規(guī)要求存在兩個獨立的絕緣系統(tǒng)：用于防震的基本絕緣，以及一個補充層，以便在故障破壞一個絕緣系統(tǒng)時，冗余系統(tǒng)仍將為操作員提供安全。這種類型的布置稱為雙重絕緣。在評估絕緣系統(tǒng)時，主要要求是安全性，而不是電氣功能，因此評估期間的故障標(biāo)準(zhǔn)是隔離柵在認(rèn)證后是否完好無損——如果零件仍然按照原始規(guī)格運行，這是一個額外的好處。

增強絕緣系統(tǒng)的一個例子是電源中的反饋控制回路。有關(guān)當(dāng)前輸出電壓電平的信息必須從AC-DC轉(zhuǎn)換器的SELV（安全超低電壓）側(cè)流向電源的線路側(cè)。操作員可以與電源的 SELV 側(cè)接觸，因此數(shù)據(jù)路徑中必須存在兩個獨立的隔離系統(tǒng)或一個增強絕緣系統(tǒng)，以保護(hù)操作員免受沖擊。電阻或電容等無源元件可以串聯(lián)運行，而不會顯著降低功能，但由于多種原因，將兩個數(shù)據(jù)隔離器放入路徑中是不切實際的。首先，模擬數(shù)據(jù)會失去保真度，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)會有很長的傳播延遲和增加的抖動。其次，這將產(chǎn)生對中間電源的需求，以運行兩層隔離之間的耦合器接口。將數(shù)據(jù)隔離設(shè)備加倍的不切實際性導(dǎo)致需要單個組件直接跨越雙絕緣邊界連接而不會犧牲安全性。這種類型的組件（圖1）被歸類為具有增強絕緣。

圖1.

組件級別要求

組件增強絕緣以兩種方式進(jìn)行評估：組件的外部尺寸，例如爬電距離、間隙和漏電起痕指數(shù);和內(nèi)部電氣性能。內(nèi)部和外部需求以非常不同的方式處理。

爬電距離是電隔離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（如元件引腳）之間沿元件表面的最短距離。間隙是組件中隔離導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間的最短距離，但它不受表面的限制，因此路徑可以跳過凹槽并懸掛在脊上。在簡單的幾何形狀中，爬電距離和電氣間隙路徑通常是相同的。該圖顯示了JEDEC標(biāo)準(zhǔn)SOIC的爬電距離路徑，因為這種封裝方式用于許多隔離器件。對于這種封裝方式，爬電距離和電氣間隙具有相同的路徑和長度。爬電距離始終大于或等于電氣間隙。對絕緣等級至關(guān)重要的組件的另一個外部特性是比較漏電起痕指數(shù) （CTI）。這是衡量絕緣材料在放電下侵蝕的難易程度的指標(biāo)。較高的跟蹤電壓將允許更小的爬電距離，同時仍保持安全性。

外部尺寸必須等于雙層絕緣系統(tǒng)的基本層和補充層提供的總距離。通常，增強型組件的所有爬電距離和電氣間隙要求都是基本/補充額定組件的兩倍。圖2顯示了兩種常見工作條件以及所需的爬電距離和電氣間隙的示例。采用這種方法是因為外部環(huán)境和表面屬性決定了外部間距要求。這些包括預(yù)期的污染物量、氣壓以及組件外表面被表面放電侵蝕的趨勢，稱為跟蹤。

圖2.

對于組件的內(nèi)部性能，絕緣的質(zhì)量比具有特定數(shù)量或厚度的絕緣更重要。制造商可以證明該部件具有承受長期和短期電壓應(yīng)力所需的電氣性能。

IEC 60950標(biāo)準(zhǔn)的要求適用于辦公和電信設(shè)備，在很大程度上適用于醫(yī)療設(shè)備。外部尺寸和材料很容易用千分尺和一些散裝材料測試來驗證跟蹤指數(shù)。對于內(nèi)部要求，有三種方法可以限定組件。

可以對組件進(jìn)行評估，就好像它只包含固體絕緣材料一樣。這是最簡單的方法，因為它要求通過絕緣層或沿膠結(jié)接頭的所有內(nèi)部距離都大于0.4mm。無需進(jìn)一步的型式試驗。但是，很難制造出滿足這些要求的高性能數(shù)據(jù)耦合器。人們普遍認(rèn)為，0.4 mm的最小絕緣厚度適用于所有增強型隔離裝置;事實并非如此，這是許多工程師的困惑點。

如果元件是光耦合器，則必須采用IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是一個嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，專門設(shè)計用于鑒定光耦合器的增強絕緣，并具有一系列型式測試和壽命測試，并在每次測試后進(jìn)行隔離耐受驗證測試。

該元件可被視為半導(dǎo)體器件。此類設(shè)備具有一組類似于IEC 60747-5-5要求的型式測試。數(shù)字隔離器采用這種方法，因為光耦合器標(biāo)準(zhǔn)的測試要求是專門針對光耦合器結(jié)構(gòu)量身定制的。

強化評級的鑒定和維護(hù)分三個階段完成。

評估材料和尺寸，并進(jìn)行電氣型式測試。測試包括熱循環(huán)、有限壽命測試以及可能導(dǎo)致加熱或災(zāi)難性絕緣故障的電氣過應(yīng)力。在每個環(huán)境或測試之后，通過耐壓測試來檢查隔離的完整性。IEC 60747型式試驗總結(jié)在表1中。

在根據(jù)其尺寸和型式測試批準(zhǔn)零件后，通過耐壓測試制造每個設(shè)備的絕緣完整性。在IEC 60747-5-5或同等認(rèn)證的情況下，還會對每個設(shè)備進(jìn)行局部放電絕緣質(zhì)量測試。

認(rèn)證機構(gòu)進(jìn)行定期審核，以驗證材料組和尺寸沒有改變，以及所有裝配線測試是否使用校準(zhǔn)設(shè)備正確進(jìn)行。一些型式試驗定期在樣品的基礎(chǔ)上重復(fù)，并由審核員審查。

隔離要求的趨勢

之前的討論圍繞應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)之一展開。不同的標(biāo)準(zhǔn)在組件級別可能有不同的要求。它甚至在單個標(biāo)準(zhǔn)中因版本而異。隨著IEC趨向于統(tǒng)一方法，這變得越來越不成問題。這可能需要大量時間才能實現(xiàn)，因為各個標(biāo)準(zhǔn)委員會仍然具有很大的獨立性。系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的統(tǒng)一趨勢是可用性組件級標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 60747-5-5。如果組件存在這樣的標(biāo)準(zhǔn)，則可以應(yīng)用它而不是系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)的特定要求。目前，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于光耦合器，不適用于其他較新的數(shù)字隔離器;然而，VDE已經(jīng)創(chuàng)建了一個標(biāo)準(zhǔn)VDE0884-10草案，將IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)的絕緣測試應(yīng)用于數(shù)字隔離器。

這兩個標(biāo)準(zhǔn)都為加強絕緣設(shè)定了高標(biāo)準(zhǔn)，包括 10 kV 或更高水平的浪涌測試。非常薄的絕緣層將無法通過此測試，并且已被證明是許多光耦合器和數(shù)字隔離器作為增強絕緣資格的鑒別測試。不能滿足要求的組件通?；赝说絀EC 60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于基本絕緣。對于隔離系統(tǒng)的設(shè)計者來說，這是另一個令人困惑的問題，因為人們認(rèn)為IEC 60747-5認(rèn)證會自動授予增強狀態(tài)。IEC委員會目前正在修訂IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)，以包括數(shù)字隔離器。下一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將適用于所有IEC系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)有助于消除未來的混淆。

結(jié)論

數(shù)據(jù)隔離器中的增強絕緣經(jīng)過設(shè)計和認(rèn)證，可提供雙絕緣系統(tǒng)的保護(hù)，同時提供單個隔離柵提供的數(shù)據(jù)傳輸性能。在外部，組件的爬電距離和間隙要求相當(dāng)于基本絕緣要求的兩倍。在內(nèi)部，絕緣要么滿足固體絕緣的要求，包括通過絕緣最小距離，要么在生產(chǎn)過程中接受廣泛的型式測試和裝配線測試。通過測試而不是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)要求來驗證的增強絕緣等級的可用性允許絕緣技術(shù)的創(chuàng)新獲得資格，而無需重寫每項新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷