【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品使用各種各樣的元器件，其中一些器件對于保護(hù)使用者來說至關(guān)重要。隔離器常用來保護(hù)/隔離使用著免受危險電壓的傷害，但如何為安全保護(hù)選擇正確的隔離器常使人感到困惑。隔離電壓、工作電壓、標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證證書還是……究竟什么最重要？本文就在危險電壓電路需要與產(chǎn)品用戶隔離的場合中，如何選擇隔離器答疑解惑。
±3.3V、5V和12V等非危險直流電壓電路一般是用戶可觸摸的，必須與高于 30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc（30V有效值/42.4V峰值/60V直流）的危險電壓隔離開來，防止用戶受到危險電壓的傷害！安全隔離是指不可觸摸的危險電路(高于30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)與用戶可觸摸的電路(不高于30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)之間的隔離。安全隔離有多個等級：基本型、雙層型和增強(qiáng)型。危險電壓和用戶可接觸電路之間要求增強(qiáng)型絕緣。
隔離器件是可以提供安全隔離(絕緣)的集成電路半導(dǎo)體器件(IC)。它們的功能是使信號通過各種介質(zhì)(包括光、磁(電感)和電容(電荷))完成從初級耦合到次級電路的傳輸。隔離器件被認(rèn)為是安全關(guān)鍵性器件，需要加以專門考慮，確保它們滿足相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)，能夠在產(chǎn)品中安全地使用。
本文的目的是突出危險電壓應(yīng)用中使用的隔離器的標(biāo)準(zhǔn)、絕緣、測試和等級。隔離器在這些應(yīng)用中用作安全隔離器件。本文覆蓋的重要的隔離器參數(shù)包括：
器件標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60747-5-5, VDE 0884-101, UL 1577)
增強(qiáng)型絕緣(測試與間距)
工作電壓，VIORM (供電電壓)；例如,150-600Vac (210-840Vpeak)
隔離電壓，VIOTM (測試電壓)； 例如, 2500-5000Vac
VDE和UL證書(國際和北美)
IEC 60747-17 (VDE 0884-11)，未來將替代數(shù)字隔離器標(biāo)準(zhǔn)VDE 0884-10
隔離器技術(shù)
目前在用的有三種隔離器技術(shù)：
光——在透明的非導(dǎo)電絕緣層中用(LED)光進(jìn)行信號傳輸。優(yōu)點是高電氣隔離度。使用的是有機(jī)硅聚合物絕緣材料。
磁——使用變壓器線圈設(shè)計的感應(yīng)性耦合傳輸，可提供高頻信號的高度隔離。使用的是聚酰亞胺或二氧化硅絕緣材料。
電容——通過電容的方法使用變化的磁場傳輸能量。具有高速度和相對小封裝的特性。使用的是二氧化硅絕緣材料。
光學(xué)隔離器，也稱光耦，采用不透明的有機(jī)硅聚合物作為內(nèi)部絕緣材料。光耦具有較大的尺寸，在使用薄膜阻隔層時可以提供很高的隔離度。更新一代的數(shù)字隔離器——磁和電容隔離器在性能、尺寸和功效方面具有很大的優(yōu)勢。數(shù)字隔離器使用聚酰亞胺/二氧化硅作為絕緣材料。光學(xué)隔離器基本上依靠厚度實現(xiàn)內(nèi)部間隔，而數(shù)字隔離器的絕緣層不到千分之一英寸，依賴的是安全性測試(圖1)。
圖1 光學(xué)隔離器與數(shù)字隔離器的比較。
產(chǎn)品與器件標(biāo)準(zhǔn)
理解產(chǎn)品與器件標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別很重要，這些產(chǎn)品和器件安全標(biāo)準(zhǔn)具有不同的范圍、測試和要求。
產(chǎn)品就是隨時會用到的設(shè)備。針對產(chǎn)品(設(shè)備)的安全標(biāo)準(zhǔn)例子有：針對信息技術(shù)設(shè)備的IEC 60950-1，針對測量設(shè)備的IEC 61010-1，針對醫(yī)療設(shè)備的IEC 60601-1。產(chǎn)品需要承受一分鐘的隔離測試電壓，這也被稱為電介質(zhì)耐受度、高電位或高壓測試。隔離器不能連續(xù)工作在隔離(測試)電壓下。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也允許局部放電，但這種局部放電可能會因為絕緣介質(zhì)中存在的小氣泡或雜質(zhì)而降低絕緣層性能。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不包含對隔離器件絕緣層施加完全應(yīng)力的測試。
注：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)在隔離性能方面主要關(guān)心的是電介質(zhì)耐受測試電壓。這是一種時長一分鐘的短暫測試，測試電壓一般是2500-5000Vac。產(chǎn)品不能連續(xù)工作在測試電壓下。不要認(rèn)為額定隔離電壓2500Vac的隔離器可以工作在2500Vac這個電壓。
器件是裝配進(jìn)(內(nèi)置于)產(chǎn)品中的電氣/電子元件。相關(guān)的隔離器件安全標(biāo)準(zhǔn)有：針對光學(xué)隔離器的IEC 60747-5-5、針對數(shù)字隔離器的VDE 0884-10和針對光學(xué)/數(shù)字隔離器的UL 1577。與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相比，器件標(biāo)準(zhǔn)具有不同的通常嚴(yán)格得多的安全要求和測試。隔離器件標(biāo)準(zhǔn)要求做局部放電測試，用于檢查隔離器的內(nèi)部絕緣層是否會被擊穿。局部放電是一種IEC/VDE隔離器件測試，可以用來檢測隨著時間的推移可能會出現(xiàn)的微小缺陷。與隔離測試電壓相比，局部放電測試是一種更好的隔離器內(nèi)部絕緣介質(zhì)測試方法。
注：工作電壓VIORM在IEC 60747-5-5 (光學(xué))和VDE 0884-10 (數(shù)字)標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。工作電壓是在正常工作時可以連續(xù)施加到隔離器上的電壓。額定工作電壓平均值在150-500Vac之間。隔離器的工作電壓必須與產(chǎn)品工作時的供電電壓一樣高。
在標(biāo)準(zhǔn)可以實施之前，器件和產(chǎn)品必須在安全標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。如表1所示，隔離器是不在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)的器件。因此產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不適用于隔離器。
表1 器件和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的范圍
與標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的另外一個問題是，器件標(biāo)準(zhǔn)在歐洲/國際(IEC/VDE)和北美(UL)之間是不等效的，這意味著隔離器需要同時滿足IEC/VDE和UL器件標(biāo)準(zhǔn)。
警告：在安全評估和測試時一定要使用正確的隔離器件標(biāo)準(zhǔn)。隔離器也需要同時滿足IEC/VDE和UL器件標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)有IEC、VDE和CE，北美標(biāo)準(zhǔn)是UL。隔離器件安全標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 60747-5-5, VDE 0884-10, UL 1577。
間距-電氣間隙，爬電距離，基本型，增強(qiáng)型
除了測試外，為了保護(hù)用戶，安全標(biāo)準(zhǔn)要求將特殊電路分隔開來。這就形成了危險電壓和非危險的可觸摸電路之間的間隔距離。基本型、雙層型和增強(qiáng)型是安全隔離等級。基本型就一層，雙層型是兩層。增強(qiáng)型是單個絕緣系統(tǒng)，等效于雙層型。即使在絕緣層中出現(xiàn)了單個錯誤或故障，產(chǎn)品和器件也必須保持安全。一般認(rèn)為在一個絕緣層中可能發(fā)生單一故障。當(dāng)?shù)谝粚?基層)發(fā)生單一故障時，要求增強(qiáng)型絕緣來保護(hù)用戶。換句話說，如果故障發(fā)生在基本隔離層中，第二個隔離層仍要能保護(hù)用戶。基本型隔離不足以保護(hù)產(chǎn)品用戶。增強(qiáng)型絕緣可以解決這種單一故障問題。
注：安全標(biāo)準(zhǔn)要求采取增強(qiáng)型絕緣措施來保護(hù)產(chǎn)品用戶，防止他們受到危險電壓(>30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)的傷害。
圖2 電氣間隙和爬電距離。
在電氣間隙和爬電距離標(biāo)準(zhǔn)中，外部間距是從輸入到輸出的測量結(jié)果(圖2)。電氣間隙是兩個電路之間經(jīng)過空氣的最短距離。爬電距離是電路表面上的最短距離。隔離器的外部輸入至輸出(AC至DC)電路間距需要滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的距離，依據(jù)是產(chǎn)品的供電電壓。IEC 60950-1是描述間距要求的主要標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，一個250Vac產(chǎn)品中使用的隔離器具有4.0/3.0mm電氣間隙距離和6.0mm的爬電距離(表2)。
表2 電氣間隙、爬電距離和測試電壓
內(nèi)部間距是經(jīng)過絕緣介質(zhì)的距離，對光學(xué)隔離器來說一般是100-400 μm厚。另一方面，數(shù)字隔離器的內(nèi)部間距是通過測試驗證的，不是厚度，因為它的絕緣層厚度非常薄，一般只有7-32μm (圖1)。
VDE/UL證書或制造商規(guī)范通常提供隔離器的外部間距值。出于驗證的目的，也可以簡單地測量隔離器樣品上的間距。有關(guān)間距的更多信息，請參考相關(guān)的產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)。
規(guī)范和證書
在為一個產(chǎn)品設(shè)計選擇隔離器之前知道要看什么很重要。隔離器規(guī)范可能會令人困惑，因為它可能不提供全部的信息。當(dāng)規(guī)范應(yīng)該強(qiáng)調(diào)隔離工作電壓(如150- 600 Vac)和器件標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60747-5-5)時，有時卻只提供隔離測試電壓(如2-500--5-000 Vac)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60950-1等)。另外一個問題是，規(guī)范可能根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)說是增強(qiáng)型的，而實際上根據(jù)器件標(biāo)準(zhǔn)隔離器只是基本型的。記住，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和基本型隔離不足以保證安全。
一定要確認(rèn)隔離器擁有VDE和UL證書。你可以在VDE和UL證書目錄中檢查隔離器是否有必要的證書。然而，一些安全等級在目錄中可能見不到。確保隔離器滿足安全規(guī)則的最好途徑是從隔離器制造商那邊獲得一份VDE和UL證書復(fù)印件。如果證書沒有顯示你需要的信息，你還可以申請VDE/UL報告。
警告：重點關(guān)注隔離器的安全等級和證書。注意規(guī)范是否突出了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或隔離電壓。規(guī)范應(yīng)該清晰地表明器件標(biāo)準(zhǔn)、工作電壓和增強(qiáng)型絕緣。獲取VDE和UL證書作為符合安全性的憑證。
本文小結(jié)
在選擇隔離器并用于產(chǎn)品設(shè)計之前，驗證用于評估和認(rèn)證隔離器的標(biāo)準(zhǔn)、測試和等級很重要。滿足所有隔離器件安全規(guī)則有助于確保最終產(chǎn)品滿足國際和北美安全要求(IEC, VDE, UL, CE等)。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC 60950-1或類似的，不足以滿足隔離器件的安全要求。確保適用的器件標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-5-5、VDE 0884-10和UL 1577已被用于保護(hù)產(chǎn)品用戶，避免代價高昂的產(chǎn)品重新設(shè)計。來源：電子技術(shù)設(shè)計。
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