【導讀】電子產品使用各種各樣的元器件，其中一些器件對于保護使用者來說至關重要。隔離器常用來保護/隔離使用著免受危險電壓的傷害，但如何為安全保護選擇正確的隔離器常使人感到困惑。隔離電壓、工作電壓、標準、認證證書還是……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、雙層型和增強型。危險電壓和用戶可接觸電路之間要求增強型絕緣。
隔離器件是可以提供安全隔離(絕緣)的集成電路半導體器件(IC)。它們的功能是使信號通過各種介質(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。隔離器件被認為是安全關鍵性器件，需要加以專門考慮，確保它們滿足相關的安全性標準，能夠在產品中安全地使用。
本文的目的是突出危險電壓應用中使用的隔離器的標準、絕緣、測試和等級。隔離器在這些應用中用作安全隔離器件。本文覆蓋的重要的隔離器參數包括：
器件標準(IEC 60747-5-5, VDE 0884-101, UL 1577)
增強型絕緣(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)，未來將替代數字隔離器標準VDE 0884-10
隔離器技術
目前在用的有三種隔離器技術：
光——在透明的非導電絕緣層中用(LED)光進行信號傳輸。優點是高電氣隔離度。使用的是有機硅聚合物絕緣材料。
磁——使用變壓器線圈設計的感應性耦合傳輸，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。
光學隔離器，也稱光耦，采用不透明的有機硅聚合物作為內部絕緣材料。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勢。數字隔離器使用聚酰亞胺/二氧化硅作為絕緣材料。光學隔離器基本上依靠厚度實現內部間隔，而數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 光學隔離器與數字隔離器的比較。
產品與器件標準
理解產品與器件標準之間的區別很重要，這些產品和器件安全標準具有不同的范圍、測試和要求。
產品就是隨時會用到的設備。針對產品(設備)的安全標準例子有：針對信息技術設備的IEC 60950-1，針對測量設備的IEC 61010-1，針對醫療設備的IEC 60601-1。產品需要承受一分鐘的隔離測試電壓，這也被稱為電介質耐受度、高電位或高壓測試。隔離器不能連續工作在隔離(測試)電壓下。產品標準也允許局部放電，但這種局部放電可能會因為絕緣介質中存在的小氣泡或雜質而降低絕緣層性能。產品標準不包含對隔離器件絕緣層施加完全應力的測試。
注：產品標準在隔離性能方面主要關心的是電介質耐受測試電壓。這是一種時長一分鐘的短暫測試，測試電壓一般是2500-5000Vac。產品不能連續工作在測試電壓下。不要認為額定隔離電壓2500Vac的隔離器可以工作在2500Vac這個電壓。
器件是裝配進(內置于)產品中的電氣/電子元件。相關的隔離器件安全標準有：針對光學隔離器的IEC 60747-5-5、針對數字隔離器的VDE 0884-10和針對光學/數字隔離器的UL 1577。與產品標準相比，器件標準具有不同的通常嚴格得多的安全要求和測試。隔離器件標準要求做局部放電測試，用于檢查隔離器的內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部絕緣介質測試方法。
注：工作電壓VIORM在IEC 60747-5-5 (光學)和VDE 0884-10 (數字)標準中有規定。工作電壓是在正常工作時可以連續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品工作時的供電電壓一樣高。
在標準可以實施之前，器件和產品必須在安全標準的范圍之內。如表1所示，隔離器是不在產品標準范圍之內的器件。因此產品標準不適用于隔離器。
表1 器件和產品標準的范圍
與標準有關的另外一個問題是，器件標準在歐洲/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器件標準。
警告：在安全評估和測試時一定要使用正確的隔離器件標準。隔離器也需要同時滿足IEC/VDE和UL器件標準，國際標準有IEC、VDE和CE，北美標準是UL。隔離器件安全標準有：IEC 60747-5-5, VDE 0884-10, UL 1577。
間距-電氣間隙，爬電距離，基本型，增強型
除了測試外，為了保護用戶，安全標準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、雙層型和增強型是安全隔離等級。基本型就一層，雙層型是兩層。增強型是單個絕緣系統，等效于雙層型。即使在絕緣層中出現了單個錯誤或故障，產品和器件也必須保持安全。一般認為在一個絕緣層中可能發生單一故障。當第一層(基層)發生單一故障時，要求增強型絕緣來保護用戶。換句話說，如果故障發生在基本隔離層中，第二個隔離層仍要能保護用戶?；拘透綦x不足以保護產品用戶。增強型絕緣可以解決這種單一故障問題。
注：安全標準要求采取增強型絕緣措施來保護產品用戶，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準中，外部間距是從輸入到輸出的測量結果(圖2)。電氣間隙是兩個電路之間經過空氣的最短距離。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品標準的距離，依據是產品的供電電壓。IEC 60950-1是描述間距要求的主要標準。舉例來說，一個250Vac產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
內部間距是經過絕緣介質的距離，對光學隔離器來說一般是100-400 μm厚。另一方面，數字隔離器的內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。有關間距的更多信息，請參考相關的產品安全標準。
規范和證書
在為一個產品設計選擇隔離器之前知道要看什么很重要。隔離器規范可能會令人困惑，因為它可能不提供全部的信息。當規范應該強調隔離工作電壓(如150- 600 Vac)和器件標準(IEC 60747-5-5)時，有時卻只提供隔離測試電壓(如2-500--5-000 Vac)和產品標準(IEC 60950-1等)。另外一個問題是，規范可能根據產品標準說是增強型的，而實際上根據器件標準隔離器只是基本型的。記住，產品標準和基本型隔離不足以保證安全。
一定要確認隔離器擁有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：重點關注隔離器的安全等級和證書。注意規范是否突出了產品標準或隔離電壓。規范應該清晰地表明器件標準、工作電壓和增強型絕緣。獲取VDE和UL證書作為符合安全性的憑證。
本文小結
在選擇隔離器并用于產品設計之前，驗證用于評估和認證隔離器的標準、測試和等級很重要。滿足所有隔離器件安全規則有助于確保最終產品滿足國際和北美安全要求(IEC, VDE, UL, CE等)。產品標準，比如IEC 60950-1或類似的，不足以滿足隔離器件的安全要求。確保適用的器件標準IEC 60747-5-5、VDE 0884-10和UL 1577已被用于保護產品用戶，避免代價高昂的產品重新設計。來源：電子技術設計。
【推薦閱讀】
高度集成的傳感器接口模擬前端簡化了傳感器調理
無位置傳感器無刷直流電機的換相方式研究
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機伺服系統設計
設計和選用電源模塊應考慮哪些性能參數
如何輕松解決電源模塊常見的八大故障
