在使用隔離器的係統中，需要確保隔離器的隔離作用即使在故障條件下也不會受到影響。為實現此目標，各種元件監管標準（例如，麵向光耦合器的IEC 60747-5-5或麵向電容式隔離器和磁隔離器的VDE 0884-11）規定了安全限值。這些值指明了隔離器的工作條件邊界範圍，在相應範圍內
，即使功能喪失
，也需保持絕緣。

 

安全限值由隔離器失效模式確定

 

為了理解安全限值的作用，讓我們了解一下隔離器的設計方式。圖1和圖2分別說明了一個光耦合器和一個電容式數字隔離器的結構。在光耦合器中，由矽樹脂材料和絕緣帶在信號兩側之間提供隔離，而LED 和(he)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)提(ti)供(gong)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)。在(zai)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)中(zhong)，由(you)兩(liang)個(ge)獨(du)立(li)矽(gui)片(pian)上(shang)的(de)兩(liang)個(ge)高(gao)壓(ya)電(dian)容(rong)器(qi)通(tong)過(guo)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)提(ti)供(gong)隔(ge)離(li)
，而(er)耦(ou)合(he)到(dao)高(gao)壓(ya)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)電(dian)子(zi)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)。

 

圖1：橫截麵圖展示了光耦合器的構造以及故障條件

 

可能產生的影響

 

圖2：數字隔離器的橫截麵圖展示了故障條件可能對其

 

隔離性能產生的影響

 

隔離器某一側的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會損壞該側的電路。例如
，諸如短路
、靜電放電(ESD)和功率晶體管擊穿之類的事件可能會迫使意外的高電壓和大電流進入隔離器的引腳，從而損壞LED
、光電探測器、發送和接收電路以及片上ESD 保護。如果芯片上有足夠大的功率耗散，則電路也可能受到重大的結構性損壞，例如矽樹脂絕緣熔融、高壓電容器極板短路或鍵合線熔化。這種結構性損壞會降低隔離器的隔離性能。

 

從(cong)終(zhong)端(duan)係(xi)統(tong)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，即(ji)使(shi)在(zai)電(dian)應(ying)力(li)和(he)熱(re)應(ying)力(li)事(shi)件(jian)阻(zu)礙(ai)了(le)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)功(gong)能(neng)之(zhi)後(hou)，也(ye)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)隔(ge)離(li)要(yao)求(qiu)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)損(sun)壞(huai)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)次(ci)級(ji)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)或(huo)發(fa)生(sheng)電(dian)擊(ji)危(wei)險(xian)。例(li)如(ru)，在(zai)圖(tu)3zhong，shuzigeliqikezaixitongqiyubufenxuankongshibaohuyijiedidekongzhihetongxinmokuai。bixukaolvshuzigeliqineibuhezhouweikenengjiangdigeliqigelixingnengderenheguzhang
，yibimianDC-對地短路的影響。

 

圖3：數字隔離器無法在交流電機驅動器中提供保護性

 

隔離會導致對地短路，進而影響整個係統

 

實(shi)施(shi)安(an)全(quan)限(xian)製(zhi)是(shi)為(wei)了(le)在(zai)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)或(huo)輸(shu)出(chu)電(dian)路(lu)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)對(dui)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)潛(qian)在(zai)損(sun)害(hai)。隔(ge)離(li)器(qi)元(yuan)件(jian)標(biao)準(zhun)將(jiang)安(an)全(quan)限(xian)值(zhi)定(ding)義(yi)為(wei)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)輸(shu)入(ru)或(huo)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)(IS)、最大輸入或輸出功率(PS)以及最高結溫(TS)，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)即(ji)使(shi)可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)耦(ou)合(he)元(yuan)件(jian)的(de)功(gong)能(neng)，但(dan)不(bu)會(hui)損(sun)害(hai)器(qi)件(jian)的(de)隔(ge)離(li)性(xing)。器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)商(shang)必(bi)須(xu)指(zhi)定(ding)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)
，但(dan)仍(reng)由(you)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)決(jue)定(ding)如(ru)何(he)確(que)保(bao)在(zai)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)不(bu)會(hui)超(chao)出(chu)這(zhe)些(xie)值(zhi)，以(yi)便(bian)不(bu)會(hui)導(dao)致(zhi)絕(jue)緣(yuan)擊(ji)穿(chuan)。

 

作為製造商提供的安全限值的示例，圖4展示了TI 的ISO7741數字隔離器在不同電源電壓下的IS值和隨環境溫度變化的PS 值。這些值均未超出器件的最高安全結溫(TS = 150°C)。根據這些曲線
，例如，在100°C的環境溫度下
，器件內部最高可以耗散600mW 的功率，但不會對隔離性能造成任何潛在影響。

 

圖4: TI ISO7741數字隔離器的安全限值顯示了在不影響器件隔離特性的情況下允許故障產生的功率耗散

 

電路利用安全限值的參數

 

製造商采用的材料和電路設計參數決定了器件的安全限值。根據安全標準的要求，光耦合器/數shu字zi隔ge離li器qi用yong戶hu必bi須xu在zai電dian路lu設she計ji中zhong提ti供gong足zu夠gou的de安an全quan措cuo施shi，並bing確que保bao器qi件jian的de應ying用yong條tiao件jian不bu會hui超chao出chu器qi件jian的de安an全quan限xian值zhi。這zhe樣yang的de安an全quan措cuo施shi可ke能neng包bao括kuo在zai故gu障zhang條tiao件jian下xia強qiang製zhi實shi施shi的de電dian流liu和he電dian壓ya限xian製zhi，或huo者zhe是shi防fang止zhi工gong作zuo溫wen度du超chao過guo最zui大da值zhi的de熱re管guan理li。

 

讓rang我wo們men看kan一yi下xia實shi現xian數shu字zi隔ge離li器qi安an全quan限xian製zhi的de兩liang個ge示shi例li電dian路lu。盡jin管guan這zhe些xie示shi例li並bing不bu詳xiang盡jin，不bu能neng列lie舉ju出chu所suo有you可ke能neng的de故gu障zhang和he結jie果guo
，但dan它ta們men闡chan明ming了le安an全quan限xian製zhi的de原yuan理li，可ke以yi提ti供gong在zai隔ge離li式shi係xi統tong設she計ji中zhong實shi現xian安an全quan限xian製zhi的de一yi種zhong方fang法fa。

 

對於第一個示例，圖5展示了一個數字隔離器用作模數轉換器(ADC)或模擬前端(AFE)與微控製器(MCU)之間的接口。我將分析該係統中任意一個初級故障，包括該單一故障產生的任何次級故障。（為防止多個初級故障
，可能需要額外的電路。）此次分析將著重於MCU 側的安全限製
，但也可以對ADC/AFE 側運用相同的原理。

 

此示例采用24V 工業電源（最高可變為36V）為MCU 側供電(VIN24V)。直流/直流轉換器將此電壓降至5V(VDC5V)，然後使用低壓降穩壓器(LDO)為MCU 和數字隔離器產生3.3V電源電壓(VDC3P3V)。電源路徑中包含限流電阻器RSUP

，而輸入/輸出(I/O)路徑中包含電阻器ROUT 和RIN。

 

圖5：在此示例中
，數字隔離器用作接口
，在ADC 或AFE 與MCU 之間提供隔離

 

讓我們來了解一些故障及其對安全限製的影響。

 

●     初級故障1：VCC1至GND1的隔離器內部短路。短路在VCC1至GND1之間提供一個電阻RFAULT。根據最大功率傳遞定理，當RFAULT=RSUP 時，隔離器內會出現最大功率耗散。最大功率耗散等於(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。當RFAULT 值非常低時，通過RSUP 和VCC1的電流等於3.6V/RSUP。必須設計RSUP 來耗散這一功率。但是，隔離器本身耗散的功率非常低（因為RFAULT約為0Ω）。示例：如果RSUP=RFAULT=20Ω，則隔離器的最大功率耗散為(3.6V)2/(4×20Ω)=0.162W。根據規格表，這一數值完全在ISO7741的安全限製功率範圍之內。對於RFAULT 約為0Ω 的情況
，20Ω RSUP 必須是0.65W的電阻器，才能產生需要耗散的功率。較高的RSUP 值始終是有益的，因為它可以減少故障條件下的功率耗散。但是
，在正常運行情況下
，還必須考慮RSUP 兩端的壓降。具有寬電源電壓範圍的隔離器（例如
，ISO7741，該器件支持低至2.25V的工作電壓）或超低功耗隔離器（例如ISO7041

，該器件在1Mbps 時每通道僅消耗100µA 電流）是可支持更高RSUP 值的選項。

 

●     初級故障2：24V 至5V 直流/直流轉換器中的輸入至輸出短路。在此情況中，24V 係統電源（可變為36V）出現在LDO 輸入端。為防止故障進一步傳播，必須將LDO 設計為在其輸入端可承受36V 電壓。隔離器可能無法承受該電壓。

 

●     初級故障3：LDO 中的輸入至輸出短路。在此情況中，LDO 的5V 輸入出現在其輸出端。為防止故障進一步傳播，數字隔離器必須能夠在其電源上承受5V 電壓（ISO7741滿足此要求）。還必須考慮對MCU 的任何損壞（如果MCU 不能在其電源上支持5V）。在最壞的情況下，MCU I/O 引腳會損壞
，並且對電源或對地的阻抗較低。

 

●     初級故障4：在MCU IN 和OUT 引腳上對地短路或對電源短路。在此情況中，流入隔離器引腳的電流可能會高於正常運行情況。電阻器ROUT 和RIN 可以幫助將此電流保持在安全限值範圍內。例如，在5V 條件下，ROUT=RIN=100Ω 會將通過隔離器I/O 引腳的電流限製到50mA
，這一數值遠低於ISO7741的安全限製電流。

 

對於第二個示例，使用ISO1211的隔離式數字輸入如圖6所示。

 

圖6：在此示例中，隔離式數字輸入電路使用TI ISO1211

 

隔離式數字輸入從現場傳感器接收信號


，並將它們連接到一個主機可編程邏輯控製器。電壓輸入的標稱值為24V，但最高可變為36V。ISO1211使用外部RSENSE 電阻器來精確限製流入SENSE 端子的電流。外部電阻器RTHR 可以調節數字輸入的電壓閾值。對於11V 輸入閾值和2mA電流限值
，RSENSE 和RTHR 的值分別為562Ω和1kΩ（有關詳細信息
，請在TI官網參閱ISO1211數據表）。

 

●     初級故障1：ISO1211內部的短路導致SENSE 和FGND 引腳之間的RFAULT 阻抗較低。和前麵一樣
，在最壞情況下，ISO1211內部耗散的功率為(36V)2/(4×RTHR)。當RTHR = 1kΩ時，最壞情況下的功率為0.324W，這一數值處於ISO1211的安全限製功率範圍之內。

 

●     初級故障2：外部電阻器RTHR 上的短路。ISO1211的內置電流限值會將從引腳獲取的電流限製為RSENSE 設置的值。電阻器RTHR 在確定輸入電流方麵沒有重要作用
，因此RTHR 短路不會大幅改變流入ISO1211的電流或功率耗散。

 

●     初級故障3：輸入電壓上升到60V。安全數字輸入係統必須考慮在故障條件下24V 工業電源上升到60V 的情況。ISO1211可以在保持3.1mA 電流限值的同時在輸入引腳上承受60V 的電壓(RSENSE = 562Ω)。耗散的最大功率為60V×3.1mA=186mW，完全在ISO1211的安全限製功率範圍之內。

 

這兩個示例說明了如何在安全限值的範圍內分析和緩解不同的故障。但是，根據實際應用和安全目標
，可能還需要采取其他措施。

 

結束語

 

shiyonggeliqishi，henzhongyaodeyidianshiyaolejietamendeanquanxianzhi，bingzaishejizhongcaiqucuoshiyifuhezhexiezhi。zaishejizhongweinengkaolvdaoanquanxianzhikenenghuidaozhiguzhang
，congerzaochengxitongyanzhongsunhuai，erqieruguogeliqidegelizhashixiao
，haikenenghuiyinqihuozaihedianqiweixian。wenzhongdeshilidianlushuominglezaiguzhangtiaojianxiaquebaoweichianquanxianzhidefangfa。

 

 

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