一文助您了解并應(yīng)用數(shù)字隔離器的安全限值
[導讀]點擊上方藍字關(guān)注我們！電隔離在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中很常見，是進行高壓防護或抵消接地電位差的一種手段。設(shè)計人員以前使用光耦合器進行隔離，但在最近幾年中，采用電容式隔離和磁隔離的數(shù)字隔離器變得越來越流行。在使用這樣的隔離器時，了解它們的安全限值及其使用方法對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。在使用隔離...
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電隔離在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中很常見，是進行高壓防護或抵消接地電位差的一種手段。設(shè)計人員以前使用光耦合器進行隔離，但在最近幾年中，采用電容式隔離和磁隔離的數(shù)字隔離器變得越來越流行。在使用這樣的隔離器時，了解它們的安全限值及其使用方法對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。
在使用隔離器的系統(tǒng)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(xiàn)此目標，各種元件監(jiān)管標準（例如，面向光耦合器的IEC 60747-5-5或面向電容式隔離器和磁隔離器的VDE 0884-11）規(guī)定了安全限值。這些值指明了隔離器的工作條件邊界范圍，在相應(yīng)范圍內(nèi)，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(shè)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(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。在光耦合器中，由硅樹脂材料和絕緣帶在信號兩側(cè)之間提供隔離，而LED 和光電探測器提供信號傳輸。在數(shù)字隔離器中，由兩個獨立硅片上的兩個高壓電容器通過串聯(lián)連接提供隔離，而耦合到高壓電容器的電子發(fā)送和接收電路提供信號傳輸。圖1：橫截面圖展示了光耦合器的構(gòu)造以及故障條件可能產(chǎn)生的影響圖2：數(shù)字隔離器的橫截面圖展示了故障條件可能對其隔離性能產(chǎn)生的影響隔離器某一側(cè)的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會損壞該側(cè)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(fā)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(jié)構(gòu)性損壞，例如硅樹脂絕緣熔融、高壓電容器極板短路或鍵合線熔化。這種結(jié)構(gòu)性損壞會降低隔離器的隔離性能。
從終端系統(tǒng)的角度來看，即使在電應(yīng)力和熱應(yīng)力事件阻礙了隔離器的信號傳輸功能之后，也可能需要滿足隔離要求。這是因為隔離柵的損壞可能導致次級系統(tǒng)故障或發(fā)生電擊危險。例如，在圖3中，數(shù)字隔離器可在系統(tǒng)其余部分懸空時保護已接地的控制和通信模塊。必須考慮數(shù)字隔離器內(nèi)部和周圍可能降低隔離器隔離性能的任何故障，以避免DC-對地短路的影響。圖3：數(shù)字隔離器無法在交流電機驅(qū)動器中提供保護性隔離會導致對地短路，進而影響整個系統(tǒng)實施安全限制是為了在隔離器的輸入或輸出電路出現(xiàn)故障時盡可能降低對隔離柵的潛在損害。隔離器元件標準將安全限值定義為發(fā)生故障時器件可以承受的最大輸入或輸出電流(IS)、最大輸入或輸出功率(PS)以及最高結(jié)溫(TS)，這種情況下即使可能損壞耦合元件的功能，但不會損害器件的隔離性。器件制造商必須指定這些參數(shù)，但仍由設(shè)計人員決定如何確保在出現(xiàn)故障時不會超出這些值，以便不會導致絕緣擊穿。
作為制造商提供的安全限值的示例，圖4展示了TI 的ISO7741數(shù)字隔離器在不同電源電壓下的IS值和隨環(huán)境溫度變化的PS 值。這些值均未超出器件的最高安全結(jié)溫(TS = 150°C)。根據(jù)這些曲線，例如，在100°C的環(huán)境溫度下，器件內(nèi)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(shù)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(chǎn)生的功率耗散電路利用安全限值的參數(shù)制造商采用的材料和電路設(shè)計參數(shù)決定了器件的安全限值。根據(jù)安全標準的要求，光耦合器/數(shù)字隔離器用戶必須在電路設(shè)計中提供足夠的安全措施，并確保器件的應(yīng)用條件不會超出器件的安全限值。這樣的安全措施可能包括在故障條件下強制實施的電流和電壓限制，或者是防止工作溫度超過最大值的熱管理。
讓我們看一下實現(xiàn)數(shù)字隔離器安全限制的兩個示例電路。盡管這些示例并不詳盡，不能列舉出所有可能的故障和結(jié)果，但它們闡明了安全限制的原理，可以提供在隔離式系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)安全限制的一種方法。
對于第一個示例，圖5展示了一個數(shù)字隔離器用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或模擬前端(AFE)與微控制器(MCU)之間的接口。我將分析該系統(tǒng)中任意一個初級故障，包括該單一故障產(chǎn)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。）此次分析將著重于MCU 側(cè)的安全限制，但也可以對ADC/AFE 側(cè)運用相同的原理。
此示例采用24V 工業(yè)電源（最高可變?yōu)?6V）為MCU 側(cè)供電(VIN24V)。直流/直流轉(zhuǎn)換器將此電壓降至5V(VDC5V)，然后使用低壓降穩(wěn)壓器(LDO)為MCU 和數(shù)字隔離器產(chǎn)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(shù)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制的影響。
· 初級故障1：VCC1至GND1的隔離器內(nèi)部短路。短路在VCC1至GND1之間提供一個電阻RFAULT。根據(jù)最大功率傳遞定理，當RFAULT=RSUP 時，隔離器內(nèi)會出現(xiàn)最大功率耗散。最大功率耗散等于(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。當RFAULT 值非常低時，通過RSUP 和VCC1的電流等于3.6V/RSUP。必須設(shè)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(jù)規(guī)格表，這一數(shù)值完全在ISO7741的安全限制功率范圍之內(nèi)。對于RFAULT 約為0Ω 的情況，20Ω RSUP 必須是0.65W的電阻器，才能產(chǎn)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。具有寬電源電壓范圍的隔離器（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(zhuǎn)換器中的輸入至輸出短路。在此情況中，24V 系統(tǒng)電源（可變?yōu)?6V）出現(xiàn)在LDO 輸入端。為防止故障進一步傳播，必須將LDO 設(shè)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(xiàn)在其輸出端。為防止故障進一步傳播，數(shù)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，并且對電源或?qū)Φ氐淖杩馆^低。
· 初級故障4：在MCU IN 和OUT 引腳上對地短路或?qū)﹄娫炊搪贰Ｔ诖饲闆r中，流入隔離器引腳的電流可能會高于正常運行情況。電阻器ROUT 和RIN 可以幫助將此電流保持在安全限值范圍內(nèi)。例如，在5V 條件下，ROUT=RIN=100Ω 會將通過隔離器I/O 引腳的電流限制到50mA，這一數(shù)值遠低于ISO7741的安全限制電流。對于第二個示例，使用ISO1211的隔離式數(shù)字輸入如圖6所示。圖6：在此示例中，隔離式數(shù)字輸入電路使用TI ISO1211隔離式數(shù)字輸入從現(xiàn)場傳感器接收信號，并將它們連接到一個主機可編程邏輯控制器。電壓輸入的標稱值為24V，但最高可變?yōu)?6V。ISO1211使用外部RSENSE 電阻器來精確限制流入SENSE 端子的電流。外部電阻器RTHR 可以調(diào)節(jié)數(shù)字輸入的電壓閾值。對于11V 輸入閾值和2mA電流限值，RSENSE 和RTHR 的值分別為562Ω和1kΩ（有關(guān)詳細信息，請在TI官網(wǎng)參閱ISO1211數(shù)據(jù)表）。
· 初級故障1：ISO1211內(nèi)部的短路導致SENSE 和FGND 引腳之間的RFAULT 阻抗較低。和前面一樣，在最壞情況下，ISO1211內(nèi)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(shù)值處于ISO1211的安全限制功率范圍之內(nèi)。
· 初級故障2：外部電阻器RTHR 上的短路。ISO1211的內(nèi)置電流限值會將從引腳獲取的電流限制為RSENSE 設(shè)置的值。電阻器RTHR 在確定輸入電流方面沒有重要作用，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(shù)字輸入系統(tǒng)必須考慮在故障條件下24V 工業(yè)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的安全限制功率范圍之內(nèi)。
這兩個示例說明了如何在安全限值的范圍內(nèi)分析和緩解不同的故障。但是，根據(jù)實際應(yīng)用和安全目標，可能還需要采取其他措施。
結(jié)束語
使用隔離器時，很重要的一點是要了解它們的安全限值，并在設(shè)計中采取措施以符合這些值。在設(shè)計中未能考慮到安全限值可能會導致故障，從而造成系統(tǒng)嚴重損壞，而且如果隔離器的隔離柵失效，還可能會引起火災和電氣危險。文中的示例電路說明了在故障條件下確保維持安全限值的方法。
電隔離在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中很常見，是進行高壓防護或抵消接地電位差的一種手段。設(shè)計人員以前使用光耦合器進行隔離，但在最近幾年中，采用電容式隔離和磁隔離的數(shù)字隔離器變得越來越流行。在使用這樣的隔離器時，了解它們的安全限值及其使用方法對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。在使用隔離器的系統(tǒng)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(xiàn)此目標，各種元件監(jiān)管標準（例如，面向光耦合器的IEC 60747-5-5或面向電容式隔離器和磁隔離器的VDE 0884-11）規(guī)定了安全限值。這些值指明了隔離器的工作條件邊界范圍，在相應(yīng)范圍內(nèi)，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(shè)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(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。在光耦合器中，由硅樹脂材料和絕緣帶在信號兩側(cè)之間提供隔離，而LED 和光電探測器提供信號傳輸。在數(shù)字隔離器中，由兩個獨立硅片上的兩個高壓電容器通過串聯(lián)連接提供隔離，而耦合到高壓電容器的電子發(fā)送和接收電路提供信號傳輸。
圖1：橫截面圖展示了光耦合器的構(gòu)造以及故障條件可能產(chǎn)生的影響圖2：數(shù)字隔離器的橫截面圖展示了故障條件可能對其隔離性能產(chǎn)生的影響隔離器某一側(cè)的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會損壞該側(cè)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(fā)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(jié)構(gòu)性損壞，例如硅樹脂絕緣熔融、高壓電容器極板短路或鍵合線熔化。這種結(jié)構(gòu)性損壞會降低隔離器的隔離性能。從終端系統(tǒng)的角度來看，即使在電應(yīng)力和熱應(yīng)力事件阻礙了隔離器的信號傳輸功能之后，也可能需要滿足隔離要求。這是因為隔離柵的損壞可能導致次級系統(tǒng)故障或發(fā)生電擊危險。例如，在圖3中，數(shù)字隔離器可在系統(tǒng)其余部分懸空時保護已接地的控制和通信模塊。必須考慮數(shù)字隔離器內(nèi)部和周圍可能降低隔離器隔離性能的任何故障，以避免DC-對地短路的影響。
圖3：數(shù)字隔離器無法在交流電機驅(qū)動器中提供保護性隔離會導致對地短路，進而影響整個系統(tǒng)實施安全限制是為了在隔離器的輸入或輸出電路出現(xiàn)故障時盡可能降低對隔離柵的潛在損害。隔離器元件標準將安全限值定義為發(fā)生故障時器件可以承受的最大輸入或輸出電流(IS)、最大輸入或輸出功率(PS)以及最高結(jié)溫(TS)，這種情況下即使可能損壞耦合元件的功能，但不會損害器件的隔離性。器件制造商必須指定這些參數(shù)，但仍由設(shè)計人員決定如何確保在出現(xiàn)故障時不會超出這些值，以便不會導致絕緣擊穿。作為制造商提供的安全限值的示例，圖4展示了TI 的ISO7741數(shù)字隔離器在不同電源電壓下的IS值和隨環(huán)境溫度變化的PS 值。這些值均未超出器件的最高安全結(jié)溫(TS = 150°C)。根據(jù)這些曲線，例如，在100°C的環(huán)境溫度下，器件內(nèi)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(shù)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(chǎn)生的功率耗散電路利用安全限值的參數(shù)制造商采用的材料和電路設(shè)計參數(shù)決定了器件的安全限值。根據(jù)安全標準的要求，光耦合器/數(shù)字隔離器用戶必須在電路設(shè)計中提供足夠的安全措施，并確保器件的應(yīng)用條件不會超出器件的安全限值。這樣的安全措施可能包括在故障條件下強制實施的電流和電壓限制，或者是防止工作溫度超過最大值的熱管理。讓我們看一下實現(xiàn)數(shù)字隔離器安全限制的兩個示例電路。盡管這些示例并不詳盡，不能列舉出所有可能的故障和結(jié)果，但它們闡明了安全限制的原理，可以提供在隔離式系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)安全限制的一種方法。
對于第一個示例，圖5展示了一個數(shù)字隔離器用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或模擬前端(AFE)與微控制器(MCU)之間的接口。我將分析該系統(tǒng)中任意一個初級故障，包括該單一故障產(chǎn)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。）此次分析將著重于MCU 側(cè)的安全限制，但也可以對ADC/AFE 側(cè)運用相同的原理。
此示例采用24V 工業(yè)電源（最高可變?yōu)?6V）為MCU 側(cè)供電(VIN24V)。直流/直流轉(zhuǎn)換器將此電壓降至5V(VDC5V)，然后使用低壓降穩(wěn)壓器(LDO)為MCU 和數(shù)字隔離器產(chǎn)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(shù)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制的影響。· 初級故障1：VCC1至GND1的隔離器內(nèi)部短路。短路在VCC1至GND1之間提供一個電阻RFAULT。根據(jù)最大功率傳遞定理，當RFAULT=RSUP 時，隔離器內(nèi)會出現(xiàn)最大功率耗散。最大功率耗散等于(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。當RFAULT 值非常低時，通過RSUP 和VCC1的電流等于3.6V/RSUP。必須設(shè)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(jù)規(guī)格表，這一數(shù)值完全在ISO7741的安全限制功率范圍之內(nèi)。對于RFAULT 約為0Ω 的情況，20Ω RSUP 必須是0.65W的電阻器，才能產(chǎn)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。具有寬電源電壓范圍的隔離器（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(zhuǎn)換器中的輸入至輸出短路。在此情況中，24V 系統(tǒng)電源（可變?yōu)?6V）出現(xiàn)在LDO 輸入端。為防止故障進一步傳播，必須將LDO 設(shè)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(xiàn)在其輸出端。為防止故障進一步傳播，數(shù)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，并且對電源或?qū)Φ氐淖杩馆^低。
· 初級故障4：在MCU IN 和OUT 引腳上對地短路或?qū)﹄娫炊搪贰Ｔ诖饲闆r中，流入隔離器引腳的電流可能會高于正常運行情況。電阻器ROUT 和RIN 可以幫助將此電流保持在安全限值范圍內(nèi)。例如，在5V 條件下，ROUT=RIN=100Ω 會將通過隔離器I/O 引腳的電流限制到50mA，這一數(shù)值遠低于ISO7741的安全限制電流。對于第二個示例，使用ISO1211的隔離式數(shù)字輸入如圖6所示。
圖6：在此示例中，隔離式數(shù)字輸入電路使用TI ISO1211隔離式數(shù)字輸入從現(xiàn)場傳感器接收信號，并將它們連接到一個主機可編程邏輯控制器。電壓輸入的標稱值為24V，但最高可變?yōu)?6V。ISO1211使用外部RSENSE 電阻器來精確限制流入SENSE 端子的電流。外部電阻器RTHR 可以調(diào)節(jié)數(shù)字輸入的電壓閾值。對于11V 輸入閾值和2mA電流限值，RSENSE 和RTHR 的值分別為562Ω和1kΩ（有關(guān)詳細信息，請在TI官網(wǎng)參閱ISO1211數(shù)據(jù)表）。· 初級故障1：ISO1211內(nèi)部的短路導致SENSE 和FGND 引腳之間的RFAULT 阻抗較低。和前面一樣，在最壞情況下，ISO1211內(nèi)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(shù)值處于ISO1211的安全限制功率范圍之內(nèi)。
· 初級故障2：外部電阻器RTHR 上的短路。ISO1211的內(nèi)置電流限值會將從引腳獲取的電流限制為RSENSE 設(shè)置的值。電阻器RTHR 在確定輸入電流方面沒有重要作用，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(shù)字輸入系統(tǒng)必須考慮在故障條件下24V 工業(yè)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的安全限制功率范圍之內(nèi)。
這兩個示例說明了如何在安全限值的范圍內(nèi)分析和緩解不同的故障。但是，根據(jù)實際應(yīng)用和安全目標，可能還需要采取其他措施。
結(jié)束語
使用隔離器時，很重要的一點是要了解它們的安全限值，并在設(shè)計中采取措施以符合這些值。在設(shè)計中未能考慮到安全限值可能會導致故障，從而造成系統(tǒng)嚴重損壞，而且如果隔離器的隔離柵失效，還可能會引起火災和電氣危險。文中的示例電路說明了在故障條件下確保維持安全限值的方法。
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