如何在高壓系統中實現電源和信號線的電氣隔離

介紹

在一系列高壓應用中存在電源和信號線的情況下，需要為設備和用戶提供強大的保護，包括工廠自動化和電機驅動器等工業 4.0 系統。這延伸到汽車和電動汽車 （EV）、醫療系統、測試和測量應用以及光伏系統和電網基礎設施等綠色能源系統。為了實現這種保護，需要某種形式的隔離。

設計人員面臨的挑戰是確保隔離機制緊湊、高效且具有成本效益，同時支持雙向信號傳輸和功率傳輸。由于隔離機制必須為操作員提供高壓保護并確?？煽康南到y運行，因此隔離設備必須符合國際電工委員會 （IEC） 60747-5 和 IEC 60747-17 等標準。

使用光耦合器或變壓器進行電流隔離的傳統方法可以滿足IEC標準，但在某些應用中存在局限性。為了更可靠地滿足設備和用戶保護要求，同時提供雙向信號傳輸，需要使用電容和磁性技術進行電氣隔離。

本文簡要介紹電流隔離。然后，它回顧了IEC標準，并研究了如何使用集成電容和磁性技術實現電流隔離。它展示了電流隔離解決方案示例，其應用包括結合電容和磁性技術的通用隔離器。還討論了加快設計過程的評估板。

電流隔離的作用

電流隔離可防止電流在電子或電氣系統的功能部分之間流動，但支持在部分之間傳輸模擬和數字信號以及電源（圖 1）。電流隔離可用于：

1.連接具有不同接地電位的功能部分

2.通過停止共享接地的功能部分之間的電流來斷開接地環路

3.保護操作員免受高壓路段的電擊危險

4.電流隔離圖像允許數據和/或功率流

圖 1：電流隔離允許數據和/或功率流動，但隔離部分之間沒有接地電流。

隔離類型和選擇

有幾種隔離類型可供選擇，并且有不同的國際標準來管理其使用，例如用于磁性和電容隔離的IEC 60747-17以及用于光耦合器的IEC 60747-5-5（表1）。

1. 功能或操作隔離可確保系統正常運行，但不能保護用戶免受高壓影響。它不在安全法規的涵蓋范圍內。

2. 基本隔離是安全法規中包含的最簡單的隔離形式。它可以保護用戶免受電擊，但如果發生故障，用戶仍可能暴露在高壓下。

3. 補充隔離在基本隔離的基礎上增加了一層。如果基本隔離失效，它可以保護用戶免受高壓的影響。

4. 雙重隔離不是一種單獨的隔離類型。它指的是使用基本隔離和補充隔離。但是，大多數標準和安全文件將雙重隔離稱為一種隔離類型。

5. 加強隔離是一種單一隔離系統，可提供相當于雙重隔離的保護。加強隔離的性能和測試要求比基本或補充隔離方法更嚴格。

表 1：強化隔離的測試和操作要求比基本隔離要求更高。

雖然光耦合器廣泛用于電氣隔離目的，但它們只能用于信號線，它們往往效率低下，只能沿一個方向發送數據，并且有帶寬限制。光耦合器帶寬可以通過增加LED驅動電路和放大器來提高，但這會導致更高的成本和更高的能耗。使用變壓器提供磁隔離可以為電源和高速信號線提供有效的解決方案，但分立變壓器體積大且成本高昂。

為了可靠、更有效地滿足電流隔離的需求，設計人員可以轉向符合IEC隔離標準的集成電容和磁性解決方案。電容隔離器支持模擬信號和高速雙向數據傳輸，但功率傳輸能力有限。集成磁隔離可以支持高速數據的雙向傳輸和更高功率水平的傳輸。

隔離特性

隔離電壓、工作電壓和共模瞬變抗擾度（CMTI）是隔離器的三個關鍵特性。隔離電壓是指隔離器可以在短時間內保護免受危險電壓影響的最大電壓。工作電壓是隔離器設計使用的長期電壓。

CMTI是施加在兩個隔離電路之間的公共電壓瞬變的最大壓擺率（頻率），可以承受，而不會對跨越隔離柵的數據傳輸產生不利影響。CMTI 以千伏/微秒 （kV/μs） 或伏特/納秒 （V/ns） 為單位。隔離接地層之間的電容是瞬態能量穿過勢壘并破壞數據或波形的路徑。高CMTI表示系統堅固耐用，即使暴露于快速瞬態事件，兩側也能在規格范圍內運行。低 CMTI 會導致失真、信息缺失、抖動和其他信號完整性問題。CMTI為100 V/ns或更高表示高性能隔離器。

除電氣規格外，隔離器還必須滿足與電氣間隙和爬電距離相關的機械要求。間隙是相鄰導體之間通過空氣的距離，而爬電距離是它們之間穿過封裝表面的距離。

各種封裝樣式和尺寸提供不同級別的爬電距離和電氣間隙性能。模塑料的選擇和使用具有所需介電強度的絕緣體材料也是決定隔離額定值的因素。常用材料的介電強度為：

1.空氣≈每微米 1 伏均方根 （V有效值/微米）

2.環氧樹脂 ≈ 20 V有效值/微米

3.≈ 100 V 的二氧化硅填充模塑料有效值/微米

4.聚酰亞胺聚合物 ≈ 300 V有效值/微米

5.二氧化硅 （SiO2） ≈ 500 V有效值/微米

電流隔離技術

光耦合器使用LED通過介電絕緣體將模擬或數字信號傳輸到光電晶體管。如前所述，它們是單向設備。光耦合器中常用的絕緣材料包括空氣、環氧樹脂或模塑料。由于這些材料的介電強度相對較低，因此LED和光電晶體管之間需要更大的物理距離才能達到給定的隔離水平。

電容隔離使用 SiO2 絕緣柵。與大多數環氧樹脂或模塑料相比，SiO2 具有高介電強度，在暴露于極端溫度的水分時更穩定。電容隔離使用各種調制技術，如開關鍵控或相移鍵控，以跨越柵傳輸交流信號。電容隔離可以很緊湊，可以雙向傳輸高速信號，但功率傳輸能力非常有限，通常為 <100 微瓦 （μW）。

磁隔離器可以跨越隔離柵傳輸信號和電源。其中一些隔離器可以傳輸數百毫瓦（mW）的功率，并可以取代次級側偏置電源。磁隔離器可以使用空氣芯或鐵氧體磁芯。鐵氧體磁芯可以處理更大的功率。當功率需求低于約100 mW時，空氣核心可以提供成本更低、更簡單的解決方案。這三種技術中的每一種都支持信號和電力傳輸的不同組合（圖 2）。

圖2：光耦合器 （A） 只能傳輸信號，電容隔離器

圖2：光耦合器（B） 可以傳輸有限量的功率和信號，磁隔離器

圖2：光耦合器 (C) 可以處理更高的功率電平和信號。

電源和信號隔離

需要高達 650 mW 的隔離電源和四個能夠實現 100 兆比特每秒 （Mbps） 傳輸速率的隔離信號.該通用器件的隔離額定值為 5 kV 均方根 （kV有效值）和最小 CMTI ±100 kV/μs。它在信號通道上使用 SiO2 隔離，對片上電源變壓器使用薄膜聚合物隔離（圖 3）。

圖 3：ISOW7841FDWER 在電源變壓器中使用聚合物絕緣（頂部），在信號鏈中使用 SiO2 隔離電容器（底部）

隔離式汽車直流/直流

需要 500 mW 和 5 kV 的汽車系統有效值隔離可以使用德州儀器的AEC-Q100認證UCC12051QDVERQ1。

其最小 CMTI 為 100 V/ns，浪涌能力為 10 kV峰，工作電壓為 1.2 kV有效值.它對內部振蕩器使用擴頻調制，并優化內部布局以最大限度地減少輻射****。它包括欠壓鎖定、熱關斷、使能引腳、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 V 直流 （VDC） 輸出。

UCC12050EVM-022 評估板使設計人員能夠測試使能/禁用功能、同步至外部時鐘源、檢測外部時鐘故障以及選擇輸出電壓。它具有用于紋波和瞬態響應測量的測試點。該板可以作為支持額定隔離并提供良好電磁干擾 （EMI） 性能的布局示例來簡化系統集成（圖 4）。

圖 4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔離式 DC/DC 轉換器 IC 的評估外，UCC12050EVM-022 評估板還提供了系統集成的建議布局。

具有電容隔離的CAN收發器

對于需要具有 1 Mbps 信號和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域網 （CAN） 收發器的應用，德州儀器 （TI） 提供隔離額定值為 5 kV 的 ISO1050DWR有效值，以及額定電壓為 2.5 kV 的 ISO1050DUB有效值.這些收發器符合 ISO 11898-2 的高速 CAN 操作規范（圖 5）。

它們的額定工作溫度范圍為 -55 至 105 攝氏度 （°C），包括 -27 至 40 V 的過壓、交叉導線和接地保護丟失、過熱關斷和 -12 至 +12 V 共模范圍。

圖 5：隔離式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收發器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 標準。

ISO1050EVM 評估模塊具有輸入和輸出連接以及用于關鍵性能測量的測試點，可以加快這些器件與汽車系統的集成。

隔離式RS-485/RS-422收發器

需要 500 kbps （kbps） RS-485/RS-422 收發器的系統有效值隔離可以選擇德州儀器的半雙工ISO1410BDWR或全雙工ISO1412BDWR（圖6）。SiO2隔離柵支持在存在較大接地電位差的情況下進行可靠的數據傳輸。

這些收發器的額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C。 總線引腳設計用于承受高水平的靜電放電 （ESD） 和電氣快速瞬變 （EFT） 事件，無需額外的保護組件。

圖 6：全雙工 ISO1412BDWR（頂部）和半雙工 ISO1410BDWR（底部）支持 500 kbps 數據速率，具有 5 kV有效值隔離（垂直虛線）。

設計人員可以使用 ISO1410DWEVM 和 ISO1412DWEVM 評估板來評估各種系統參數?？梢詰脺y試信號和序列，并評估傳播延遲、功耗以及不同的總線和驅動器條件等性能特征。

結論

高壓工業 4.0、汽車、醫療、綠色能源和其他系統的設計人員需要電氣隔離來保護設備和用戶，同時滿足尺寸、成本和可靠性要求以及相關的安全標準。如圖所示，電源和信號線中的電容和磁電流隔離可以產生緊湊的高性能解決方案。這些隔離技術具有高CMTI，符合IEC 60747-17對加強隔離的要求。