工程设计中的隔离技术怎么选才安全？

着能源需求的扩大，电流和电压值也会上升。在许多应用中，更高的电压变得更为常见，即使在独立应用中也是如此。具有更高电压的应用都被认为存在危险，包括电动汽车 (EV)，能源基础设施应用，例如直流快速充电 (DCFC)、太阳能、储能和不间断电源 (UPS)。

在与高压设备进行人机交互时，电流隔离是必要的，并由安全标准定义，以确保安全运行。创建隔离有多种方法，具体选择哪种取决于应用、技术要求或适用标准。这篇技术文章将探讨不同的方法，并讨论如何为应用选择合适的方法。

什么是隔离？

通常称为“电气隔离”，意思是没有金属接触，目的是隔离功能部分或电气电子电路，以防止电流在它们之间流动。

图1.电气隔离原理

隔离的主要原因之一是保障安全；当人员可能与供电设备交互时，这一点尤为重要。提供适当的隔离可确保任何用户，即使在发生严重故障的情况下，也不会接触到危险电压。

隔离通常由适用于应用的安全标准定义。该定义可能只涉及击穿电压，也可能包括对物理隔离（“爬电距离和间隙”）的要求。

除了保护用户，隔离还可以分开电路的低压 (LV) 和高压 (HV) 部分，并在过滤共模噪声方面发挥作用。由于没有金属传导路径，接地电流无法循环，从而消除了隔离电路中与接地环路相关的噪声。

除了保护人员，隔离还可以保护高价值电路元件和子系统免受电路其他区域的灾难性故障造成的损坏。

隔离的方法

虽然隔离使不同的电路部分保持分离，但信号需要跨越隔离边界，因此需要使用诸如光耦合器或者数字隔离器，在保持隔离等级的同时允许传输信号。

最常见的方法是使用一个集成了LED和光敏晶体管的光耦合器。这项技术已有50多年历史，并继续在隔离器件市场占据主导地位，份额约为85%。

数字隔离器可以是磁性的或电容性的，虽然这些技术相对较新，但售出的隔离器件中大约有七分之一是数字隔离器。它们在特定应用（尤其是汽车）中特别有价值，这些领域的增长将使得数字隔离器在未来占有更大的市场份额。

各种隔离技术的比较

每种技术因性能和价格各异，适合的应用领域也有所不同。

“传统”光耦合器器件使用环氧树脂或硅凝胶提供>400μm的相对稳健的隔离距离 (DTI)，符合EN 60950的要求。然而，随着时间的推移，这些器件的运行和性能会相对下降，并且温度不稳定。它们的预期寿命也相对较短，约为10年，并且很少有符合车规 AEC 标准的。

图2.隔离技术概述

光耦合器通常不太适合多通道设计，因为这需要很大的空间。然而，从积极的方面来说，光耦合器由于使用光来传输，因此没有 EMI/EMC 问题，并且它们不需要调制信号，从而降低了电路设计的复杂性，同时节省了空间和成本。

两种片上数字技术（磁性和电容性）的性能相似。明显的区别在于，磁性器件使用磁场通过20μm聚酰亚胺绝缘体传递信号，而电容式器件使用电场穿过SiO2隔离屏障。

随着时间和温度的变化，这两种数字技术都能带来更快的传播和性能，预期寿命约为20年，是光耦合器的两倍。它们还提供更高的共模瞬变抗扰度 (CMTI)，在100kV/μs左右。

不利的一面是，数字器件的DTI仅为20μm 左右，无法满足EN60950的要求。它们还需要信号调制，因为它们不能通过DC，并且在使用这些器件时必须考虑EMC/EMI的设计。

安森美 (onsemi) 的Digi-Max™技术提供了一种独特的数字隔离器类型，称为片外电容式。它使用500μm的陶瓷基板作为电容器，将其与初级和次级芯片分开，因此称为“片外”。金属层沉积在陶瓷基板的两边以构建电容器，提供 0.5 mm 的隔离距离。通常，两组电容器用于差模通信，以帮助消除共模噪声。

图3.片外数字隔离器在单独的陶瓷基板上构建电容器，具有多种优势

片外隔离器的工作原理与片上解决方案类似。使用开关键控 (OOK)，这样当输入信号为低电平时，施加到电容器的信号不会被调制，因此输出保持低电平。当输入为高电平时，调制信号通过电容器，导致输出上升。

图4.数字隔离器使用开关键控 (OOK) 跨隔离边界传输信号

Digi-Max技术在电容器上多路复用数据，因此多通道并行数据可以作为串行数据流传输。这免去了使用多个电容器的需要，从而减小了解决方案的尺寸。

故障防护操作

就本质而言，隔离器件在使用过程中可能会遇到电气过载 (EOS)。然而，关键的考虑因素是它们是否仍然安全。为了说明这一点，我们将两个器件（一个安森美Digi-Max隔离器和类似的竞品器件）都暴露在 VDD 和接地端之间的击穿限制电压下。

正如预期的那样，两个器件都失效了。然而，在开封之前，它们都经过了绝缘测试。竞品器件在大约2.76kV时失效，而安森美的Digi-Max数字隔离器在60秒内保持了数据表中标定的5kV性能。这清楚地表明，使用Digi-Max，即使在发生严重的EOS事件后，隔离屏障仍然完好无损，即使出现功能故障，保护仍然存在。

为什么使用陶瓷材料？

片外使用陶瓷材料来制造电容器，作为隔离屏障和信号传输介质，使用开关键控 (OOK) 技术从一端传输信号到另一端。

在 EOS/ESD 损坏其中一个 IC 的情况下，片外隔离结构使用陶瓷材料保护绝缘屏障。

使用陶瓷材料制作隔离电容器有几个优点。陶瓷材料是良好的电绝缘体和热绝缘体，具有较低的导电性和导热性。火焰从初级侧传播到次级侧几乎是不可能的，因为陶瓷材料具有高熔点并且耐热。它们经久耐用，具有相当出色的耐用性、硬度和强度。陶瓷具有化学惰性，因此不会与其他化学物质发生反应。简而言之，在制造隔离电容器时，没有任何材料可以与 SiO2 材料相媲美。

使用哪种技术？

如果只需要单通道或双通道解决方案，光耦合器通常是理想解决方案。如果需要轻松满足 EMC 要求，或成本是关键考虑因素，光耦合器也是理想选择。

但是，如果应用需要较长的使用寿命（>10 年），或随时间和温度的变化保持稳定性能，则数字隔离器是理想技术。它们也更适合高通道数应用和需要双向通信的应用。由于很少有光隔离器符合 AEC 标准，因此几乎所有汽车隔离器都是数字隔离器。

Digi-Max 技术提供与其他数字隔离器一样的各种性能优势和特性，而且不会因 EOS 事件发生安全故障。此外，由于独特的电容器结构，它还可以提供与光耦合器器件相同水平的可靠性。

图5.技术总结

隔离是许多设计中的一个关键方面，并且与许多技术一样，设计人员有多种选择。尽管光耦合器已经存在了很长时间，但它有一些局限性，尤其是在汽车应用中。如今的数字隔离器克服了许多这些问题并符合AEC标准。

凭借独特的片外结构，安森美的Digi-Max数字隔离器 为设计人员提供了另一个关键优势，即使在发生灾难性EOS事件后也能保持原有的隔离等级。