許多應用要求隔離危險電壓,以符合國際安全標準的要求。為了確保設備和操作人員的安全,這些標準往往要求隔離元件(如數(shù)字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪涌。因此,測試隔離器浪涌性能是開發(fā)安全、可靠器件的必要環(huán)節(jié)。
國際電工委員會(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個組織出版的標準就隔離技術在醫(yī)療、工業(yè)、消費以及汽車等系統(tǒng)中的系統(tǒng)級和元件級應用進行了規(guī)定。為了確保在出現(xiàn)高壓浪涌時人員和設備的安全,這些標準根據(jù)具體應用所需要的隔離等級規(guī)定了不同的浪涌額定值。
共有三類常見的隔離等級:功能隔離、基本隔離和增強隔離。功能隔離僅有少量安全要求,因為它一般只用于要求隔離接地基準電壓的場合,以保證電路能正常工作。可見,安全性和浪涌性能并不是功能隔離的主要考慮因素。
然而,安全性卻是基本隔離和增強隔離的主要考慮因素,因此,浪涌電平是確定隔離質(zhì)量的關鍵?;靖綦x可以保護終端設備用戶,使其免受電擊,增強隔離是一種單獨的隔離系統(tǒng),其提供的保護能力相當于兩個冗余的單個或基本隔離系統(tǒng)。醫(yī)療和工業(yè)應用一般要求增強隔離,以保護病人和終端用戶,使其免受致命性電擊的影響。VDE針對數(shù)字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10,規(guī)定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV,同時對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規(guī)定。
數(shù)字隔離器的浪涌電壓額定值規(guī)定的是在經(jīng)受連續(xù)短暫高壓脈沖之后的抗沖擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的時序特性。
圖1. 浪涌電壓波形
測試時,把設備放在一個測試板上,使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個高壓脈沖發(fā)生器通過一個1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡連接到隔離柵的一端。發(fā)生器回路連接到隔離柵另一端。將一個100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上,以便施加各個脈沖之后使電路放電。用一個帶1000:1高壓探頭的示波器監(jiān)控脈沖。將放電槍設置為測試計劃規(guī)定的最低電壓,示波器設為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個脈沖,并用示波器對各個脈沖進行監(jiān)控。通過驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時間內(nèi)下降到50%)可發(fā)現(xiàn)隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個脈沖,則提高放電槍電壓,再施加10個脈沖。持續(xù)進行,直到隔離柵發(fā)生故障為止,或者直到達到最大測試電壓為止。
圖2. 浪涌測試設置
能否通過該測試主要取決于隔離厚度(亦稱為隔離距離,縮寫為DTI)以及隔離材料的質(zhì)量。應用的電場往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點聚集,因此,較低的缺陷密度一般會帶來較高的擊穿額定值。較厚的材料對擊穿的抗擊能力更強,因為場強與絕緣體任一端的導體之間的距離成反比。
光耦合器一般可以通過10 kV浪涌測試,因為絕緣體很厚(典型值為400μm),因而可以降低絕緣質(zhì)量對擊穿特性的影響。簡單而言,絕緣層很厚,因此不需優(yōu)質(zhì)材料也可通過10 kV測試?;谧儔浩鞯母綦x器采用一種優(yōu)質(zhì)的20 m至32 μm聚酰亞胺層,存放于潔凈的室內(nèi)環(huán)境中。由于這種材料的缺陷水平遠遠低于光耦合器中使用的注射成型環(huán)氧樹脂,因此,厚度薄得多的絕緣層也可達到10 kV的要求。電容性隔離器同樣采用優(yōu)質(zhì)絕緣層,這里是在晶圓制造過程中沉淀的二氧化硅(SiO2)。二氧化硅具有較高的介電強度,但一般情況下,如果不在薄膜中造成機械應力,則無法沉淀得很厚。較厚的SiO2同時也可降低電容,這又會導致隔離柵耦合效率的下降。為此,電容性隔離器一般不能通過10 kV浪涌測試,因此,無法通過VDE的增強隔離認證。
在需要對人員和設備進行保護的增強隔離應用中,需要實現(xiàn)10 kV浪涌保護。浪涌測試是確定隔離元件在此類應用中的安全等級的關鍵步驟。ADI公司提供廣泛的iCoupler和isoPower產(chǎn)品,完全可以滿足這種需求。
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