數(shù)字隔離器的浪涌測(cè)試

許多應(yīng)用要求隔離危險(xiǎn)電壓，以符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。為了確保設(shè)備和操作人員的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個(gè)組織出版的標(biāo)準(zhǔn)就隔離技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)、消費(fèi)以及汽車等系統(tǒng)中的系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定。為了確保在出現(xiàn)高壓浪涌時(shí)人員和設(shè)備的安全，這些標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體應(yīng)用所需要的隔離等級(jí)規(guī)定了不同的浪涌額定值。

共有三類常見(jiàn)的隔離等級(jí)：功能隔離、基本隔離和增強(qiáng)隔離。功能隔離僅有少量安全要求，因?yàn)樗话阒挥糜谝蟾綦x接地基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合，以保證電路能正常工作?？梢?jiàn)，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(qiáng)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(guān)鍵。基本隔離可以保護(hù)終端設(shè)備用戶，使其免受電擊，增強(qiáng)隔離是一種單獨(dú)的隔離系統(tǒng)，其提供的保護(hù)能力相當(dāng)于兩個(gè)冗余的單個(gè)或基本隔離系統(tǒng)。醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用一般要求增強(qiáng)隔離，以保護(hù)病人和終端用戶，使其免受致命性電擊的影響。VDE針對(duì)數(shù)字隔離器的增強(qiáng)隔離標(biāo)準(zhǔn)是VDE 0884-10，規(guī)定最小浪涌電壓(VIOSM)額定值為10 kV，同時(shí)對(duì)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(shí)序特性。

測(cè)試時(shí)，把設(shè)備放在一個(gè)測(cè)試板上，使隔離柵兩端的所有引腳短路(見(jiàn)圖2)。將一個(gè)高壓脈沖發(fā)生器通過(guò)一個(gè)1000Ω/1000 pF網(wǎng)絡(luò)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(gè)100 kΩ、2.5 W的電阻跨接于隔離柵上，以便施加各個(gè)脈沖之后使電路放電。用一個(gè)帶1000:1高壓探頭的示波器監(jiān)控脈沖。將放電槍設(shè)置為測(cè)試計(jì)劃規(guī)定的最低電壓，示波器設(shè)為單次觸發(fā)。在該電壓電平下施加10個(gè)脈沖，并用示波器對(duì)各個(gè)脈沖進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)驟降脈沖幅度(在不到50 μs的時(shí)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(gè)脈沖，則提高放電槍電壓，再施加10個(gè)脈沖。持續(xù)進(jìn)行，直到隔離柵發(fā)生故障為止，或者直到達(dá)到最大測(cè)試電壓為止。

圖2. 浪涌測(cè)試設(shè)置

能否通過(guò)該測(cè)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(yīng)用的電場(chǎng)往往在絕緣體內(nèi)部的缺陷點(diǎn)聚集，因此，較低的缺陷密度一般會(huì)帶來(lái)較高的擊穿額定值。較厚的材料對(duì)擊穿的抗擊能力更強(qiáng)，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)與絕緣體任一端的導(dǎo)體之間的距離成反比。

光耦合器一般可以通過(guò)10 kV浪涌測(cè)試，因?yàn)榻^緣體很厚(典型值為400μm)，因而可以降低絕緣質(zhì)量對(duì)擊穿特性的影響。簡(jiǎn)單而言，絕緣層很厚，因此不需優(yōu)質(zhì)材料也可通過(guò)10 kV測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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(guò)程中沉淀的二氧化硅(SiO2)。二氧化硅具有較高的介電強(qiáng)度，但一般情況下，如果不在薄膜中造成機(jī)械應(yīng)力，則無(wú)法沉淀得很厚。較厚的SiO2同時(shí)也可降低電容，這又會(huì)導(dǎo)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(guò)10 kV浪涌測(cè)試，因此，無(wú)法通過(guò)VDE的增強(qiáng)隔離認(rèn)證。

在需要對(duì)人員和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的增強(qiáng)隔離應(yīng)用中，需要實(shí)現(xiàn)10 kV浪涌保護(hù)。浪涌測(cè)試是確定隔離元件在此類應(yīng)用中的安全等級(jí)的關(guān)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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