絕緣基礎(chǔ)知識：為您的應(yīng)用選擇正確的絕緣解決方案

1.前言

每個人都知道絕緣是什么，但對絕緣的各種類型知之甚少。在本文中，我們將著眼于四種隔離類型，并解釋 TI 的高度集成變壓器技術(shù)如何提供優(yōu)于其他增強(qiáng)型隔離解決方案的優(yōu)勢。

簡單來說，隔離是在系統(tǒng)中的分立組件之間傳輸所需信號和/或功率，同時阻止不需要的直流和交流電流。因此，絕緣被用于許多應(yīng)用中。通過隔離功能驅(qū)動電源或電機(jī)驅(qū)動電路的上柵極驅(qū)動器保護(hù)高壓系統(tǒng)上的低壓電路（如電動汽車系統(tǒng)的處理器）隔離不同電壓電位系統(tǒng)之間的通信可以防止使用高壓設(shè)備的終端消費(fèi)者觸電。為此，使用了不同級別的絕緣：功能絕緣、基本絕緣、雙重絕緣和加強(qiáng)絕緣。

功能隔離，顧名思義，就是提供隔離功能。它在不同電壓電位的系統(tǒng)之間傳送信號或電源，并且不提供電擊保護(hù)。

基本隔離是下一個隔離級別。在功能絕緣的基礎(chǔ)上增加了防觸電保護(hù)。I 類設(shè)備使用接地連接進(jìn)行功能隔離以保護(hù)用戶。圖 1 顯示了典型的 I 類設(shè)備。

圖 1：I 類設(shè)備

雙重隔離是電氣部件和最終消費(fèi)者之間的二次連接，以減少在使用基本絕緣的系統(tǒng)中如果基本絕緣失效可能發(fā)生的電擊機(jī)會，提供基本的電擊保護(hù)級別。絕緣層是添加。II 類產(chǎn)品需要雙重絕緣。這些產(chǎn)品使用沒有接地插腳的交流插頭制造。它提高了用戶安全，因?yàn)闉榱擞脩舭踩皇褂猛獠拷泳€。使用雙重絕緣的終端設(shè)備包括電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、IV 泵等便攜式醫(yī)療設(shè)備、攪拌機(jī)等家用電器和手機(jī)充電器。

第二層可用于將內(nèi)部金屬部分與外殼物理屏蔽，或使用非導(dǎo)電材料（例如塑料）作為外殼。與 I 類設(shè)備相比，II 類設(shè)備提供了顯著的安全性，因?yàn)樗鼈儾皇褂猛獠拷泳€進(jìn)行雙重保護(hù)。圖 2 顯示了 II 類設(shè)備的示意圖。

圖 2：II 類設(shè)備

隔離加強(qiáng)型（reinforced isolation）通過使用單層達(dá)到與雙重絕緣相同的效果。具有加強(qiáng)絕緣的設(shè)備旨在提供基本隔離并滿足安全爬電距離和間距（兩個電壓系統(tǒng)之間的物理距離），同時保持 PCB 走線、磁芯、繞組和引腳之間的物理間距。增強(qiáng)型設(shè)備采用雙重絕緣設(shè)計(jì)，但只能作為單件進(jìn)行測試。

安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了獲得認(rèn)證必須達(dá)到的要求。IEC 60950-1 標(biāo)準(zhǔn)要求基本絕緣的爬電距離和間距為 3.2 毫米，加強(qiáng)絕緣和雙重絕緣為 6.4 毫米。額定電壓要求 2,500V 1 分鐘，基本絕緣RMS 3,000V 和一個 1 秒RMS，而加強(qiáng)絕緣和雙重絕緣是 5,000V 1 分鐘RMS 6,000V 和 1 秒RMS?？梢钥闯觯訌?qiáng)/雙重絕緣正好是基本絕緣的兩倍。雙絕緣設(shè)備在標(biāo)簽上用雙框標(biāo)記標(biāo)記，如圖3所示。

圖 3：雙重絕緣標(biāo)記

如果我們正在設(shè)計(jì) II 類設(shè)備，我們將需要雙重或加強(qiáng)絕緣。選擇哪種絕緣材料取決于解決方案的尺寸和成本。使用可以同時實(shí)現(xiàn)這兩種功能的單個設(shè)備當(dāng)然會在物理上減小解決方案的尺寸。使用單個集成設(shè)備不僅可以降低成本，還可以減少滿足絕緣安全標(biāo)準(zhǔn)所需的工程設(shè)計(jì)。

可以使用小封裝的高度集成的增強(qiáng)絕緣解決方案，并且可以使用這些解決方案方便地實(shí)施。Texas Instruments UCC12030將 控制、驅(qū)動器、場效應(yīng)晶體管和磁性元件集成到單個封裝中。只需幾個旁路電容器，就可以根據(jù)正確的電路板布局指南將器件安裝在電路板上，并為偏置電源應(yīng)用設(shè)計(jì)一個具有極小占位面積的增強(qiáng)型隔離解決方案。所有的工程工作都已經(jīng)完成，因此無需選擇磁性設(shè)計(jì)或功率控制器。

VDE 0884-10 和 IEC 60747-17 等標(biāo)準(zhǔn)定義了增強(qiáng)絕緣設(shè)備認(rèn)證的最低要求。UCC12050滿足增強(qiáng)絕緣的所有要求，最低保護(hù)為 7kV PK（1 秒，生產(chǎn)測試）和 5kV RMS（1 分鐘）絕緣。

簡而言之，功能隔離和基本隔離是將一個電壓軌與另一個電壓軌進(jìn)行電氣隔離，而雙重隔離和增強(qiáng)隔離是實(shí)現(xiàn)從插頭去除接地引腳的相同目標(biāo)的兼容解決方案，只是設(shè)計(jì)不同。

與雙重絕緣相比，加強(qiáng)絕緣的優(yōu)勢在于可以將兩個隔離的設(shè)備減少為一個。與其他隔離偏置電源解決方案相比，使用這種隔離可以節(jié)省時間、精力和成本。