一文助您了解并应用数字隔离器的安全限值
时间：2021-08-19 15:56:36
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[导读]点击上方蓝字关注我们！电隔离在工业和汽车系统中很常见，是进行高压防护或抵消接地电位差的一种手段。设计人员以前使用光耦合器进行隔离，但在最近几年中，采用电容式隔离和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。在使用这样的隔离器时，了解它们的安全限值及其使用方法对于系统设计至关重要。在使用隔离...
点击上方蓝字关注我们！
电隔离在工业和汽车系统中很常见，是进行高压防护或抵消接地电位差的一种手段。设计人员以前使用光耦合器进行隔离，但在最近几年中，采用电容式隔离和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。在使用这样的隔离器时，了解它们的安全限值及其使用方法对于系统设计至关重要。
在使用隔离器的系统中，需要确保隔离器的隔离作用即使在故障条件下也不会受到影响。为实现此目标，各种元件监管标准（例如，面向光耦合器的IEC 60747-5-5或面向电容式隔离器和磁隔离器的VDE 0884-11）规定了安全限值。这些值指明了隔离器的工作条件边界范围，在相应范围内，即使功能丧失，也需保持绝缘。
安全限值由隔离器失效模式确定
为了理解安全限值的作用，让我们了解一下隔离器的设计方式。图1和图2分别说明了一个光耦合器和一个电容式数字隔离器的结构。在光耦合器中，由硅树脂材料和绝缘带在信号两侧之间提供隔离，而LED 和光电探测器提供信号传输。在数字隔离器中，由两个独立硅片上的两个高压电容器通过串联连接提供隔离，而耦合到高压电容器的电子发送和接收电路提供信号传输。图1：横截面图展示了光耦合器的构造以及故障条件可能产生的影响图2：数字隔离器的横截面图展示了故障条件可能对其隔离性能产生的影响隔离器某一侧的高电压/大电流/大功率故障事件可能会损坏该侧的电路。例如，诸如短路、静电放电(ESD)和功率晶体管击穿之类的事件可能会迫使意外的高电压和大电流进入隔离器的引脚，从而损坏LED、光电探测器、发送和接收电路以及片上ESD 保护。如果芯片上有足够大的功率耗散，则电路也可能受到重大的结构性损坏，例如硅树脂绝缘熔融、高压电容器极板短路或键合线熔化。这种结构性损坏会降低隔离器的隔离性能。
从终端系统的角度来看，即使在电应力和热应力事件阻碍了隔离器的信号传输功能之后，也可能需要满足隔离要求。这是因为隔离栅的损坏可能导致次级系统故障或发生电击危险。例如，在图3中，数字隔离器可在系统其余部分悬空时保护已接地的控制和通信模块。必须考虑数字隔离器内部和周围可能降低隔离器隔离性能的任何故障，以避免DC-对地短路的影响。图3：数字隔离器无法在交流电机驱动器中提供保护性隔离会导致对地短路，进而影响整个系统实施安全限制是为了在隔离器的输入或输出电路出现故障时尽可能降低对隔离栅的潜在损害。隔离器元件标准将安全限值定义为发生故障时器件可以承受的最大输入或输出电流(IS)、最大输入或输出功率(PS)以及最高结温(TS)，这种情况下即使可能损坏耦合元件的功能，但不会损害器件的隔离性。器件制造商必须指定这些参数，但仍由设计人员决定如何确保在出现故障时不会超出这些值，以便不会导致绝缘击穿。
作为制造商提供的安全限值的示例，图4展示了TI 的ISO7741数字隔离器在不同电源电压下的IS值和随环境温度变化的PS 值。这些值均未超出器件的最高安全结温(TS = 150°C)。根据这些曲线，例如，在100°C的环境温度下，器件内部最高可以耗散600mW 的功率，但不会对隔离性能造成任何潜在影响。图4: TI ISO7741数字隔离器的安全限值显示了在不影响器件隔离特性的情况下允许故障产生的功率耗散电路利用安全限值的参数制造商采用的材料和电路设计参数决定了器件的安全限值。根据安全标准的要求，光耦合器/数字隔离器用户必须在电路设计中提供足够的安全措施，并确保器件的应用条件不会超出器件的安全限值。这样的安全措施可能包括在故障条件下强制实施的电流和电压限制，或者是防止工作温度超过最大值的热管理。
让我们看一下实现数字隔离器安全限制的两个示例电路。尽管这些示例并不详尽，不能列举出所有可能的故障和结果，但它们阐明了安全限制的原理，可以提供在隔离式系统设计中实现安全限制的一种方法。
对于第一个示例，图5展示了一个数字隔离器用作模数转换器(ADC)或模拟前端(AFE)与微控制器(MCU)之间的接口。我将分析该系统中任意一个初级故障，包括该单一故障产生的任何次级故障。（为防止多个初级故障，可能需要额外的电路。）此次分析将着重于MCU 侧的安全限制，但也可以对ADC/AFE 侧运用相同的原理。
此示例采用24V 工业电源（最高可变为36V）为MCU 侧供电(VIN24V)。直流/直流转换器将此电压降至5V(VDC5V)，然后使用低压降稳压器(LDO)为MCU 和数字隔离器产生3.3V电源电压(VDC3P3V)。电源路径中包含限流电阻器RSUP，而输入/输出(I/O)路径中包含电阻器ROUT 和RIN。图5：在此示例中，数字隔离器用作接口，在ADC 或AFE 与MCU 之间提供隔离让我们来了解一些故障及其对安全限制的影响。
· 初级故障1：VCC1至GND1的隔离器内部短路。短路在VCC1至GND1之间提供一个电阻RFAULT。根据最大功率传递定理，当RFAULT=RSUP 时，隔离器内会出现最大功率耗散。最大功率耗散等于(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。当RFAULT 值非常低时，通过RSUP 和VCC1的电流等于3.6V/RSUP。必须设计RSUP 来耗散这一功率。但是，隔离器本身耗散的功率非常低（因为RFAULT约为0Ω）。示例：如果RSUP=RFAULT=20Ω，则隔离器的最大功率耗散为(3.6V)2/(4×20Ω)=0.162W。根据规格表，这一数值完全在ISO7741的安全限制功率范围之内。对于RFAULT 约为0Ω 的情况，20Ω RSUP 必须是0.65W的电阻器，才能产生需要耗散的功率。较高的RSUP 值始终是有益的，因为它可以减少故障条件下的功率耗散。但是，在正常运行情况下，还必须考虑RSUP 两端的压降。具有宽电源电压范围的隔离器（例如，ISO7741，该器件支持低至2.25V的工作电压）或超低功耗隔离器（例如ISO7041，该器件在1Mbps 时每通道仅消耗100µA 电流）是可支持更高RSUP 值的选项。
· 初级故障2：24V 至5V 直流/直流转换器中的输入至输出短路。在此情况中，24V 系统电源（可变为36V）出现在LDO 输入端。为防止故障进一步传播，必须将LDO 设计为在其输入端可承受36V 电压。隔离器可能无法承受该电压。
· 初级故障3：LDO 中的输入至输出短路。在此情况中，LDO 的5V 输入出现在其输出端。为防止故障进一步传播，数字隔离器必须能够在其电源上承受5V 电压（ISO7741满足此要求）。还必须考虑对MCU 的任何损坏（如果MCU 不能在其电源上支持5V）。在最坏的情况下，MCU I/O 引脚会损坏，并且对电源或对地的阻抗较低。
· 初级故障4：在MCU IN 和OUT 引脚上对地短路或对电源短路。在此情况中，流入隔离器引脚的电流可能会高于正常运行情况。电阻器ROUT 和RIN 可以帮助将此电流保持在安全限值范围内。例如，在5V 条件下，ROUT=RIN=100Ω 会将通过隔离器I/O 引脚的电流限制到50mA，这一数值远低于ISO7741的安全限制电流。对于第二个示例，使用ISO1211的隔离式数字输入如图6所示。图6：在此示例中，隔离式数字输入电路使用TI ISO1211隔离式数字输入从现场传感器接收信号，并将它们连接到一个主机可编程逻辑控制器。电压输入的标称值为24V，但最高可变为36V。ISO1211使用外部RSENSE 电阻器来精确限制流入SENSE 端子的电流。外部电阻器RTHR 可以调节数字输入的电压阈值。对于11V 输入阈值和2mA电流限值，RSENSE 和RTHR 的值分别为562Ω和1kΩ（有关详细信息，请在TI官网参阅ISO1211数据表）。
· 初级故障1：ISO1211内部的短路导致SENSE 和FGND 引脚之间的RFAULT 阻抗较低。和前面一样，在最坏情况下，ISO1211内部耗散的功率为(36V)2/(4×RTHR)。当RTHR = 1kΩ时，最坏情况下的功率为0.324W，这一数值处于ISO1211的安全限制功率范围之内。
· 初级故障2：外部电阻器RTHR 上的短路。ISO1211的内置电流限值会将从引脚获取的电流限制为RSENSE 设置的值。电阻器RTHR 在确定输入电流方面没有重要作用，因此RTHR 短路不会大幅改变流入ISO1211的电流或功率耗散。
· 初级故障3：输入电压上升到60V。安全数字输入系统必须考虑在故障条件下24V 工业电源上升到60V 的情况。ISO1211可以在保持3.1mA 电流限值的同时在输入引脚上承受60V 的电压(RSENSE = 562Ω)。耗散的最大功率为60V×3.1mA=186mW，完全在ISO1211的安全限制功率范围之内。
这两个示例说明了如何在安全限值的范围内分析和缓解不同的故障。但是，根据实际应用和安全目标，可能还需要采取其他措施。
结束语
使用隔离器时，很重要的一点是要了解它们的安全限值，并在设计中采取措施以符合这些值。在设计中未能考虑到安全限值可能会导致故障，从而造成系统严重损坏，而且如果隔离器的隔离栅失效，还可能会引起火灾和电气危险。文中的示例电路说明了在故障条件下确保维持安全限值的方法。
电隔离在工业和汽车系统中很常见，是进行高压防护或抵消接地电位差的一种手段。设计人员以前使用光耦合器进行隔离，但在最近几年中，采用电容式隔离和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。在使用这样的隔离器时，了解它们的安全限值及其使用方法对于系统设计至关重要。在使用隔离器的系统中，需要确保隔离器的隔离作用即使在故障条件下也不会受到影响。为实现此目标，各种元件监管标准（例如，面向光耦合器的IEC 60747-5-5或面向电容式隔离器和磁隔离器的VDE 0884-11）规定了安全限值。这些值指明了隔离器的工作条件边界范围，在相应范围内，即使功能丧失，也需保持绝缘。
安全限值由隔离器失效模式确定
为了理解安全限值的作用，让我们了解一下隔离器的设计方式。图1和图2分别说明了一个光耦合器和一个电容式数字隔离器的结构。在光耦合器中，由硅树脂材料和绝缘带在信号两侧之间提供隔离，而LED 和光电探测器提供信号传输。在数字隔离器中，由两个独立硅片上的两个高压电容器通过串联连接提供隔离，而耦合到高压电容器的电子发送和接收电路提供信号传输。
图1：横截面图展示了光耦合器的构造以及故障条件可能产生的影响图2：数字隔离器的横截面图展示了故障条件可能对其隔离性能产生的影响隔离器某一侧的高电压/大电流/大功率故障事件可能会损坏该侧的电路。例如，诸如短路、静电放电(ESD)和功率晶体管击穿之类的事件可能会迫使意外的高电压和大电流进入隔离器的引脚，从而损坏LED、光电探测器、发送和接收电路以及片上ESD 保护。如果芯片上有足够大的功率耗散，则电路也可能受到重大的结构性损坏，例如硅树脂绝缘熔融、高压电容器极板短路或键合线熔化。这种结构性损坏会降低隔离器的隔离性能。从终端系统的角度来看，即使在电应力和热应力事件阻碍了隔离器的信号传输功能之后，也可能需要满足隔离要求。这是因为隔离栅的损坏可能导致次级系统故障或发生电击危险。例如，在图3中，数字隔离器可在系统其余部分悬空时保护已接地的控制和通信模块。必须考虑数字隔离器内部和周围可能降低隔离器隔离性能的任何故障，以避免DC-对地短路的影响。
图3：数字隔离器无法在交流电机驱动器中提供保护性隔离会导致对地短路，进而影响整个系统实施安全限制是为了在隔离器的输入或输出电路出现故障时尽可能降低对隔离栅的潜在损害。隔离器元件标准将安全限值定义为发生故障时器件可以承受的最大输入或输出电流(IS)、最大输入或输出功率(PS)以及最高结温(TS)，这种情况下即使可能损坏耦合元件的功能，但不会损害器件的隔离性。器件制造商必须指定这些参数，但仍由设计人员决定如何确保在出现故障时不会超出这些值，以便不会导致绝缘击穿。作为制造商提供的安全限值的示例，图4展示了TI 的ISO7741数字隔离器在不同电源电压下的IS值和随环境温度变化的PS 值。这些值均未超出器件的最高安全结温(TS = 150°C)。根据这些曲线，例如，在100°C的环境温度下，器件内部最高可以耗散600mW 的功率，但不会对隔离性能造成任何潜在影响。
图4: TI ISO7741数字隔离器的安全限值显示了在不影响器件隔离特性的情况下允许故障产生的功率耗散电路利用安全限值的参数制造商采用的材料和电路设计参数决定了器件的安全限值。根据安全标准的要求，光耦合器/数字隔离器用户必须在电路设计中提供足够的安全措施，并确保器件的应用条件不会超出器件的安全限值。这样的安全措施可能包括在故障条件下强制实施的电流和电压限制，或者是防止工作温度超过最大值的热管理。让我们看一下实现数字隔离器安全限制的两个示例电路。尽管这些示例并不详尽，不能列举出所有可能的故障和结果，但它们阐明了安全限制的原理，可以提供在隔离式系统设计中实现安全限制的一种方法。
对于第一个示例，图5展示了一个数字隔离器用作模数转换器(ADC)或模拟前端(AFE)与微控制器(MCU)之间的接口。我将分析该系统中任意一个初级故障，包括该单一故障产生的任何次级故障。（为防止多个初级故障，可能需要额外的电路。）此次分析将着重于MCU 侧的安全限制，但也可以对ADC/AFE 侧运用相同的原理。
此示例采用24V 工业电源（最高可变为36V）为MCU 侧供电(VIN24V)。直流/直流转换器将此电压降至5V(VDC5V)，然后使用低压降稳压器(LDO)为MCU 和数字隔离器产生3.3V电源电压(VDC3P3V)。电源路径中包含限流电阻器RSUP，而输入/输出(I/O)路径中包含电阻器ROUT 和RIN。
图5：在此示例中，数字隔离器用作接口，在ADC 或AFE 与MCU 之间提供隔离让我们来了解一些故障及其对安全限制的影响。· 初级故障1：VCC1至GND1的隔离器内部短路。短路在VCC1至GND1之间提供一个电阻RFAULT。根据最大功率传递定理，当RFAULT=RSUP 时，隔离器内会出现最大功率耗散。最大功率耗散等于(VDC3P3V)2/(4×RSUP)。当RFAULT 值非常低时，通过RSUP 和VCC1的电流等于3.6V/RSUP。必须设计RSUP 来耗散这一功率。但是，隔离器本身耗散的功率非常低（因为RFAULT约为0Ω）。示例：如果RSUP=RFAULT=20Ω，则隔离器的最大功率耗散为(3.6V)2/(4×20Ω)=0.162W。根据规格表，这一数值完全在ISO7741的安全限制功率范围之内。对于RFAULT 约为0Ω 的情况，20Ω RSUP 必须是0.65W的电阻器，才能产生需要耗散的功率。较高的RSUP 值始终是有益的，因为它可以减少故障条件下的功率耗散。但是，在正常运行情况下，还必须考虑RSUP 两端的压降。具有宽电源电压范围的隔离器（例如，ISO7741，该器件支持低至2.25V的工作电压）或超低功耗隔离器（例如ISO7041，该器件在1Mbps 时每通道仅消耗100µA 电流）是可支持更高RSUP 值的选项。
· 初级故障2：24V 至5V 直流/直流转换器中的输入至输出短路。在此情况中，24V 系统电源（可变为36V）出现在LDO 输入端。为防止故障进一步传播，必须将LDO 设计为在其输入端可承受36V 电压。隔离器可能无法承受该电压。
· 初级故障3：LDO 中的输入至输出短路。在此情况中，LDO 的5V 输入出现在其输出端。为防止故障进一步传播，数字隔离器必须能够在其电源上承受5V 电压（ISO7741满足此要求）。还必须考虑对MCU 的任何损坏（如果MCU 不能在其电源上支持5V）。在最坏的情况下，MCU I/O 引脚会损坏，并且对电源或对地的阻抗较低。
· 初级故障4：在MCU IN 和OUT 引脚上对地短路或对电源短路。在此情况中，流入隔离器引脚的电流可能会高于正常运行情况。电阻器ROUT 和RIN 可以帮助将此电流保持在安全限值范围内。例如，在5V 条件下，ROUT=RIN=100Ω 会将通过隔离器I/O 引脚的电流限制到50mA，这一数值远低于ISO7741的安全限制电流。对于第二个示例，使用ISO1211的隔离式数字输入如图6所示。
图6：在此示例中，隔离式数字输入电路使用TI ISO1211隔离式数字输入从现场传感器接收信号，并将它们连接到一个主机可编程逻辑控制器。电压输入的标称值为24V，但最高可变为36V。ISO1211使用外部RSENSE 电阻器来精确限制流入SENSE 端子的电流。外部电阻器RTHR 可以调节数字输入的电压阈值。对于11V 输入阈值和2mA电流限值，RSENSE 和RTHR 的值分别为562Ω和1kΩ（有关详细信息，请在TI官网参阅ISO1211数据表）。· 初级故障1：ISO1211内部的短路导致SENSE 和FGND 引脚之间的RFAULT 阻抗较低。和前面一样，在最坏情况下，ISO1211内部耗散的功率为(36V)2/(4×RTHR)。当RTHR = 1kΩ时，最坏情况下的功率为0.324W，这一数值处于ISO1211的安全限制功率范围之内。
· 初级故障2：外部电阻器RTHR 上的短路。ISO1211的内置电流限值会将从引脚获取的电流限制为RSENSE 设置的值。电阻器RTHR 在确定输入电流方面没有重要作用，因此RTHR 短路不会大幅改变流入ISO1211的电流或功率耗散。
· 初级故障3：输入电压上升到60V。安全数字输入系统必须考虑在故障条件下24V 工业电源上升到60V 的情况。ISO1211可以在保持3.1mA 电流限值的同时在输入引脚上承受60V 的电压(RSENSE = 562Ω)。耗散的最大功率为60V×3.1mA=186mW，完全在ISO1211的安全限制功率范围之内。
这两个示例说明了如何在安全限值的范围内分析和缓解不同的故障。但是，根据实际应用和安全目标，可能还需要采取其他措施。
结束语
使用隔离器时，很重要的一点是要了解它们的安全限值，并在设计中采取措施以符合这些值。在设计中未能考虑到安全限值可能会导致故障，从而造成系统严重损坏，而且如果隔离器的隔离栅失效，还可能会引起火灾和电气危险。文中的示例电路说明了在故障条件下确保维持安全限值的方法。
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