在实际项目中合适的隔离解决方案

1.前言

什么是隔离：隔离就是可在传输所需信号和/或电源的同时阻止系统不同部分之间不需要的直流和交流电流。

设计人员将在许多应用中应用隔离来为电源或电机驱动电路中的高侧栅极驱动器供电、保护高压系统中的低压电路（例如电动汽车系统中的处理器）、不同电压电位系统之间的分离通信，或防止高压设备的最终用户受到电击。存在许多不同级别的隔离，包括功能隔离、基本隔离、双重隔离和增强隔离。

2.四种隔离的介绍

功能隔离，顾名思义，只是提供了一个功能。它将信号或电源从处于一个电压电位的系统传递到另一个系统和不同电压。它不能防止电击。

下一步是基本隔离。它是功能隔离，但增加了电击保护。I 类设备使用功能隔离和接地连接来保护用户。图 1 显示了典型的 I 类设备。

图 1：典型的 I 类设备

双重隔离采用具有基本隔离（防电击的基本级别）的系统，并在电气部件和最终用户之间增加了一个补充绝缘层，以减少在基本隔离失败的情况下发生电击的可能性。II 类产品需要双重隔离。这些产品使用没有接地插脚的交流插头制造，这提高了产品的安全性，因为它不依赖于外部接线来确保用户安全。具有双重隔离的终端设备示例包括电网资产监控系统、IV 泵等便携式医疗设备以及搅拌机或手机充电电源等电气设备。

第二层将内部金属部件（可能带电）与外壳物理绝缘，或使用塑料等非导电外壳。与 I 类设备相比，II 类设备确实提供了一定程度的安全性，因为它们不依赖于外部布线来提供冗余保护。图 2 显示了典型的 II 类设备。

图 2：典型的 II 类设备

加强隔离与使用单层的双重隔离达到相同的结果。具有加强隔离的设备提供基本隔离；此外，它旨在确保印刷电路板走线、磁芯、绕组、引脚等之间的物理分离，同时满足安全爬电距离和电气间隙（指两个电压系统之间的物理距离）。增强型设备采用双重隔离设计，但只能作为单件进行测试。

安全标准定义了认证必须达到的值。例如，国际电工委员会 (IEC) 60950-1 要求基本隔离的爬电/间隙距离为 3.2 毫米，加强和双重隔离的爬电/间隙距离为 6.4 毫米。基本绝缘的额定电压要求为1 分钟2,500 V RMS和 1 秒 3,000 V RMS；对于增强和双重隔离，它们是 5,000 V RMS 1 分钟和 6,000 V RMS 1 秒。你可以看到加强/双重隔离正是这样——是基本隔离的两倍。双隔离装置在标签上标有双框标志，如图 3 所示。

图 3：双重隔离标志

一旦我们决定构建 II 类设备，我们将需要双重或增强隔离。为什么选择一种类型而不是另一种类型？答案在于我们的解决方案的规模和成本。正如我们所想象的那样，一个可以完成两个工作的单个设备适合于体积更小的解决方案。我们不仅可以通过集成到单个设备中来节省成本，还可以减少满足隔离安全标准所需的工程量。

完全集成的增强型隔离解决方案采用小封装，易于实施。与其他解决方案相比，此类设备具有多种优势。例如，德州仪器UCC12050将所有控制、驱动器、场效应晶体管和磁性元件集成到单个封装中。

我们只需将器件放置在带有一些旁路电容器的电路板上，并按照正确电路板布局的说明设计增强型隔离解决方案，以超小尺寸偏置电源应用。所有的工程工作都已经完成：没有磁性设计，没有电源控制器选择。

Verband der Elektrotechnik (VDE) 0884-10 和国际电工委员会 (IEC) 60747-17 等标准提供了增强型隔离设备认证的最低要求。UCC12050 满足增强隔离的所有要求，具有 7 kV PK（1 秒，生产测试）和 5 kV RMS（1 分钟）隔离的最低保护。

总之，功能隔离和基本隔离将一个电压轨与另一个电隔离，而双重和增强隔离为相同的设计目标提供了可互换的解决方案——从插头上移除接地引脚。

通过将两个绝缘设备减少为一个，增强隔离提供了优于双重隔离的好处。与其他隔离偏置电源解决方案相比，它是我们系统中一个不错的选择，可以节省时间、精力、空间和可能的成本。