加强隔离通过测试

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保护用户免受潜在致命电压和电流的伤害是任何电气设计的关键要求。最新一代的强化隔离装置允许设计者用一个具有同等功能的单一组件取代两个独立的保护级别。本文将讨论实现这一进步的半导体技术，以及确保用户安全不受损害的测试。

隔离的必要性

在存在高电压或高电流的设计中，有必要采取措施减少对用户的潜在风险。这些步骤传统上包括绝缘、接地，以及通过电隔离(电隔离技术)隔离危险的电压和电流，电隔离技术是将电气系统的功能部分隔离，以防止电流在它们之间流动。

一种隔离装置防止直流和不需要的交流电流在其输入和输出之间的传播，同时允许传输所需的信号。它使用具有高击穿电压和低漏电流的隔离屏障来实现这一点。没有电阻路径存在，但该设备仍然可以通过电容、感应或光学技术传递信息。

隔离在与安全无关的情况下也很有用。例如，地面参考电平在两个独立的电气系统之间可能差别很大，例如一个工业工厂的不同部分。

这种差异可能导致数字传输中的错误或故障;发射机和接收机在地面上的任何差异都减少了误差的余地。在模拟电路中，器件之间的任何直流接地差都会增加不必要的偏移误差;交流的变化会影响信号的谐波含量。在电路中增加隔离装置可以校正接地差。

在某些应用中，低电平信号可能依赖于两个输入端子上同时出现的更大的共模电压。组合信号可能大于下游设备的全量程范围或超过其过电压限制，从而造成损坏。隔离装置能够阻断共模电压，并确保只有被测量的信号通过隔离栅。

监管标准

虽然隔离装置能完成几种不同的功能，但它们的安全性能是监管机构最关心的问题。图1显示为各种应用设定安全标准的一些监管标准。对于部件和终端设备有不同的规定。此外，对于光学和磁隔离技术也有单独的标准。

1.应用程序决定必须满足的终端设备安全标准。类似地，对于所使用的不同隔离技术，也存在不同的组件标准。(来源:德州仪器)

常见的隔离条件

为了理解这些法规，让我们回顾一些基本的定义。图2显示典型数据表中隔离规范的定义。

功能隔离足以保证系统正常运行，但并不一定能防止冲击。例如，在低压设计中，隔离装置只用于断开接地回路，不需要提供防震保护。

基本的隔离在屏障完好无损的情况下，可提供电击保护。然而，当可能有人进入时，安全条例要求双重隔离和第二级保护，如补充绝缘或保护性接地。

为了在降低成本和体积的同时提供所需的保护，加强隔离定义单一隔离级别，提供相当于两个基本隔离级别的防震、隔离和可靠性。

2.隔离设备有自己的一组定义和关键规范。(来源:德州仪器)

加强隔离的要求

强化隔离装置如何确保安全?VDE 0884-10(即将成为“-11”，并附带额外的必要测试)是全球对增强隔离组件要求最高的标准。尽管VDE 0884严格适用于使用电容隔离技术的隔离器，但它比光耦合器的等效标准IEC 60747-5-5要求更高。

VDE 0884-10指定“a”严格的测试系列隔离组件。基本隔离器和加强隔离器的测试程序不同，加强隔离器的测试程序更严格。

图2中定义了测试的参数。它们包括最大重复峰值电压(V_IORM)，工作电压(V_IOWM)，最大瞬态隔离电压(V_IOTM)、隔离耐压(V_ISO)，最大浪涌隔离电压(V_IOSM)、比较跟踪指数(CTI)。这些规格代表了隔离器处理不同大小和瞬态高压应力的能力，并与现实世界的操作有直接的关系。

V_IORM和V_IOWM例如，这两种方法都可以测量隔离器在其整个生命周期中，每天连续地承受高电压通过其屏障的能力。

VDE 0884-10检查V_IORM和V_IOWM通过局部放电测试，检测绝缘内部的局部放电，表明绝缘退化。局部放电测试与V测试同时进行_IOTM．在认证和生产期间有不同的测试，在VDE 0884-10中分别称为测试方法A和测试方法B1。在认证过程中，对不同晶圆批次的多个器件进行测试;在生产过程中，100%的设备被测试。

隔离装置的可靠性计算

为了验证隔离装置的长期可靠性，制造商必须向认证机构提供加速压力测试数据。在加速应力测试期间，隔离器受到大大超过其工作电压的不同电压水平的影响。记录相应的击穿时间，外推电压-时间曲线来预测在预期工作电压下的寿命。

时间依赖介质击穿(TDDB)测试是验证介质寿命的行业标准方法，是高压隔离屏障的关键测试。TDDB测试在恒定的高交流或直流电压下对部件施加压力，持续一段时间，直到绝缘体磨损并因电气短路而失效。通过在多个电压下测试TDDB，外推法确定产品在工作电压下的寿命(图3)．

VDE 0884规定了建立电容强化隔离部件的寿命所需的裕度。其中包括20%的工作电压裕度和87.5%的工作寿命裕度;例如，额定电压为1千伏的装置_RMS使用寿命为20年的工作电压，在1.2 kV下运行时，其失效概率必须小于1ppm_RMS在37.5年。

3.在这个与时间有关的介电击穿(TDDB)试验中，圆圈表示63%的元件击穿所需的时间。三角形表示在4kvrms进行的TDDB测试，在17000小时内没有故障。(来源:德州仪器)

SiO的概述₂电容隔离技术

隔离设备的构造如何使其能够满足这些机构的要求?

电容隔离器主要使用高压二氧化硅(SiO)₂)电容器提供隔离。SiO的介电强度为470-670 V/µm₂在常用的高压绝缘材料中具有最高的介电强度。与聚酰亚胺和其他聚合物绝缘体不同，SiO₂是否没有漏洞和SiO的可靠性₂电容器不退化暴露在环境湿度。

加强隔离使用两个厚SiO实现₂在输入和输出之间串联的电容器，构成双隔离隔板。高压电容器采用高性能模拟CMOS工艺制造，封装在多芯片SOIC模块中(图4)．

4.一个高压隔离的多芯片模块，如AMC1305，在发送端和接收端都有SiO2电容串联。(来源:德州仪器)

晶圆厂工艺是一个多层金属工艺，金属之间形成高压电容器。这种结构实现了SiO₂使用标准层间介质层进行高压隔离所需的厚度。多层结构通过减少高压性能对任何单一层的依赖，提高了质量和可靠性。

对于SiO₂失效时间与应力电压之间呈指数关系。因此，预期故障时间的日志随施加的电压应力线性降低，而VDE 0884-10需要SiO₂基于隔离器使用相同的关系来拟合加速测试数据。

强化隔离装置的例子

TI的AMC130x是第一个将模拟操作与增强隔离等级相结合的产品系列。它提供了可靠性，防震保护和隔离相应的两个级别的基本隔离在一个单一的包。

家庭设备为共同的数据采集功能提供了加强隔离的选择。它们提供高达7千伏的隔离_峰工作击穿电压为1kv_RMS．绝缘阻挡层寿命为64年，超过VDE0884-10的要求。

的AMC1305，如图4所示，是一个精度delta-sigma (ΔΣ)调制器，具有16位分辨率和LVDS或CMOS数字接口。的AMC1304是一个类似的设备，但也包括一个低差调节器(LDO)。

图5给另一个家庭成员看AMC1301．它采用ΔΣ调制器作为精密隔离运放的基础。

5.AMC1301输入级由一个全差分运放前端和一个ΔΣ调制器组成。输出级对比特流进行滤波以重建原始信号。调制和滤波处理使信号通过该装置延迟3µs。(来源:德州仪器)。

对于数字应用，德州仪器提供iso784和iso782系列钢筋光电隔离器。它们有两通道和四通道版本，数据速率高达100mb /s。

结论

用不同的参数对电容强化隔离装置的高压性能进行量化，这些参数代表了隔离器处理不同强度和瞬态分布的高压应力的能力。安全机构VDE发布了VDE0884组件级标准，定义了这些参数和测试它们的方法。

德州仪器公司已经开发了多个具有增强隔离能力的隔离器，满足或超过这些严格的要求。