淺談Avago光耦合器在構建工業(yè)系統中的使用

如果工業(yè)自動(dòng)化公司發(fā)生生產(chǎn)線(xiàn)停工，??則在試圖解決問(wèn)題并使生產(chǎn)線(xiàn)重新運行時(shí)可能會(huì )損失數百萬(wàn)美元和機會(huì )成本。

故障可能發(fā)生在電磁干擾，高壓浪涌和安全標準等領(lǐng)域。在開(kāi)發(fā)和制造制造設備之后，需要在初始設計級別而不是稍后檢查這些關(guān)注區域。

工廠(chǎng)車(chē)間的惡劣環(huán)境帶來(lái)了與辦公環(huán)境無(wú)關(guān)的問(wèn)題。隨著(zhù)以太網(wǎng)集成到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的出現，對現場(chǎng)總線(xiàn)和設備級別的嚴格要求在接收器端進(jìn)行數據收集變得越來(lái)越重要。

光耦合器廣泛用于工業(yè)聯(lián)網(wǎng)系統中，用途廣泛。它們使電路和高度不同的電壓電平可以作為一個(gè)系統一起工作，并且可以在保持電氣隔離或彼此電氣隔離的同時(shí)進(jìn)行耦合。它們還用于確保無(wú)差錯的數據傳輸，保持數據完整性并保護用于高速現場(chǎng)總線(xiàn)通信的互連設備。光耦合器在工業(yè)通信應用中的用途包括工業(yè)輸入輸出系統，傳感器和溫度控制系統，電源和調節系統，電動(dòng)機控制和驅動(dòng)系統，儀器儀表和醫療系統。

本白皮書(shū)討論了構建安全，強大的工業(yè)系統時(shí)需要考慮的重要因素。

光耦合器基礎知識

基本的光耦合器由發(fā)光二極管（LED），光電探測器和光學(xué)透明的電絕緣膜或電介質(zhì)組成。當電流驅動(dòng)LED時(shí)，它會(huì )發(fā)光，并通過(guò)電介質(zhì)耦合到光電探測器。光電探測器產(chǎn)生與耦合光成比例的電流。該電流可以由各種電路操縱以執行特定功能。光耦合器的主要功能是防止電路一側的高壓或快速變化的電壓損壞另一側的組件或使傳輸失真。這是通過(guò)光學(xué)傳遞所需信號來(lái)完成的，同時(shí)保持兩個(gè)系統之間的電隔離。

Avago Technologies的光耦合器的橫截面積

電路設計人員在設計其應用程序時(shí)，可能會(huì )遇到三種與隔離相關(guān)的問(wèn)題：

電壓瞬變：這些潛在的高電流或電壓浪涌可能會(huì )損壞組件并引起電擊，從而可能危及人的生命。它們通常是兩個(gè)電路或系統之間短暫而強烈的電涌。

接地回路電流：這些是不同接地電位的互連之間的有害信號，會(huì )導致破壞性的接地回路。通常在通信網(wǎng)絡(luò )中在各個(gè)連接節點(diǎn)處具有不同接地點(diǎn)的情況下會(huì )發(fā)現它們。這些接地之間的電勢差可以是交流電（AC）或直流電（DC），并且在該通信系統中可以找到各種噪聲成分的組合。如果電勢足夠大，則可能會(huì )損壞設備（例如，通信端口），傳輸錯誤或數據信號降級。長(cháng)期暴露會(huì )導致電路板的發(fā)熱和燃燒，從而損壞組件并引起電擊，其中一些可能對人致命。

高電壓電平轉換：隨著(zhù)數字IC向更低工作電壓的遷移，對將敏感電子與大功率電子分離的設備的需求正在增長(cháng)。為了確?？煽康?a target="_blank">信息交換并防止電流在不同的接地參考電壓之間流動(dòng)，需要使用隔離。例如，在電機控制應用中，電機的電子系統包括2個(gè)階段，低壓控制器和電源模塊。在這樣的系統內，重要的是要保護和隔離兩個(gè)級，使其免受開(kāi)關(guān)瞬變和共模電壓波動(dòng)的影響。同時(shí)，必須提供接口控制和反饋電路的電平轉換和信號隔離。

隔離裝置的安全標準

國際安全標準的發(fā)布是為了確保設備和產(chǎn)品以基本的安全標準水平使用-不僅用于設備，而且還用于操作員。這些標準側重于觸電，機械危險和火災以及電磁干擾領(lǐng)域的公共安全。在系統和組件級別，在地理位置和各種設備應用程序中都有許多隔離安全標準。在工業(yè)市場(chǎng)上，系統級別的安全標準是針對全球或國際標準的IEC 604（國際電工委員會(huì )），以及針對美國的UL508（承保實(shí)驗室）和針對歐洲的EN 50178。在光耦合器的組件級別，國際標準的安全標準為IEC 60747-5-2，

對于未來(lái)的光耦合器標準和維護，IEC將成為全球事實(shí)上的標準。為了獲得IEC 60747-5-2的批準，光耦合器組件經(jīng)過(guò)了一系列嚴格的資格測試，包括環(huán)境，機械，隔離和電氣測試。通過(guò)組件的標準是嚴格限制為5 pC的局部放電（PD）測試。

作為電流的電阻，絕緣是產(chǎn)品安全設計中的重要因素。產(chǎn)品安全設計的基本原理是將存在電擊危險的電路與其他電路或用戶(hù)可能接觸或連接到其他設備的某些設備部件分開(kāi)。該電路不僅在正常使用期間而且在故障條件下都必須是安全的。安全性有明顯區別的兩個(gè)主要絕緣等級是“基本絕緣”和“加強絕緣”。

基本絕緣
自2004年1月以來(lái)，德國的光電耦合器VDE 0884安全標準認證已由IEC / EN / DIN EN 60747-5-2取代。此新安全標準直接適用于光隔離設備。盡管此標準僅專(zhuān)門(mén)適用于光隔離器，但使用其他隔離技術(shù)（例如磁隔離或電容隔離柵）的設備也已經(jīng)令人驚訝地（甚至可能錯誤地）獲得了此光耦合器安全標準的認證。此識別僅限于“基本絕緣”。這種絕緣水平可能無(wú)法提供“故障安全操作”。

經(jīng)IEC / EN / DIN EN 60747-5-2認證和認可并具有“基本絕緣”認可的設備只能提供基本的防觸電保護。他們不能被認為是“故障安全”的。用戶(hù)不應訪(fǎng)問(wèn)此類(lèi)設備。

加強絕緣
所需的絕緣水平在很大程度上取決于故障條件下組件的故障模式?！凹訌娊^緣”僅被批準用于“故障保險”組件。這意味著(zhù)“加強絕緣”不僅可以提供防電擊保護，而且其故障安全設計允許用戶(hù)觸及。Avago Technologies制造光耦合器已有30多年的歷史，提供從光電晶體管到業(yè)界最快的50MBd光耦合器的廣泛產(chǎn)品。

Avago Technologies在1414 Vpeak時(shí)提供最高的絕緣工作電壓之一。所有Avago Technologies的光耦合器均已通過(guò)組件級安全標準的認可和認可；其中包括UL1577（保險商實(shí)驗室），CSA（加拿大標準協(xié)會(huì )）和IEC / EN / DIN EN 60747-5-2。UL和CSA額定值基于一分鐘的瞬時(shí)介電耐壓能力，而IEC / EN / DIN EN額定值則基于連續工作電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓。

如圖2所示，Avago Technologies的光耦合器為所有光耦合器產(chǎn)品提供的數據手冊中提供了“故障安全”級別的高壓隔離。

Avago Technologies的光耦合器產(chǎn)品中的標準合規性示例

高壓絕緣的可靠性

光耦合器通常用于存在高電壓的環(huán)境中。盡管已經(jīng)建立了許多安全標準法規來(lái)提供有關(guān)高壓施加的準則，但是由于對電氣和熱應力的老化和故障機理了解不足，因此仍存在可靠性方面的顧慮。

最近進(jìn)行了評估測試，以確定隔離設備將隔離柵的一側成功與另一側的高電壓隔離的時(shí)間長(cháng)度。執行該測試以評估設備在高壓性能和絕緣完整性方面的可靠性。由于將2.5 KV和3.75 KV的高電壓（分別在A(yíng)vago Technologies的數據表上指定）分別不斷地施加到競爭對手A器件和Avago Technologies的光耦合器上，因此執行的高壓壽命測試被定義??為破壞性測試。每小時(shí)監視一次設備的壽命，直到隔離柵被打破，或者直到測試單元被破壞為止。

隨機選擇了幾個(gè)競爭對手A的磁隔離器零件進(jìn)行測試。如表1所示，在8.5小時(shí)至10.5小時(shí)之間銷(xiāo)毀了這些裝置。Avago Technologies的光耦合器在3.75 KV的高壓下至少可以維持168小時(shí)。這已通過(guò)我們的可靠性測試過(guò)程進(jìn)行了驗證。

表1.高壓壽命測試結果

靜電放電

高速邏輯電路中組件故障的主要原因之一是靜電放電（ESD）。ESD會(huì )在各種情況下發(fā)生，原因是設備或電路板處理不當，接口設計不當或其他導致設備接口上出現大電壓尖峰的現象。當設備被ESD損壞時(shí)，受影響的設備可能會(huì )停止運行，表現出參數下降或顯示出較高的故障率。唯一的解決方案是更換損壞的組件。

光耦合器是用于防止ESD問(wèn)題的出色設備，尤其是在電氣要求苛刻的環(huán)境中將兩個(gè)系統鏈接在一起的情況下。光耦合器允許接地隔離，即使系統可能漂浮在電噪聲環(huán)境中，也可以使系統在自身內部保持電中性。這些環(huán)境可以包括電機控制，開(kāi)關(guān)電源，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )和醫療應用。

最近進(jìn)行了ESD測試，以評估和評估光學(xué)和磁性技術(shù)的性能。該測試評估了ESD脈沖施加到兩種不同技術(shù)的介電材料上的影響。遵循IEC-6100-4-2標準的測試要求，從競爭對手A的五個(gè)隨機選擇的磁隔離器中，將ESD脈沖注入到它們的輸入側，同時(shí)所有引腳在輸入和輸出側都短路在一起，如圖所示然后在圖4的步驟1中進(jìn)行測量。然后測量輸入和輸出之間的電阻（圖4的步驟2），并將結果列在表2中。

ESD測試

測試結果

如上一節所述，通過(guò)向來(lái)自競爭對手A的五個(gè)單元的輸入側注入ESD脈沖來(lái)進(jìn)行測試。ESD電壓電平從5.5 KV以0.5 KV的步長(cháng)增加，直到這些單元發(fā)生故障或擊穿。在測量輸入和輸出兩端的電阻時(shí)，讀數接近零歐姆。這暗示被測設備短路。然后使用相同的方法測試了三個(gè)Avago Technologies的光耦合器。結果表明，Avago Technologies的光耦合器即使在高達11 KV的ESD電壓水平下也沒(méi)有出現介電故障。在大約11.5 KV的ESD電壓水平下，在光耦合器上確實(shí)發(fā)生了外部電弧，從而阻止了進(jìn)一步的測試。

表2顯示，在大約10KV的電壓下，競爭產(chǎn)品A的五個(gè)單元中的三個(gè)單元發(fā)生了介電故障，而另外兩個(gè)單元分別在6.5 KV和8.0 KV甚至更低的ESD電壓水平下發(fā)生了故障。這表明競爭對手A可能比Avago Technologies的光耦合器更容易受到ESD壓力。測試還表明，在整個(gè)測試過(guò)程中，光耦合器的絕緣能力不受ESD應力的影響。

為了調查被測部件的故障原因，將設備拆封。在變壓器IC和驅動(dòng)器IC上發(fā)現燒傷痕跡（見(jiàn)圖6）。ESD引起“穿通”效應，從而損壞了這些磁性設備。

表2

競爭對手A零件上的燒傷痕跡

電磁干擾（EMI）

電磁干擾（EMI）可以定義為任何干擾，破壞或以其他方式干擾授權電子發(fā)射的電磁干擾，從而限制電子設備和電氣設備的有效性能。它可能是有意引發(fā)的，例如某種形式的電子戰，也可能是由于雜散發(fā)射和響應，互調產(chǎn)物，大氣干擾（包括閃電）和地外源（例如黑子）而無(wú)意中引起的。射頻干擾（RFI）是一類(lèi)特殊的EMI，其中射頻傳輸（通常為窄帶）會(huì )引起設備運行中的意外問(wèn)題。射頻干擾可能來(lái)自多種來(lái)源，例如手機或電源線(xiàn)，變壓器，醫療設備，機電開(kāi)關(guān)，

EMI有兩種形式：輻射EMI和傳導EMI。輻射EMI是一種干擾，它從一個(gè)源通過(guò)空氣傳播到接收源，而傳導EMI則沿著(zhù)一個(gè)傳導路徑傳播。兩者都可能導致傳輸有害的電子信號。這種干擾會(huì )傳播授權的信號，通過(guò)更改正常的操作參數可能會(huì )干擾設備或設備的正常運行。這些故障通常分為電磁干擾或EMI故障。

解決EMI問(wèn)題是一個(gè)挑戰。當懷疑存在電磁干擾時(shí)，解決問(wèn)題的第一步是確定將能量傳輸到受影響設備的機制：輻射，傳導或感應?？梢酝ㄟ^(guò)消除根本原因（物理隔離）或通過(guò)保護故障設備（例如，通過(guò)在電信區域進(jìn)行屏蔽）來(lái)限制感應能量的數量來(lái)實(shí)現改進(jìn)。避免潛在的EMI問(wèn)題的最佳方法是選擇靈敏度較低的器件或免疫器件，通過(guò)優(yōu)化布局以最小化耦合效應和適當的屏蔽。

市場(chǎng)上的所有各種隔離器和耦合器均由集成CMOS或雙極性IC組成。耦合單元是當今可用的不同技術(shù)之間的主要區別，可以是光耦合隔離器（光耦合器），磁耦合隔離器（磁耦合器）和電容耦合隔離器（電容耦合器）。在強電磁場(chǎng)的作用下，每種傳感器的行為都不同。盡管已知光耦合器LED /光電二極管組合由于光耦合路徑而不受電磁干擾，但由于其微觀(guān)結構和磁耦合，磁隔離器在EMI方面有局限性。電磁耦合器的故障可能發(fā)生在磁場(chǎng)的直流電平（0 Hz）以及不同強度的不同頻率的磁場(chǎng)下。

設計人員的主要考慮因素是避免在工業(yè)環(huán)境中或緊鄰電機控制的應用或設備中使用潛在的EMI問(wèn)題。光電耦合器是最佳選擇，因為與目前市場(chǎng)上所有其他隔離器相比，它們具有出色的EMI性能并且可以承受更高的電磁場(chǎng)。