了解數字隔離器安全使用的限制值

電流隔離在工業和汽車系統中很常見，作為防止高電壓一種手段。設計人員傳統上使用光耦合器進行隔離，但在過去幾年中，使用電容和磁隔離的數字隔離器變得越來越流行。對于任何此類隔離器，了解其安全限值的重要性以及如何利用它們對于系統設計都很重要。

在使用隔離器的系統中，確保其絕緣即使在故障條件下也能保持完整可能很重要。為了實現這一目標，管理光耦合器或電容和磁隔離器的元件標準規定了安全限值。這些值指定隔離器的工作條件邊界，即使功能不是，絕緣也保留在該邊界內。

隔離器故障模式確定安全限值
要了解安全限值指定的內容，請考慮隔離器的設計方式。圖1和圖2分別說明了光耦合器和電容式數字隔離器的結構。對于光耦合器，硅膠材料和絕緣膠帶在兩個信號側之間提供絕緣，而LED和光電探測器提供信號傳輸。在數字隔離器中，兩個獨立硅芯片上兩個高壓電容器的串聯提供絕緣，而耦合到高壓電容器的電發射和接收電路提供信號傳輸。

圖1光耦合器結構

圖2數字隔離器結構

隔離器一側的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會損壞該側的電路。例如，短路、靜電放電（ESD）和功率晶體管擊穿等事件可能會迫使意外的高電壓和電流進入隔離器的引腳，從而損壞LED、光電探測器、發射和接收電路以及片上ESD保護。如果芯片中有足夠的功率耗散，電路也可能受到嚴重的結構損壞，例如熔融硅膠絕緣、高壓電容器板短路或熔化的鍵合線。這種結構損壞會降低隔離器的絕緣能力。

從終端系統的角度來看，即使在電氣和熱應力事件阻礙了隔離器的信號傳輸操作之后，隔離要求也可能需要保持有效。這是因為隔離柵損壞可能導致二次系統故障或電氣危險。例如，在圖3中，數字隔離器保護接地的控制和通信模塊，而系統的其余部分則浮動。必須考慮數字隔離器內部和周圍可能降低隔離器絕緣能力的任何故障的影響，以避免直流接地短路的影響。

圖3數字隔離器保護接地的控制和通信模塊

讓我們看一下兩個用于實現數字隔離器安全限制的示例電路。雖然這些示例并非詳盡無遺，無法識別所有可能的故障和結果，但它們闡明了安全限制的原則，并應提供如何在隔離系統設計中實現安全限制的了解。

對于第一個示例，圖4顯示了一個數字隔離器，用作模數轉換器（ADC）或模擬前端（AFE）與微控制器（MCU）之間的接口。我將分析此系統的任何一個主要故障，包括此單個故障產生的任何次要故障。（可能需要額外的電路來防止多個主要故障。本分析將重點關注MCU側的安全限制，盡管您也可以將相同的原理應用于ADC/AFE側。

圖4數字隔離器用作模數轉換器

結論

使用隔離器時，了解其安全限值并在設計中做出滿足這些值的規定非常重要。未能設計安全限制可能會導致故障，從而造成廣泛的系統損壞，如果隔離器的屏障失效，則可能出現火災和電氣危險。示例電路演示了確保在故障條件下保持安全限值的方法。

審核編輯黃宇