1.4 Introduction to Isolation Standards and Certifications

[音乐播放] 大家好，欢迎来到TI 高精度实验室 观看面向工程师的在线视频课程。 本高精度实验室视频将介绍 隔离认证和安全标准。 本视频将回答关于工业安全标准 与隔离组件规格之间的关系的 以下问题。 功能隔离、基本隔离和增强型隔离各有哪些等级？ 安全标准是谁定义的？ 有哪些系统级和组件级认证？ 如何测试器件以获得高压安全性？ 以及我如何才能知道我的器件符合行业标准？ 当设计用于高电压系统的 隔离时，认证和安全标准是一个重要的组成部分， 了解组件级与系统级的标准、 隔离等级和隔离规格之间的 差异将有助于为您的需求 选择最好的 隔离解决方案。 在前面的视频中，我们介绍了隔离在 高电压系统中必须发挥的作用， 还介绍了隔离可以阻止直流电流 和不需要的交流电流在系统中的 两个器件之间流动。 用于隔离的半导体IC 被称为隔离器， 它们用于在电气系统中实现 功能性和安全性。 隔离器的使用方式将决定 为了满足市售终端设备的 安全标准而必须达到的绝缘 等级。 使用标准和认证可以确保 以一致、可靠的方式测量隔离 安全性。 国际和地区标准机构通过 制定标准来确保组件和 系统拥有统一的规格和测试方法， 包括隔离式组件和隔离式系统。 功能隔离、基本隔离和增强型隔离各有哪些读数？ 当使用隔离器来确保系统 正常运行，但不一定 能够防止触电时， 这种隔离称为功能隔离。 比如电路板上的 迹线之间的 PCB 材料。 对于存在危险电压的系统， 行业标准隔离等级更有意义， 这些等级由单隔离、 基本隔离、双隔离和 增强型隔离这几个术语来表示。 基本隔离和单隔离是指 在绝缘层完好无损的情况下 可提供充分防触电保护的 隔离。 当存在高电压时，安全法规要求采用 基本隔离并将 次级隔离层用作辅助手段以实现冗余， 从而在第一个隔离层出现故障时提供触电 保护。 这称为双隔离。 作为两个物理隔离层的 一种替代方案，增强型隔离可以在高电压系统中大显身手。 增强型隔离看起来像是一层 隔离，但其高电压电气强度、 可靠性和防触电能力相当于两层 基本隔离。 确定您的解决方案需要使用 哪种隔离等级时，需要将组件的等级 与行业认可的安全标准相匹配。 有几个组织致力于为 设备和组件中的隔离制定 国家和国际安全标准。 IEC 负责发布国际标准， 并与多个组织合作，以便为电气和 电子设备起草全球行业标准。 IEC 经常将特定地区的标准 推广到全球范围。 例如，作为德国的一家协会，VDE 定义了电气、电子和信息 技术和标准。 数字隔离器组件中的 增强型隔离等级的主要标准是由 VDE 定义的，后来被 IEC作为一个全球标准加以推广。 致力于制定和发布安全相关 标准的组织包括 IEC （负责为电气设备起草 国际标准）、VDE（负责为电子产品 和信息技术定义标准并为数字 隔离器提出先进的标准）、 UL（以设备标准制定、测试和认证 而闻名）；CSA （经加拿大标准委员会 (SCC) 认证的 加拿大标准制定和认证机构） 以及 CQC（中国质量认证）中心 （负责按照中国国家标准化管理委员会的 标准管理 设备的认证 和测试）。 某些标准组织 可提供测试服务以获得 组件或设备证书，而其他标准组织 需要通过独立的测试机构 来认证组件或电子产品 才能获得认证。 当确定需要进行哪种认证时， 取决于终端系统要在哪个地区发售， 并且一定要确保符合发售 地区所要求的终端设备级标准 和组件级标准。 对于组件级和系统级的认证， 隔离标准并不相同。 隔离器件的制造商要求 满足组件安全标准， 而隔离组件的用户要求满足 终端设备标准。 为了达到增强型隔离的效果， 所有隔离器组件，无论采用哪种技术， 都必须符合适用于它们的 组件特定标准，如此处所示。 这意味着，光隔离器必须提供 UL 1577 和 IEC 60747-5-5 认证，而数字隔离器必须符合 VDE 0884-11 标准。 为了服务于全球市场，组件供应商 必须努力达到尽可能多的必要 认证要求，包括与迄今最新的认证 保持同步。 截至 2019 年 12 月，所有数字隔离器 都需要满足新推出的 VDE 0884-11 11 测试条件才能维持 IEC 增强型等级。 终端设备设计人员通常 选择已按照个别组件标准 和终端设备标准进行预先 认证的组件， 以便能够顺利通过系统级认证。 例如，尽管 IEC ESD并非一项必要的 组件级认证测试，但很多供应商都会提供 IEC ESD 测试数据，以使最终用户 在认证测试期间对预期的性能更有信心。 IEC 在一些要求隔离的最常见系统级 标准（如此处所示）中为终端设备提供商 提供了标准。 系统提供商必须同时满足功能性和地区性 系统级认证要求，才能在终端市场销售产品， 这些认证要求包括电压测试、 环境测试和一些物理属性， 例如爬电距离和间隙。 您可以在名为“什么是爬电距离和电气间隙？”的 TI 高精度实验室视频中详细了解爬电距离和间隙。 如何测试和认证器件以获得高压 安全性？ 隔离认证标准多种多样， 因此很难比较两种组件技术的 隔离性能。 在选择隔离组件之前， 一定要了解每种技术的标准 要求执行的主要测试之间的 差异，才能维持增强型等级。 此表提供了不同技术的简单比较 以及为了达到相关标准机构的 增强型等级而需要执行的测试。 这里突出显示了六个关键方面， 以展示这些标准之间的差异—— 最大浪涌电压、局部放电测试、 工作电压、最短额定寿命、 生命周期故障率以及允许使用的隔离材料。 我们简要回顾一下这些测试和定义 以及它们对隔离器的性能意味着什么。 浪涌电压是指反复出现一组 短暂高压脉冲之后的隔离层的 性能。 浪涌波形被定义为使用由 IEC 61000-4-5 指定的时序特性执行的行业标准测试。 执行此测试时，需要将器件放在 一块测试板上，并将隔离层两端的所有 引脚全部短路。 使用一个连接到隔离层 一端的高压脉冲发生器，并将 回线连接到隔离层的另一端， 然后对最低电平应用 10 个脉冲， 通过此测试后，增大电平，直到达到 最大额定浪涌电压 或者隔离层出现故障为止。 要通过 VDE 的数字隔离器 增强型隔离认证，测得的浪涌电压 不能超过数据表中指定的浪涌电压的 1.6 倍，还要通过最低 10kV 浪涌测试。 对于光隔离器，唯一的要求是 通过最低 10kV浪涌测试，这是由 光耦合器的巨大绝缘穿透距离 (DTI) 决定的。 数字隔离器或薄膜绝缘体技术 明显不同于光耦合器。 因此，标准机构使用不同的性能数据 来证明增强型等级的安全性。 对于数字隔离器，需要使用测得的 浪涌数据，而对于光耦合器， 最小距离规格最有意义。 绝缘材料的距离与质量的 组合直接决定隔离器是否能够 通过浪涌测试。 光耦合器的绝缘层很大， 因此即便使用以空气或环氧树脂为材料的 低质量电介质，也依然能够通过此测试。 由于数字隔离器使用小得多的高质量 电介质，因此与传统的光耦合器 技术相比，在几十微米 而不是几百微米范围内，高质量的 绝缘材料自身能够在更小的 封装中实现更高的浪涌等级。 这样，数字隔离器的DTI 规格以及 行业标准就能够为组件级隔离提供 更小的封装解决方案。 局部放电测试这种方法 利用电荷分布来发现潜在缺陷， 以测量电介质隔离层内的缺陷。 局部放电测试旨在 利用高电压在现有的任何 孔隙中积聚能量，以确定隔离层内 是否存在缺陷或空隙。 此积聚会导致隔离层内的电荷 重新分配，这种现象称为局部放电，随后 可将它作为漏电电流进行测量。 由于光耦合器的电介质因空气或 环氧树脂而异，并且是在产品组装 过程中实现的，因此局部放电测试 可以发现隔离层或模塑化合物内的 缺陷和空隙并筛选出可能 存在缺陷的材料。 数字隔离器和光耦合器 都要接受利用此处所示的方法 B1 执行的标准测试，即局部放电测试。 此测试曲线是 IEC 和 VED 这两种认证标准同时要求的生产屏幕。 但局部放电方法不能 完全代表为了测量 现代数字隔离器的寿命而需要执行的测试。 这是因为在现代数字隔离器中， 电介质在严格控制的晶圆制造环境 或经过认证的清洁室中沉积的。 为了实际测试现代数字隔离器的 隔离层，需要执行能够在 模塑化合物之外发现缺陷的测试。 最大工作电压可量化隔离器 在其生命周期内持续进行日常 运行时处理隔离层中的高电压的 能力。 隔离器的工作电压和使用寿命 由 TDDB（时间依赖型电介质击穿） 分析确定。 数字隔离器的 TDDB数据是一种行业标准方法， 这种方法对电介质应用一个 恒定能量场，然后测量击穿点，从而 测量随时间变化的电介质击穿情况。 由于半导体材料的时间与电介质击穿 之间的关系是可预测的而且 很好理解，因此这种方法能够精确地 预测材料在施加的各种应力下的寿命。 从此处所示的曲线中可以看到， 应用的电压为1.5kV，隔离层的 预计寿命超过 40 年。 尽管大多数使用案例都不会接近 1500 伏 恒定电压，但了解隔离层的预期 性能可以增强对于安全地使用 高电压的信心。 保护带用于为安全工作区内的 工作电压的任何工作条件提供最高的 置信度，这样可以使 器件的生命周期故障率降至 百万分之一以下。 尽管光耦合器使用局部放电方法 来确定工作电压，但它们 并不指明预期的寿命或生命周期 故障率，因为组件标准目前并未 提出这些要求。 TI 白皮书《实现高质量和可靠的 电压信号隔离》和电视视频系列 “什么是高电压可靠性？”中提供了 有关用于隔离和高电压测试的 TDDB 数据方法的更详细说明。 高精度实验室视频“有哪些隔离 认证和标准？”到此结束。 我们已经简单介绍了认证标准， 并讨论了以下内容：功能隔离、基本 隔离和增强型隔离等级这几个 行业标准术语旨在说明用于实现高性能和高安全性的 电压隔离等级；行业安全标准 由行业委员会和标准机构确定， 这些组织由可提供性能认证的行业专家 组成；要通过系统级和 组件级认证，需要提供在规定的测试条件下 和经过认证的测试设施中取得的 性能证明；高电压性能 等级由特定的行业标准测试 确定，可能包括浪涌、工作电压和 绝缘要求；最后，可以通过 认证来明确识别符合行业标准的 器件，此类认证 可在供应商的网站上获得。 谢谢观看。 请继续观看视频以参加在线测验。 判断对错 -- 当设计终端设备时，不一定要 通过器件等级认证，因为终端设备只需通过 IEC 认证。 错。 尽管 IEC 终端设备等级认证 将决定所需的系统级认证， 但终端设备还必须通过 特定的隔离组件级认证。 此外，还必须考虑并满足地区 和设备的认证要求，才能生产 可以在多个市场中销售 的产品。 一定要确保组件级安全 认证是最新的，并符合 IEC 的 隔离组件指导准则。 为何光耦合器需要具备比现代 数字隔离器更高的 DTI 规格？ 绝缘穿透距离(DTI) 是一个 用于限制浪涌过压风险的 规格。 现代数字隔离器适用于与光耦合器 相比具有极高电介质强度的 绝缘材料，因此能够在更短的距离 提供更强的浪涌电压保护。 根据下面的 TDDB曲线，如果我的 设计使用的工作电压为 500 伏 rms， 那么我正在使用的数字隔离器的预期寿命是 多长？ 在工作电压为500 伏 rms 时， 此数字隔离层的寿命将超过 100 年。 高精度实验室视频“有哪些隔离 认证和标准？”到此结束。 您可以通过下面的网址浏览更多的隔离主题和资源： www.ti.com/isolation。