如何在高压系统中实现电源和信号线的电气隔离

介绍

在一系列高压应用中存在电源和信号线的情况下，需要为设备和用户提供强大的保护，包括工厂自动化和电机驱动器等工业 4.0 系统。这延伸到汽车和电动汽车（EV）、医疗系统、测试和测量应用以及光伏系统和电网基础设施等绿色能源系统。为了实现这种保护，需要某种形式的隔离。

设计人员面临的挑战是确保隔离机制紧凑、高效且具有成本效益，同时支持双向信号传输和功率传输。由于隔离机制必须为操作员提供高压保护并确保可靠的系统运行，因此隔离设备必须符合国际电工委员会（IEC） 60747-5 和 IEC 60747-17 等标准。

使用光耦合器或变压器进行电流隔离的传统方法可以满足IEC标准，但在某些应用中存在局限性。为了更可靠地满足设备和用户保护要求，同时提供双向信号传输，需要使用电容和磁性技术进行电气隔离。

本文简要介绍电流隔离。然后，它回顾了IEC标准，并研究了如何使用集成电容和磁性技术实现电流隔离。它展示了电流隔离解决方案示例，其应用包括结合电容和磁性技术的通用隔离器。还讨论了加快设计过程的评估板。

电流隔离的作用

电流隔离可防止电流在电子或电气系统的功能部分之间流动，但支持在部分之间传输模拟和数字信号以及电源（图 1）。电流隔离可用于：

1.连接具有不同接地电位的功能部分

2.通过停止共享接地的功能部分之间的电流来断开接地环路

3.保护操作员免受高压路段的电击危险

4.电流隔离图像允许数据和/或功率流

图 1：电流隔离允许数据和/或功率流动，但隔离部分之间没有接地电流。

隔离类型和选择

有几种隔离类型可供选择，并且有不同的国际标准来管理其使用，例如用于磁性和电容隔离的IEC 60747-17以及用于光耦合器的IEC 60747-5-5（表1）。

功能或操作隔离可确保系统正常运行，但不能保护用户免受高压影响。它不在安全法规的涵盖范围内。
基本隔离是安全法规中包含的最简单的隔离形式。它可以保护用户免受电击，但如果发生故障，用户仍可能暴露在高压下。
补充隔离在基本隔离的基础上增加了一层。如果基本隔离失效，它可以保护用户免受高压的影响。
双重隔离不是一种单独的隔离类型。它指的是使用基本隔离和补充隔离。但是，大多数标准和安全文件将双重隔离称为一种隔离类型。
加强隔离是一种单一隔离系统，可提供相当于双重隔离的保护。加强隔离的性能和测试要求比基本或补充隔离方法更严格。

表 1：强化隔离的测试和操作要求比基本隔离要求更高。

虽然光耦合器广泛用于电气隔离目的，但它们只能用于信号线，它们往往效率低下，只能沿一个方向发送数据，并且有带宽限制。光耦合器带宽可以通过增加LED驱动电路和放大器来提高，但这会导致更高的成本和更高的能耗。使用变压器提供磁隔离可以为电源和高速信号线提供有效的解决方案，但分立变压器体积大且成本高昂。

为了可靠、更有效地满足电流隔离的需求，设计人员可以转向符合IEC隔离标准的集成电容和磁性解决方案。电容隔离器支持模拟信号和高速双向数据传输，但功率传输能力有限。集成磁隔离可以支持高速数据的双向传输和更高功率水平的传输。

隔离特性

隔离电压、工作电压和共模瞬变抗扰度（CMTI）是隔离器的三个关键特性。隔离电压是指隔离器可以在短时间内保护免受危险电压影响的最大电压。工作电压是隔离器设计使用的长期电压。

CMTI是施加在两个隔离电路之间的公共电压瞬变的最大压摆率（频率），可以承受，而不会对跨越隔离栅的数据传输产生不利影响。CMTI 以千伏/微秒（kV/μs）或伏特/纳秒（V/ns）为单位。隔离接地层之间的电容是瞬态能量穿过势垒并破坏数据或波形的路径。高CMTI表示系统坚固耐用，即使暴露于快速瞬态事件，两侧也能在规格范围内运行。低 CMTI 会导致失真、信息缺失、抖动和其他信号完整性问题。CMTI为100 V/ns或更高表示高性能隔离器。

除电气规格外，隔离器还必须满足与电气间隙和爬电距离相关的机械要求。间隙是相邻导体之间通过空气的距离，而爬电距离是它们之间穿过封装表面的距离。

各种封装样式和尺寸提供不同级别的爬电距离和电气间隙性能。模塑料的选择和使用具有所需介电强度的绝缘体材料也是决定隔离额定值的因素。常用材料的介电强度为：

1.空气≈每微米 1 伏均方根（V有效值/微米）

2.环氧树脂 ≈ 20 V有效值/微米

3.≈ 100 V 的二氧化硅填充模塑料有效值/微米

4.聚酰亚胺聚合物 ≈ 300 V有效值/微米

5.二氧化硅（SiO2） ≈ 500 V有效值/微米

电流隔离技术

光耦合器使用LED通过介电绝缘体将模拟或数字信号传输到光电晶体管。如前所述，它们是单向设备。光耦合器中常用的绝缘材料包括空气、环氧树脂或模塑料。由于这些材料的介电强度相对较低，因此LED和光电晶体管之间需要更大的物理距离才能达到给定的隔离水平。

电容隔离使用 SiO2 绝缘栅。与大多数环氧树脂或模塑料相比，SiO2 具有高介电强度，在暴露于极端温度的水分时更稳定。电容隔离使用各种调制技术，如开关键控或相移键控，以跨越栅传输交流信号。电容隔离可以很紧凑，可以双向传输高速信号，但功率传输能力非常有限，通常为 <100 微瓦（μW）。

磁隔离器可以跨越隔离栅传输信号和电源。其中一些隔离器可以传输数百毫瓦（mW）的功率，并可以取代次级侧偏置电源。磁隔离器可以使用空气芯或铁氧体磁芯。铁氧体磁芯可以处理更大的功率。当功率需求低于约100 mW时，空气核心可以提供成本更低、更简单的解决方案。这三种技术中的每一种都支持信号和电力传输的不同组合（图 2）。

图2：光耦合器（A）只能传输信号，电容隔离器

图2：光耦合器（B）可以传输有限量的功率和信号，磁隔离器

图2：光耦合器 (C) 可以处理更高的功率电平和信号。

电源和信号隔离

需要高达 650 mW 的隔离电源和四个能够实现 100 兆比特每秒（Mbps）传输速率的隔离信号.该通用器件的隔离额定值为 5 kV 均方根（kV有效值）和最小 CMTI ±100 kV/μs。它在信号通道上使用 SiO2 隔离，对片上电源变压器使用薄膜聚合物隔离（图 3）。

图 3：ISOW7841FDWER 在电源变压器中使用聚合物绝缘（顶部），在信号链中使用 SiO2 隔离电容器（底部）

隔离式汽车直流/直流

需要 500 mW 和 5 kV 的汽车系统有效值隔离可以使用德州仪器的AEC-Q100认证UCC12051QDVERQ1。

其最小 CMTI 为 100 V/ns，浪涌能力为 10 kV峰，工作电压为 1.2 kV有效值.它对内部振荡器使用扩频调制，并优化内部布局以最大限度地减少辐射发射。它包括欠压锁定、热关断、使能引脚、同步功能，并提供 5.0 或 3.3 V 直流（VDC）输出。

UCC12050EVM-022 评估板使设计人员能够测试使能/禁用功能、同步至外部时钟源、检测外部时钟故障以及选择输出电压。它具有用于纹波和瞬态响应测量的测试点。该板可以作为支持额定隔离并提供良好电磁干扰（EMI）性能的布局示例来简化系统集成（图 4）。

图 4：除了加快 UCC12051QDVERQ1 隔离式 DC/DC 转换器 IC 的评估外，UCC12050EVM-022 评估板还提供了系统集成的建议布局。

具有电容隔离的CAN收发器

对于需要具有 1 Mbps 信号和 50 kV/μs CMTI 的控制器局域网（CAN）收发器的应用，德州仪器（TI）提供隔离额定值为 5 kV 的 ISO1050DWR有效值，以及额定电压为 2.5 kV 的 ISO1050DUB有效值.这些收发器符合 ISO 11898-2 的高速 CAN 操作规范（图 5）。

它们的额定工作温度范围为 -55 至 105 摄氏度（°C），包括 -27 至 40 V 的过压、交叉导线和接地保护丢失、过热关断和 -12 至 +12 V 共模范围。

图 5：隔离式 ISO1050DWR 和 ISO1050DUB 收发器符合高速 CAN 操作的 ISO 11898-2 标准。

ISO1050EVM 评估模块具有输入和输出连接以及用于关键性能测量的测试点，可以加快这些器件与汽车系统的集成。

隔离式RS-485/RS-422收发器

需要 500 kbps （kbps） RS-485/RS-422 收发器的系统有效值隔离可以选择德州仪器的半双工ISO1410BDWR或全双工ISO1412BDWR（图6）。SiO2隔离栅支持在存在较大接地电位差的情况下进行可靠的数据传输。

这些收发器的额定工作温度范围为 -40 至 125 °C。总线引脚设计用于承受高水平的静电放电（ESD）和电气快速瞬变（EFT）事件，无需额外的保护组件。

图 6：全双工 ISO1412BDWR（顶部）和半双工 ISO1410BDWR（底部）支持 500 kbps 数据速率，具有 5 kV有效值隔离（垂直虚线）。

设计人员可以使用 ISO1410DWEVM 和 ISO1412DWEVM 评估板来评估各种系统参数。可以应用测试信号和序列，并评估传播延迟、功耗以及不同的总线和驱动器条件等性能特征。

结论

高压工业 4.0、汽车、医疗、绿色能源和其他系统的设计人员需要电气隔离来保护设备和用户，同时满足尺寸、成本和可靠性要求以及相关的安全标准。如图所示，电源和信号线中的电容和磁电流隔离可以产生紧凑的高性能解决方案。这些隔离技术具有高CMTI，符合IEC 60747-17对加强隔离的要求。

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