理解隔离器(光耦)标准和认证以满足安全性要求

39度创意研究所 2018-02-14 22:49 次阅读

电子产品使用各种各样的元器件,其中一些器件对于保护使用者来说至关重要。隔离器常用来保护/隔离使用着免受危险电压的伤害,但如何为安全保护选择正确的隔离器常使人感到困惑。隔离电压、工作电压、标准、认证证书还是……究竟什么最重要?本文就在危险电压电路需要与产品用户隔离的场合中,如何选择隔离器答疑解惑。

±3.3V、5V和12V等非危险直流电压电路一般是用户可触摸的,必须与高于 30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc(30V有效值/42.4V峰值/60V直流)的危险电压隔离开来,防止用户受到危险电压的伤害!安全隔离是指不可触摸的危险电路(高于30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)与用户可触摸的电路(不高于30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)之间的隔离。安全隔离有多个等级:基本型、双层型和增强型。危险电压和用户可接触电路之间要求增强型绝缘。

隔离器件是可以提供安全隔离(绝缘)的集成电路半导体器件(IC)。它们的功能是使信号通过各种介质(包括光、磁(电感)和电容(电荷))完成从初级耦合到次级电路的传输。隔离器件被认为是安全关键性器件,需要加以专门考虑,确保它们满足相关的安全性标准,能够在产品中安全地使用。

本文的目的是突出危险电压应用中使用的隔离器的标准、绝缘、测试和等级。隔离器在这些应用中用作安全隔离器件。本文覆盖的重要的隔离器参数包括:

器件标准(IEC 60747-5-5, VDE 0884-101, UL 1577)

增强型绝缘(测试与间距)

工作电压,VIORM (供电电压);例如,150-600Vac (210-840Vpeak)

隔离电压,VIOTM (测试电压); 例如, 2500-5000Vac

VDE和UL证书(国际和北美)

IEC 60747-17 (VDE 0884-11),未来将替代数字隔离器标准VDE 0884-10

隔离器技术

目前在用的有三种隔离器技术:

光——在透明的非导电绝缘层中用(LED)光进行信号传输。优点是高电气隔离度。使用的是有机硅聚合物绝缘材料。

磁——使用变压器线圈设计的感应性耦合传输,可提供高频信号的高度隔离。使用的是聚酰亚胺或二氧化硅绝缘材料。

电容——通过电容的方法使用变化的磁场传输能量。具有高速度和相对小封装的特性。使用的是二氧化硅绝缘材料。

光学隔离器,也称光耦,采用不透明的有机硅聚合物作为内部绝缘材料。光耦具有较大的尺寸,在使用薄膜阻隔层时可以提供很高的隔离度。更新一代的数字隔离器——磁和电容隔离器在性能、尺寸和功效方面具有很大的优势。数字隔离器使用聚酰亚胺/二氧化硅作为绝缘材料。光学隔离器基本上依靠厚度实现内部间隔,而数字隔离器的绝缘层不到千分之一英寸,依赖的是安全性测试(图1)。

光学隔离器与数字隔离器的比较

图1 光学隔离器与数字隔离器的比较。

产品与器件标准

理解产品与器件标准之间的区别很重要,这些产品和器件安全标准具有不同的范围、测试和要求。

产品就是随时会用到的设备。针对产品(设备)的安全标准例子有:针对信息技术设备的IEC 60950-1,针对测量设备的IEC 61010-1,针对医疗设备的IEC 60601-1。产品需要承受一分钟的隔离测试电压,这也被称为电介质耐受度、高电位或高压测试。隔离器不能连续工作在隔离(测试)电压下。产品标准也允许局部放电,但这种局部放电可能会因为绝缘介质中存在的小气泡或杂质而降低绝缘层性能。产品标准不包含对隔离器件绝缘层施加完全应力的测试。

注:产品标准在隔离性能方面主要关心的是电介质耐受测试电压。这是一种时长一分钟的短暂测试,测试电压一般是2500-5000Vac。产品不能连续工作在测试电压下。不要认为额定隔离电压2500Vac的隔离器可以工作在2500Vac这个电压。

器件是装配进(内置于)产品中的电气/电子元件。相关的隔离器件安全标准有:针对光学隔离器的IEC 60747-5-5、针对数字隔离器的VDE 0884-10和针对光学/数字隔离器的UL 1577。与产品标准相比,器件标准具有不同的通常严格得多的安全要求和测试。隔离器件标准要求做局部放电测试,用于检查隔离器的内部绝缘层是否会被击穿。局部放电是一种IEC/VDE隔离器件测试,可以用来检测随着时间的推移可能会出现的微小缺陷。与隔离测试电压相比,局部放电测试是一种更好的隔离器内部绝缘介质测试方法。

注:工作电压VIORM在IEC 60747-5-5 (光学)和VDE 0884-10 (数字)标准中有规定。工作电压是在正常工作时可以连续施加到隔离器上的电压。额定工作电压平均值在150-500Vac之间。隔离器的工作电压必须与产品工作时的供电电压一样高。

在标准可以实施之前,器件和产品必须在安全标准的范围之内。如表1所示,隔离器是不在产品标准范围之内的器件。因此产品标准不适用于隔离器。

器件和产品标准的范围

器件和产品标准的范围

表1 器件和产品标准的范围

与标准有关的另外一个问题是,器件标准在欧洲/国际(IEC/VDE)和北美(UL)之间是不等效的,这意味着隔离器需要同时满足IEC/VDE和UL器件标准。

警告:在安全评估和测试时一定要使用正确的隔离器件标准。隔离器也需要同时满足IEC/VDE和UL器件标准,国际标准有IEC、VDE和CE,北美标准是UL。隔离器件安全标准有:IEC 60747-5-5, VDE 0884-10, UL 1577。

间距-电气间隙,爬电距离,基本型,增强型

除了测试外,为了保护用户,安全标准要求将特殊电路分隔开来。这就形成了危险电压和非危险的可触摸电路之间的间隔距离。基本型、双层型和增强型是安全隔离等级。基本型就一层,双层型是两层。增强型是单个绝缘系统,等效于双层型。即使在绝缘层中出现了单个错误或故障,产品和器件也必须保持安全。一般认为在一个绝缘层中可能发生单一故障。当第一层(基层)发生单一故障时,要求增强型绝缘来保护用户。换句话说,如果故障发生在基本隔离层中,第二个隔离层仍要能保护用户。基本型隔离不足以保护产品用户。增强型绝缘可以解决这种单一故障问题。

注:安全标准要求采取增强型绝缘措施来保护产品用户,防止他们受到危险电压(>30Vrms/42.4Vpeak/60Vdc)的伤害。

电气间隙和爬电距离

图2 电气间隙和爬电距离。
 

在电气间隙和爬电距离标准中,外部间距是从输入到输出的测量结果(图2)。电气间隙是两个电路之间经过空气的最短距离。爬电距离是电路表面上的最短距离。隔离器的外部输入至输出(AC至DC)电路间距需要满足产品标准的距离,依据是产品的供电电压。IEC 60950-1是描述间距要求的主要标准。举例来说,一个250Vac产品中使用的隔离器具有4.0/3.0mm电气间隙距离和6.0mm的爬电距离(表2)。

电气间隙、爬电距离和测试电压

表2 电气间隙、爬电距离和测试电压

内部间距是经过绝缘介质的距离,对光学隔离器来说一般是100-400 μm厚。另一方面,数字隔离器的内部间距是通过测试验证的,不是厚度,因为它的绝缘层厚度非常薄,一般只有7-32μm (图1)。

VDE/UL证书或制造商规范通常提供隔离器的外部间距值。出于验证的目的,也可以简单地测量隔离器样品上的间距。有关间距的更多信息,请参考相关的产品安全标准。

规范和证书

在为一个产品设计选择隔离器之前知道要看什么很重要。隔离器规范可能会令人困惑,因为它可能不提供全部的信息。当规范应该强调隔离工作电压(如150- 600 Vac)和器件标准(IEC 60747-5-5)时,有时却只提供隔离测试电压(如2-500--5-000 Vac)和产品标准(IEC 60950-1等)。另外一个问题是,规范可能根据产品标准说是增强型的,而实际上根据器件标准隔离器只是基本型的。记住,产品标准和基本型隔离不足以保证安全。

一定要确认隔离器拥有VDE和UL证书。你可以在VDE和UL证书目录中检查隔离器是否有必要的证书。然而,一些安全等级在目录中可能见不到。确保隔离器满足安全规则的最好途径是从隔离器制造商那边获得一份VDE和UL证书复印件。如果证书没有显示你需要的信息,你还可以申请VDE/UL报告。

警告:重点关注隔离器的安全等级和证书。注意规范是否突出了产品标准或隔离电压。规范应该清晰地表明器件标准、工作电压和增强型绝缘。获取VDE和UL证书作为符合安全性的凭证。

本文小结

在选择隔离器并用于产品设计之前,验证用于评估和认证隔离器的标准、测试和等级很重要。满足所有隔离器件安全规则有助于确保最终产品满足国际和北美安全要求(IEC, VDE, UL, CE等)。产品标准,比如IEC 60950-1或类似的,不足以满足隔离器件的安全要求。确保适用的器件标准IEC 60747-5-5、VDE 0884-10和UL 1577已被用于保护产品用户,避免代价高昂的产品重新设计。  

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