了解并应用数字隔离器的安全限值

介绍
电流隔离在工业和汽车系统中很常见，作为防止高电压或抵消接地电位差的一种手段。设计人员传统上使用光耦合器进行隔离，但在过去几年中，使用电容和磁隔离的数字隔离器变得越来越流行。对于任何此类隔离器，了解其安全限值的重要性以及如何利用它们对于系统设计都很重要。
在使用隔离器的系统中，确保其绝缘即使在故障条件下也能保持完整可能很重要。为了实现这一目标，管理光耦合器（如IEC60747-5-5）或电容和磁隔离器（如VDE0884-11）的元件标准规定了安全限值。这些值指定隔离器的工作条件边界，即使功能不是，绝缘也保留在该边界内。
隔离器故障模式确定安全限值
要了解安全限值指定的内容，请考虑隔离器的设计方式。图1和图2分别说明了光耦合器和电容式数字隔离器的结构。对于光耦合器，硅胶材料和绝缘胶带在两个信号侧之间提供绝缘，而LED和光电探测器提供信号传输。在数字隔离器中，两个独立硅芯片上两个高压电容器的串联提供绝缘，而耦合到高压电容器的电发射和接收电路提供信号传输。

图1：横截面显示了光耦合器的构造方式以及故障条件的可能影响。

图2：数字隔离器横截面显示了故障条件如何影响其绝缘性能。

隔离器一侧的高电压/大电流/大功率故障事件可能会损坏该侧的电路。例如，短路、静电放电（ESD）和功率晶体管击穿等事件可能会迫使意外的高电压和电流进入隔离器的引脚，从而损坏LED、光电探测器、发射和接收电路以及片上ESD保护。如果芯片中有足够的功率耗散，电路也可能出现严重的结构损坏，例如熔融硅胶绝缘、高压电容器板短路或熔化的键合线。这种结构损坏会降低隔离器的绝缘能力。

从终端系统的角度来看，即使在电气和热应力事件阻碍了隔离器的信号传输操作之后，隔离要求也可能需要保持有效。这是因为隔离栅损坏可能导致二次系统故障或电气危险。例如，在图3中，数字隔离器保护接地的控制和通信模块，而系统的其余部分则浮动。必须考虑数字隔离器内部和周围可能降低隔离器绝缘能力的任何故障的影响，以避免直流接地短路的影响。

图3：如果故障导致接地短路，在交流电机驱动器中提供保护隔离的数字隔离器发生故障可能会危及整个系统。

安全限制的做法旨在最大限度地减少隔离器输入或输出电路发生故障时对隔离栅的潜在损坏。隔离器元件标准将安全限值定义为器件在发生故障时可以承受的最大输入或输出电流（IS）、最大输入或输出功率（PS）和最大结温（TS），而不会影响其隔离，即使耦合元件的功能可能被破坏。设备制造商必须指定这些参数，但您仍然需要确保在发生故障或故障时不超过这些值，以免绝缘击穿。

作为制造商提供的安全限值示例，图4显示了ISO7741数字隔离器不同电源电压和PS下与环境温度的函数关系。指定这些值是为了不超过器件的最大安全结温（TS=150°C）。例如，基于这些曲线，在100°C的环境温度下，高达600mW的功率可能会在器件内部耗散，而不会对绝缘造成任何潜在损坏。

图4：TI的ISO7741数字隔离器的安全限值显示了故障在不影响器件隔离特性的情况下可能造成的功耗。

电路利用安全限制参数

制造商采用的材料和电路设计参数控制着设备的安全限值。安全标准要求光耦合器/数字隔离器用户在其电路设计中提供足够的安全安排，并确保器件的应用条件不超过器件的安全限值。这种安全安排可能包括在故障条件下启动的电流和电压限制，或防止工作温度超过最大值的热管理。

让我们看一下两个用于实现数字隔离器安全限制的示例电路。虽然这些示例并不详尽，无法识别所有可能的故障和结果，但它们阐明了安全限制的原则，并应提供如何在隔离系统设计中实现安全限制的感觉。

对于第一个示例，图5显示了一个数字隔离器，用作模数转换器（ADC）或模拟前端（AFE）与微控制器（MCU）之间的接口。我将分析此系统的任何一个主要故障，包括此单个故障产生的任何次要故障。（可能需要额外的电路来防止多个主要故障。本分析将侧重于MCU侧的安全限制，尽管您也可以将相同的原理应用于ADC/AFE侧。

在本例中，24V工业电源（可变电压高达36V）为MCU侧（VIN24V）供电。DC/DC转换器将其降压至5V（VDC5V），然后是低压差稳压器（LDO），为MCU和数字隔离器创建3.3V电源（VDC3P3V）。限流电阻RSUP包含在电源路径中电阻ROUT和RIN包含在输入/输出（I/O）路径中。

图5：在本例中，数字隔离器用作接口，在ADC或AFE和MCU之间提供隔离。

让我们来看看一些故障及其对安全限制的影响。

主要故障#1：

从VCC1到GND1的隔离器内部短路。短路提供从VCC1到GND1的电阻RFAULT。使用最大功率传输定理，当RFAULT=RSUP时，隔离器内的最大功率耗散发生。最大功耗等于（VDC3P3V）2/（4×RSUP）。对于非常低的RFAULT值，通过RSUP和VCC1的电流等于3.6V/RSUP。RSUP必须设计为耗散此功率。然而，隔离器本身的功耗非常低（因为RFAULT~0Ω）。

示例：如果RSUP=RFAULT=20Ω，则隔离器中的最大功耗为（3.6V）2/（4×20Ω）=0.162W。根据其规格表，这完全在ISO7741的安全限制功率范围内。对于RFAULT~0Ω的情况，20ΩRSUP必须为0.65W电阻，以考虑其耗散所需的功率。较高的RSUP值总是有益的，因为它降低了故障条件下的功耗。

但是，您还必须考虑正常运行时RSUP两端的压降。具有宽电源范围的隔离器（例如支持低至2.25V工作的ISO7741）或超低功耗隔离器（如ISO7041，在1Mbps时每通道仅消耗100μA）是可以支持更高RSUP值的选项。

主要故障#2

24V至5VDC/DC转换器中的输入至输出短路。在这种情况下，24V系统电源（可变至36V）出现在LDO输入上。为防止故障进一步传播，必须将LDO设计为在其输入端处理36V电压。隔离器可能无法承受此电压。

主要故障#3：

LDO中的输入至输出短路。在这种情况下，LDO的5V输入发生在其输出端。为防止故障进一步传播，数字隔离器必须能够在其电源上处理5V电压（ISO7741满足此要求）。您还必须考虑对MCU的任何损坏（如果MCU无法在其电源上支持5V）。在最坏的情况下，MCUI/O引脚会损坏，并提供低阻抗电源或接地。

主要故障#4：

MCU输入和输出引脚上的接地或电源短路。在这种情况下，进入隔离器引脚的电流可能高于正常工作时的电流。电阻ROUT和RIN有助于将该电流保持在安全限值内。例如，ROUT=RIN=100Ω在5V条件下，将通过隔离器I/O引脚的电流限制在50mA，远低于ISO7741的安全限制电流。

对于第二个示例，使用ISO1211的隔离数字输入，如图6所示。

图6：在本例中，隔离式数字输入电路使用TIISO1211。

隔离的数字输入接收来自现场传感器的信号，并将其连接到主机可编程逻辑控制器。电压输入标称值为24V，但变化可能高达36V。ISO1211使用一个外部RSENSE电阻器来精确限制吸入SENSE端子的电流。外部电阻RTHR可以调节数字输入的电压门限。对于11V输入阈值和2mA电流限值，RSENSE和RTHR的值分别为562Ω和1kΩ（有关详细信息，请参见ISO1211数据手册）。

主要故障#1：

ISO1211内部短路导致SENSE和FGND引脚之间的低阻抗RFAULT。和以前一样，ISO1211内部最差情况下的功耗为（36V）2/（4×RTHR）。当RTHR=1kΩ时，最差情况功率为0.324W，在ISO1211的安全限制功率范围内。

主要故障#2：

外部电阻RTHR短路。ISO1211的内置电流限制将引脚的电流消耗限制为RSENSE设置的值。电阻RTHR在确定输入电流方面没有重要作用，因此短路RTHR不会对进入ISO1211的电流或功耗产生太大影响。

主要故障#3：

输入电压上升到60V。安全数字输入系统必须考虑在故障条件下上升至60V的24V工业电源。ISO1211的输入引脚可承受60V电压，同时保持3.1mA的电流限值（RSENSE=562Ω）。最大功耗为60V×3.1mA=186mW，完全在ISO1211的安全限制功率范围内。

这两个示例演示了如何在安全限制值的上下文中分析和缓解不同的故障。但是，根据实际应用和安全目标，您可能需要采取其他措施。

结论

使用隔离器时，了解其安全限值并在设计中做出满足这些值的规定非常重要。未能设计安全限制可能会导致故障，从而造成广泛的系统损坏，如果隔离器的屏障失效，则可能出现火灾和电气危险。示例电路演示了确保在故障条件下保持安全限值的方法。

审核编辑黄昊宇