介紹
電流隔離在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中很常見(jiàn)，作為防止高電壓或抵消接地電位差的一種手段。設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)上使用光耦合器進(jìn)行隔離，但在過(guò)去幾年中，使用電容和磁隔離的數(shù)字隔離器變得越來(lái)越流行。對(duì)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(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)都很重要。
在使用隔離器的系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，管理光耦合器（如IEC60747-5-5）或電容和磁隔離器（如VDE0884-11）的元件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(nèi)。
隔離器故障模式確定安全限值
要了解安全限值指定的內(nèi)容，請(qǐng)考慮隔離器的設(shè)計(jì)方式。圖1和圖2分別說(shuō)明了光耦合器和電容式數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。對(duì)于光耦合器，硅膠材料和絕緣膠帶在兩個(gè)信號(hào)側(cè)之間提供絕緣，而LED和光電探測(cè)器提供信號(hào)傳輸。在數(shù)字隔離器中，兩個(gè)獨(dú)立硅芯片上兩個(gè)高壓電容器的串聯(lián)提供絕緣，而耦合到高壓電容器的電發(fā)射和接收電路提供信號(hào)傳輸。

圖1：橫截面顯示了光耦合器的構(gòu)造方式以及故障條件的可能影響。

圖2：數(shù)字隔離器橫截面顯示了故障條件如何影響其絕緣性能。

隔離器一側(cè)的高電壓/大電流/大功率故障事件可能會(huì)損壞該側(cè)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(huì)迫使意外的高電壓和電流進(jìn)入隔離器的引腳，從而損壞LED、光電探測(cè)器、發(fā)射和接收電路以及片上ESD保護(hù)。如果芯片中有足夠的功率耗散，電路也可能出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損壞會(huì)降低隔離器的絕緣能力。

從終端系統(tǒng)的角度來(lái)看，即使在電氣和熱應(yīng)力事件阻礙了隔離器的信號(hào)傳輸操作之后，隔離要求也可能需要保持有效。這是因?yàn)楦綦x柵損壞可能導(dǎo)致二次系統(tǒng)故障或電氣危險(xiǎn)。例如，在圖3中，數(shù)字隔離器保護(hù)接地的控制和通信模塊，而系統(tǒng)的其余部分則浮動(dòng)。必須考慮數(shù)字隔離器內(nèi)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：如果故障導(dǎo)致接地短路，在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中提供保護(hù)隔離的數(shù)字隔離器發(fā)生故障可能會(huì)危及整個(gè)系統(tǒng)。

安全限制的做法旨在最大限度地減少隔離器輸入或輸出電路發(fā)生故障時(shí)對(duì)隔離柵的潛在損壞。隔離器元件標(biāo)準(zhǔn)將安全限值定義為器件在發(fā)生故障時(shí)可以承受的最大輸入或輸出電流（IS）、最大輸入或輸出功率（PS）和最大結(jié)溫（TS），而不會(huì)影響其隔離，即使耦合元件的功能可能被破壞。設(shè)備制造商必須指定這些參數(shù)，但您仍然需要確保在發(fā)生故障或故障時(shí)不超過(guò)這些值，以免絕緣擊穿。

作為制造商提供的安全限值示例，圖4顯示了ISO7741數(shù)字隔離器不同電源電壓和PS下與環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系。指定這些值是為了不超過(guò)器件的最大安全結(jié)溫（TS=150°C）。例如，基于這些曲線，在100°C的環(huán)境溫度下，高達(dá)600mW的功率可能會(huì)在器件內(nèi)部耗散，而不會(huì)對(duì)絕緣造成任何潛在損壞。

圖4：TI的ISO7741數(shù)字隔離器的安全限值顯示了故障在不影響器件隔離特性的情況下可能造成的功耗。

電路利用安全限制參數(shù)

制造商采用的材料和電路設(shè)計(jì)參數(shù)控制著設(shè)備的安全限值。安全標(biāo)準(zhǔn)要求光耦合器/數(shù)字隔離器用戶在其電路設(shè)計(jì)中提供足夠的安全安排，并確保器件的應(yīng)用條件不超過(guò)器件的安全限值。這種安全安排可能包括在故障條件下啟動(dòng)的電流和電壓限制，或防止工作溫度超過(guò)最大值的熱管理。

讓我們看一下兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離器安全限制的示例電路。雖然這些示例并不詳盡，無(wú)法識(shí)別所有可能的故障和結(jié)果，但它們闡明了安全限制的原則，并應(yīng)提供如何在隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)安全限制的感覺(jué)。

對(duì)于第一個(gè)示例，圖5顯示了一個(gè)數(shù)字隔離器，用作模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的任何一個(gè)主要故障，包括此單個(gè)故障產(chǎn)生的任何次要故障。（可能需要額外的電路來(lái)防止多個(gè)主要故障。本分析將側(cè)重于MCU側(cè)的安全限制，盡管您也可以將相同的原理應(yīng)用于ADC/AFE側(cè)。

在本例中，24V工業(yè)電源（可變電壓高達(dá)36V）為MCU側(cè)（VIN24V）供電。DC/DC轉(zhuǎn)換器將其降壓至5V（VDC5V），然后是低壓差穩(wěn)壓器（LDO），為MCU和數(shù)字隔離器創(chuàng)建3.3V電源（VDC3P3V）。限流電阻RSUP包含在電源路徑中電阻ROUT和RIN包含在輸入/輸出（I/O）路徑中。

圖5：在本例中，數(shù)字隔離器用作接口，在ADC或AFE和MCU之間提供隔離。

讓我們來(lái)看看一些故障及其對(duì)安全限制的影響。

主要故障#1：

從VCC1到GND1的隔離器內(nèi)部短路。短路提供從VCC1到GND1的電阻RFAULT。使用最大功率傳輸定理，當(dāng)RFAULT=RSUP時(shí)，隔離器內(nèi)的最大功率耗散發(fā)生。最大功耗等于（VDC3P3V）2/（4×RSUP）。對(duì)于非常低的RFAULT值，通過(guò)RSUP和VCC1的電流等于3.6V/RSUP。RSUP必須設(shè)計(jì)為耗散此功率。然而，隔離器本身的功耗非常低（因?yàn)镽FAULT~0Ω）。

示例：如果RSUP=RFAULT=20Ω，則隔離器中的最大功耗為（3.6V）2/（4×20Ω）=0.162W。根據(jù)其規(guī)格表，這完全在ISO7741的安全限制功率范圍內(nèi)。對(duì)于RFAULT~0Ω的情況，20ΩRSUP必須為0.65W電阻，以考慮其耗散所需的功率。較高的RSUP值總是有益的，因?yàn)樗档土斯收蠗l件下的功耗。

但是，您還必須考慮正常運(yùn)行時(shí)RSUP兩端的壓降。具有寬電源范圍的隔離器（例如支持低至2.25V工作的ISO7741）或超低功耗隔離器（如ISO7041，在1Mbps時(shí)每通道僅消耗100μA）是可以支持更高RSUP值的選項(xiàng)。

主要故障#2

24V至5VDC/DC轉(zhuǎn)換器中的輸入至輸出短路。在這種情況下，24V系統(tǒng)電源（可變至36V）出現(xiàn)在LDO輸入上。為防止故障進(jìn)一步傳播，必須將LDO設(shè)計(jì)為在其輸入端處理36V電壓。隔離器可能無(wú)法承受此電壓。

主要故障#3：

LDO中的輸入至輸出短路。在這種情況下，LDO的5V輸入發(fā)生在其輸出端。為防止故障進(jìn)一步傳播，數(shù)字隔離器必須能夠在其電源上處理5V電壓（ISO7741滿足此要求）。您還必須考慮對(duì)MCU的任何損壞（如果MCU無(wú)法在其電源上支持5V）。在最壞的情況下，MCUI/O引腳會(huì)損壞，并提供低阻抗電源或接地。

主要故障#4：

MCU輸入和輸出引腳上的接地或電源短路。在這種情況下，進(jìn)入隔離器引腳的電流可能高于正常工作時(shí)的電流。電阻ROUT和RIN有助于將該電流保持在安全限值內(nèi)。例如，ROUT=RIN=100Ω在5V條件下，將通過(guò)隔離器I/O引腳的電流限制在50mA，遠(yuǎn)低于ISO7741的安全限制電流。

對(duì)于第二個(gè)示例，使用ISO1211的隔離數(shù)字輸入，如圖6所示。

圖6：在本例中，隔離式數(shù)字輸入電路使用TIISO1211。

隔離的數(shù)字輸入接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)，并將其連接到主機(jī)可編程邏輯控制器。電壓輸入標(biāo)稱值為24V，但變化可能高達(dá)36V。ISO1211使用一個(gè)外部RSENSE電阻器來(lái)精確限制吸入SENSE端子的電流。外部電阻RTHR可以調(diào)節(jié)數(shù)字輸入的電壓門限。對(duì)于11V輸入閾值和2mA電流限值，RSENSE和RTHR的值分別為562Ω和1kΩ（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)ISO1211數(shù)據(jù)手冊(cè)）。

主要故障#1：

ISO1211內(nèi)部短路導(dǎo)致SENSE和FGND引腳之間的低阻抗RFAULT。和以前一樣，ISO1211內(nèi)部最差情況下的功耗為（36V）2/（4×RTHR）。當(dāng)RTHR=1kΩ時(shí)，最差情況功率為0.324W，在ISO1211的安全限制功率范圍內(nèi)。

主要故障#2：

外部電阻RTHR短路。ISO1211的內(nèi)置電流限制將引腳的電流消耗限制為RSENSE設(shè)置的值。電阻RTHR在確定輸入電流方面沒(méi)有重要作用，因此短路RTHR不會(huì)對(duì)進(jìn)入ISO1211的電流或功耗產(chǎn)生太大影響。

主要故障#3：

輸入電壓上升到60V。安全數(shù)字輸入系統(tǒng)必須考慮在故障條件下上升至60V的24V工業(yè)電源。ISO1211的輸入引腳可承受60V電壓，同時(shí)保持3.1mA的電流限值（RSENSE=562Ω）。最大功耗為60V×3.1mA=186mW，完全在ISO1211的安全限制功率范圍內(nèi)。

這兩個(gè)示例演示了如何在安全限制值的上下文中分析和緩解不同的故障。但是，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和安全目標(biāo)，您可能需要采取其他措施。

結(jié)論

使用隔離器時(shí)，了解其安全限值并在設(shè)計(jì)中做出滿足這些值的規(guī)定非常重要。未能設(shè)計(jì)安全限制可能會(huì)導(dǎo)致故障，從而造成廣泛的系統(tǒng)損壞，如果隔離器的屏障失效，則可能出現(xiàn)火災(zāi)和電氣危險(xiǎn)。示例電路演示了確保在故障條件下保持安全限值的方法。

審核編輯黃昊宇