了解数字隔离器的安全认证
本应用笔记总结了适用于数字隔离器的国际安全标准和认证。我们的示例展示了如何使用数据手册和标准规格来确定哪种数字隔离器最适合应用。
介绍
数字隔离器提供许多电路正确运行所需的信号隔离和电平转换。它们还可以使用户免受电击。这些隔离器必须经过广泛的测试和认证，以确保用户安全，因为基本的人类安全考虑是相关的。本应用笔记总结了数字隔离器的国际安全标准和认证。使用MAX2244x系列的练习展示了系统设计人员如何使用数据资料和标准规格表来确定适合应用的最佳数字隔离器。
为什么要隔离？
隔离可防止系统的两个部分（通常称为域）之间的传导，同时仍允许它们之间的信号和功率传输。术语“场侧”是指较高电压域，例如24V I/O，而“逻辑侧”是指许多工业应用中的较低电压域，例如3.3V及以下（常见于微控制器和此类IC）。
电气系统需要隔离的原因有几个，可以简化为两个：
高压系统：当安全受到关注时，实施隔离以防止电流浪涌损坏设备，保护人员免受电源电压等的影响
vwin 子系统：隔离用于断开涉及不同接地电位的接地环路，尤其是在精密测量系统中。它还有助于将数字噪声与模拟系统隔离开来。
绝缘等级
表 1 列出了各种绝缘等级并描述了绝缘材料。有四种类型的绝缘系统，表示系统中的保护级别不同。
基本绝缘，即，如果系统只有一层基本保护。
第二层是补充绝缘，如果基础绝缘破裂，在基本绝缘上增加了另一层保护。
基本绝缘和补充绝缘一起称为双重绝缘。
增强绝缘，即，如果单层绝缘可以提供与双重绝缘相同的保护。
表 1.绝缘等级的定义
| 绝缘等级 | 认证说明 |
|---|---|
| 功能的 | 设备正确运行所需的绝缘。没有防电击保护。 |
| 基本 | 提供基本防震保护的绝缘材料。 |
| 补充的 | 对基本绝缘施加独立绝缘，以降低基本绝缘发生故障时的触电风险。 |
| 双 | 绝缘包括基本和补充绝缘等级。 |
| 增强 | 单绝缘系统，提供相当于双重绝缘的电击保护。 |
Maxim的数字隔离器技术
Maxim专有的工艺和基于边缘的电容隔离技术使隔离器能够以最低的功耗实现快速数据传输速率，而直接竞争产品则采用电感技术或开断键控（OOK）调制架构。图1显示了基本隔离器和增强型隔离器的简化框图，图2显示了如何在单个封装中使用多个芯片构建隔离器的键合图和SEM 图。4通道隔离器使用两个芯片，由于差分信号，与八根键合线互连。二氧化硅的厚度决定了基本隔离等级与增强隔离等级。
图1.Maxim的数字隔离器架构。
图2.Maxim的多芯片（封装内部视图）。
国际安全标准基础
设备标准
设备安全标准适用于由多个组件组装而成的终端设备。这些标准涵盖了各种安全问题，包括绝缘、加压气体和电线强度。通常，这些标准规定了特定应用或终端设备类型的不同方面。例如，国际电工委员会 （IEC） 61010-1 定义了测量、控制和实验室使用的电气设备的安全要求。它与设备经历的瞬态电压以及所用绝缘的特性有关。本标准没有专门针对隔离器。在此IEC标准中找不到隔离器或隔离器一词。它与隔离器相关，因为它规定了绝缘的瞬态电压以及最小爬电距离和间隙距离。因此，市售隔离器的绝缘必须符合这些IEC要求。
支持标准
支持标准提供适用于许多其他标准的定义、方法或要求。支持标准有助于协调。一个例子是IEC 60664-1（低压系统中设备的绝缘协调）。该标准也没有特别提及隔离或隔离器这两个词。
组件认证标准
组件认证标准适用于各种应用中使用的特定组件。这些标准定义了所需的测试、样本量和预处理。它们还可以定义数据手册所需的术语和信息。除少数例外情况外，这些标准不设置性能级别。相反，性能要求是根据制造商的规格。一个例子是IEC 60747-17。它是使用磁性和电容耦合器进行基本和增强隔离的半导体器件的新标准。
组件级认证
让我们快速了解一下直接影响数字隔离器制造的规格（图3）。
图3.组件级标准。
UL1577 认证
UL1577规范适用于光隔离器。但是，它也用于鉴定电容和电感隔离器。额定值严格基于电压击穿。它不包括对电气间隙或爬电距离的任何要求。根据本标准认证的设备必须承受隔离电压VISO（由每个制造商指定），通常为2.5kVRMS或5kVRMS，持续一分钟。此外，该规范允许对120%的隔离电压进行一秒钟的生产测试。通过这些要求（加上 150% 的 VISO 过载和热老化测试）的设备将获得单一防护等级认证。双重保护等级要求能够承受 20kV 放电测试（施加 50 次）和额定隔离 RMS 电压或 2.5kVRMS 的 1 秒生产测试，以较大者为准。
新型 VDE 0884-11
VDE 0884-11 于 2020 年取代了 VDE 0884-10。与0884-10相比，两个主要变化是增加了增强隔离额定值和寿命估计（基于隔离栅的最坏情况寿命）。考虑到先前版本的完整内容，所有部分都进行了修订：
更新了有关磁性和电容耦合器定义的部分。
除了加强绝缘外，还引入了基本绝缘。
定义了基本绝缘和增强绝缘的使用寿命。
引入了电压的外推系数来确定寿命。
介绍了基本绝缘和增强绝缘的额定寿命的累积故障率。
与所有其他隔离器制造商一样，Maxim Integrated将其器件送至UL和VDE进行认证。UL是美国监管机构，VDE总部位于德国。所有隔离器数据手册都有一个表格来显示安全监管认证，确保器件的隔离性能经过国际机构的测试和认证。有关Maxim认证文档的详细信息，请参见数据资料（表2所示）和Maxim网站。
表 2.MAX22444–MAX22446安全法规认证
| UL |
| MAX22444–MAX22446通过UL1577认证。有关更多详细信息，请参阅文件 E351759。 |
| 额定电压高达5000V有效值用于单保护的隔离电压。 |
| cUL（相当于 CSA 通知 5A） |
| MAX22444–MAX22446经过认证，单路保护电压高达5000VRMS。有关更多详细信息，请参阅文件 E351759。 |
| 维德 |
| MAX22444–MAX22446通过DIN V VDE V 0884-10 （VDE V 0884-10）： 2006-12认证。有关详细信息，请参阅文件编号 5015017-4880-0002 / 248167 / TL7 / SCT。加强绝缘，最大瞬态隔离电压8000VPK、最大重复峰值隔离电压 2121VPK |
数字隔离安全认证
Maxim数字隔离器经过UL和VDE等公认的监管机构的测试和认证，可满足或超过产品安全和质量要求。以下是Maxim数字隔离器获得的安全认证的概述。单击表中的产品链接以查看证书和产品概述。
安全限值
数字隔离器必须在故障事件期间承受其安全限制规格，而不会影响隔离性能。这必须涵盖任何器件引脚上的最大电流（IS）、最大功率耗散（PS）和最大结温（TS= 150°C）。超出这些规格的操作可能导致隔离栅不再起作用或缩短其使用寿命。隔离栅必须保持完整，以防止下游系统故障或电气危险，这要求工程师采用系统级保护方案来限制隔离器超过系统设计中的安全限值。隔离器数据手册中有一个安全限值部分，其中定义了不会损坏隔离栅或降低其性能的最大电流或功耗限值。在故障事件期间，例如 VDD电源超过其ABS MAX（绝对最大值）额定值，或因短路而向引脚注入巨大电流，可能会损坏器件，必须采用系统级保护（例如电源模块中的保护、限流电阻器）来保护隔离器不超过其安全限值，从而保护隔离栅免受损坏。
数据表规格：绝缘特性
所有Maxim隔离器数据资料都有说明绝缘规格的表格，如MAX22444–MAX22446数据资料中的表3所示。
表 3.MAX22444–MAX22446数据资料 绝缘特性
这规定了封装和封装材料CTI的隔离额定值、工作电压、爬电距离和间隙。这里的所有规格都显示了隔离栅的坚固性以及隔离栅可以承受的电压。
工作电压由两个值定义，最大重复峰值电压（VIORM） 和最大工作电压 （VIOWM），这是在隔离器的整个使用寿命期间，可以每天连续地跨势垒施加的最大电压。
隔离电压也由两个值定义，最大瞬态隔离电压（V物联网），即势垒一秒钟能承受的值，以及最大耐久隔离电压（V.ISO），这是可以跨势垒施加 60 秒的电压。这是数据手册标题中始终包含的电压。
爬电距离是沿绝缘表面测量的两种导电材料之间的最短距离，即两个引脚。
间隙是通过空气测量的两种导电材料之间的最短距离。间隙不一定是视线（图4）。
IEC标准定义了基于V的系统设计中的最小爬电距离和电气间隙.ISO， VIOWM、污染程度、器件过电压类别、材料额定值等。足够的爬电距离可防止整个生命周期内的跟踪故障。
跟踪是由于绝缘表面上或靠近绝缘表面上的放电而在绝缘材料表面上产生局部劣化的部分导电路径的过程。对绝缘材料的跟踪损坏通常是由于以下一个或多个原因而发生的：大气中的湿度、污染的存在、腐蚀性化学物质以及设备操作的高度。漏电起痕程度取决于隔离器封装的比较漏电起痕指数 （CTI） 和环境中的污染程度。
间隙就像爬电距离一样，距离、污染程度、温度和相对湿度会影响击穿的趋势。沿着间隙路径的击穿是一种快速现象，其中损坏可能由非常短的持续时间脉冲（电弧）引起。因此，最大峰值电压（包括瞬变）应决定所需的间隙间距。足够的间隙距离可防止气隙（电弧）的电离和随后的闪络。电弧产生与隔离电压（峰值电压、短持续时间脉冲、瞬态等）和污染程度有关。
图4.半导体封装的爬电距离和电气间隙。
比较漏电起痕指数 （CTI） 量化了绝缘封装材料（相对于电漏电起痕）的好坏程度，以防止在产品生命周期内在污染物存在的情况下在封装上形成导电路径。当在绝缘材料上施加足够高的电压时，可以通过碳化轨道形成泄漏路径。当工作电压和污染程度保持恒定时，较高的CTI材料允许更小的爬电距离和更小的封装。表4显示了根据CTI指数进行的材料分类，表5显示了污染程度分类。
表 5.污染等级分类
| 分类 | 分类说明 | 例子 |
|---|---|---|
| 污染等级 1 | 不会发生污染或干燥、非导电污染。 | 洁净室;内部密封组件 |
| 污染等级 2 | 通常，可能会发生非导电污染。预计偶尔会发生由冷凝引起的暂时性电导率。 | 办事处;实验室 |
| 污染等级 3 | 受到导电污染或干燥的非导电污染，这些污染可能因冷凝而变得导电。 | 工厂车间 |
| 污染等级 4 | 污染是导电的。 | 户外的 |
共模瞬变抗扰度 （CMTI）
CMTI在电气特性表中指定，尽管它不是隔离或安全规范。CMTI量化了容忍两个接地（共模）之间电位差快速变化而不引起误差的能力。其规格单位为kV/μs，通过在隔离栅两侧的接地之间施加瞬态来测量。在电机控制或栅极驱动器应用中需要高CMTI，因为两个隔离接地总是具有不同的电位，并且接地电位总是在变化，例如光伏（PV）逆变器或电机驱动应用。
图5所示为MAX22701E隔离式栅极驱动器不断切换信号并打开和关闭栅极（FET）。与微控制器地相比，栅极驱动器接地电位总是变化。由于开关信号频率，这种变化可能非常快。MAX22700–MAX22702系列产品的CMTI为300kV/μs （典型值）。
图5.CMTI应用示例。
结论
信号隔离在当今的电路中是必需的，不仅是为了功能，而且是为了提供所需的防触电保护。今天，设计师受到可用的国际和区域标准和认证的帮助（或困惑）。UL1577、IEC60747-5、IEC 60747-17 和 VDE0884-11 标准是数字隔离器所需的关键组件级认证。此外，根据最终应用，还需要 IEC60950-1、IEC61010-1 和 IEC60601-1 标准的认证。
审核编辑：郭婷
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