設(shè)計(jì)人員不會(huì)因?yàn)橄胍鵀槠湎到y(tǒng)添加電流隔離，而是因?yàn)樗麄冃枰獫M足國(guó)內(nèi)或國(guó)際安全法規(guī)。缺點(diǎn)是隔離直接放置在數(shù)據(jù)路徑中，從而引入延遲并降低系統(tǒng)性能。增加隔離還會(huì)增加功耗、尺寸和成本。這些都是不幸的權(quán)衡。多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員一直使用光耦合器，并勉強(qiáng)管理權(quán)衡，但新一代電流隔離器（數(shù)字隔離器）已經(jīng)上市并降低了這些損失。它們可實(shí)現(xiàn)更小、更節(jié)能、更具成本效益的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的性能。然而，安全標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有跟上步伐，這給數(shù)字隔離器能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員使用電流隔離的一個(gè)原因造成了混亂和不確定性：它們是否符合安全法規(guī)？

答案是肯定的：數(shù)字隔離器可以提供與國(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相同的安全性。然而，與大多數(shù)供應(yīng)商具有類似結(jié)構(gòu)的光耦合器不同，數(shù)字隔離器的設(shè)計(jì)和制造方式不同，這會(huì)影響隔離能力，特別是與光耦合器的堅(jiān)固隔離能力相比。因此，并非所有數(shù)字隔離器技術(shù)和實(shí)現(xiàn)都能提供相同的安全水平。

考慮四個(gè)關(guān)鍵的隔離器元件：

絕緣材料

隔離元件

數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)包

每個(gè)元素都有不同的選項(xiàng)，由此產(chǎn)生的組合定義了隔離器的功能。我們將專注于絕緣材料，這是安全的關(guān)鍵差異化因素。光耦合器使用多種聚合物材料，包括封裝的環(huán)氧模塑料。數(shù)字隔離器使用類似的聚合物或聚酰亞胺材料，也可以使用二氧化硅。材料和制造工藝導(dǎo)致絕緣壽命和承受高壓浪涌的能力存在差異。讓我們首先考慮安全標(biāo)準(zhǔn)以及它們與不同類型的隔離器的關(guān)系。

了解隔離要求：標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性

系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解決了環(huán)境條件和系統(tǒng)使用之間的差異。例如，對(duì)家用電器的要求不同于醫(yī)院中使用的病人監(jiān)護(hù)儀或工廠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。他們通常通過(guò)提出特定于電流隔離器的組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決隔離安全問(wèn)題。有三個(gè)值得注意的標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 60747：半導(dǎo)體器件—第1部分：概述

UL 1577：光隔離器標(biāo)準(zhǔn)

VDE 0884-10：半導(dǎo)體器件—用于安全隔離的磁性和電容耦合器

雖然每個(gè)都有相似的目標(biāo)——確保用戶、操作員和設(shè)備安全——但它們采用不同的方法。IEC 60747 包括隔離等級(jí)（例如，基本絕緣與加強(qiáng)絕緣）之間的區(qū)別，而 UL 1577 強(qiáng)調(diào)隔離器在規(guī)定的時(shí)間段（通常為一分鐘）內(nèi)承受特定電壓水平的能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常依賴于這些組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中不止一個(gè)的認(rèn)證，以涵蓋所有可能的用途和條件。

數(shù)字隔離器的興起使問(wèn)題變得復(fù)雜，因?yàn)槠渲性S多標(biāo)準(zhǔn)都是在設(shè)計(jì)人員受困于光耦合器的時(shí)候編寫(xiě)的。這些標(biāo)準(zhǔn)解決了與光耦合器相關(guān)的弱點(diǎn)，并提供了保證安全的方法。

這些方法適用于光耦合器;但是，它們可能不適用于數(shù)字隔離器。考慮認(rèn)證工作電壓的情況，即跨越隔離柵的連續(xù)施加電壓。預(yù)期具有認(rèn)證工作電壓的隔離器應(yīng)在其使用壽命內(nèi)承受該電壓。

IEC 60747要求進(jìn)行生產(chǎn)局部放電測(cè)試，以驗(yàn)證光耦合器的工作電壓。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定，局部放電起始電壓和欺騙電壓與光耦合器工作電壓相關(guān)。制造過(guò)程使用注塑成型，容易在塑料材料內(nèi)產(chǎn)生空隙。這些空隙在應(yīng)力下會(huì)經(jīng)歷更高的電場(chǎng)，并導(dǎo)致局部放電引起的退化。在高壓下使用局部放電測(cè)試可檢測(cè)空隙的存在，并可用于剔除否則會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)失效的部件。

這種局部放電方法并不完全適用于數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離器確實(shí)使用類似的封裝材料，必須使用局部放電測(cè)試缺陷，但絕緣材料還有其他老化機(jī)制。用于隔離元件的主要隔離材料通過(guò)控制良好的晶圓級(jí)工藝沉積，不易產(chǎn)生空隙，從而不易局部放電;然而，其他衰老機(jī)制開(kāi)始占主導(dǎo)地位。當(dāng)數(shù)字隔離器聲稱具有基于IEC 60747的某個(gè)工作電壓（通常表示為VIORM）時(shí)，這可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)樗鼉H反映了在給定電壓下通過(guò)局部放電測(cè)試的能力。

由于局部放電是對(duì)數(shù)字隔離器工作電壓的不完整測(cè)試，因此需要進(jìn)行額外的測(cè)試和表征。IEC未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)將解決這個(gè)問(wèn)題，并納入這些新方法。在此期間，數(shù)字隔離器供應(yīng)商有責(zé)任展示他們?nèi)绾伪ＷC在額定工作電壓下終身工作。

測(cè)量i耦合器數(shù)字隔離器的高壓壽命

ADI公司通過(guò)局部放電以外的測(cè)試來(lái)保證i耦合器數(shù)字隔離器的工作電壓。我耦合器數(shù)字隔離器在刨光變壓器線圈之間使用20μm厚的聚酰亞胺絕緣層，這是晶圓制造工藝的一部分（見(jiàn)下圖）。這種制造工藝允許隔離元件以低成本、卓越的質(zhì)量和可靠性與任何代工廠半導(dǎo)體工藝集成。下面的橫截面顯示了由厚聚酰亞胺層隔開(kāi)的頂部和底部線圈的匝數(shù)。聚酰亞胺材料已用于絕緣多年;近十億 i耦合變壓器已經(jīng)制造和使用可靠超過(guò)十年。?

為了測(cè)量這些芯片級(jí)隔離變壓器的工作電壓壽命，我們采用了高壓耐久性（HVE）設(shè)置。HVE 是通過(guò)加速電壓水平的失效時(shí)間實(shí)驗(yàn)完成的，通常遠(yuǎn)高于規(guī)定的工作電壓。

電荷注入是導(dǎo)致器件隔離擊穿的主要 HVE 故障機(jī)制。電荷注入聚酰亞胺絕緣層后，它們可能被困在局部陷阱中，在那里它們釋放能量。如果釋放的能量足夠高，聚酰亞胺內(nèi)的鍵將斷裂，從而產(chǎn)生更多的陷阱位點(diǎn)，從而導(dǎo)致更多的空間電荷捕獲。這種正反饋?zhàn)罱K會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿。

通過(guò)熱力學(xué)分析1，壽命 L 可以表示為

其中 Et是不會(huì)發(fā)生電荷注入的閾值字段，m、n 是縮放常數(shù)。

已觀察到來(lái)自i耦合器器件的HVE數(shù)據(jù)遵循

其中 L 是 10 ppm 時(shí)的失效時(shí)間，V 是施加的連續(xù)高壓。

下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，其中使用來(lái)自高壓應(yīng)力樣本的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)擬合模型并推斷回典型工作電壓。

該數(shù)據(jù)是通過(guò)將樣品置于800 V至2000 V rms的60 Hz共模電位差下來(lái)測(cè)量的。每個(gè)單元的失效時(shí)間記錄在下面的威布爾圖中。對(duì)于預(yù)期工作電壓范圍內(nèi)的較低電壓，故障時(shí)間是外推的。

我耦合器 HVE 壽命取決于施加的電壓是交流還是直流。在直流應(yīng)力下，靜態(tài)場(chǎng)抑制能量的陷阱/復(fù)合釋放。因此，直流壽命比交流壽命長(zhǎng)得多。我耦合器產(chǎn)品始終指定最壞情況下的交流壽命。

工作電壓的均方根規(guī)格也有些誤導(dǎo)。400 V rms波形實(shí)際上是正560 V和負(fù)560 V之間的正弦切換，因此跨越勢(shì)壘的完整峰峰值應(yīng)力實(shí)際上是1120 V。我們已經(jīng)確認(rèn)，額定值為400 V rms的雙極性波形的壽命與1120 V峰峰值波形的壽命相同，與中心位置無(wú)關(guān)。在安全至關(guān)重要的情況下，數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)保守，以確保沒(méi)有潛在危險(xiǎn)，這就是為什么i耦合器數(shù)字隔離器的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了絕對(duì)最差情況下的工作電壓。

結(jié)論

數(shù)字隔離器的引入使本已復(fù)雜的安全標(biāo)準(zhǔn)難題變得更加混亂，因?yàn)椴⒎撬袠?biāo)準(zhǔn)都涉及數(shù)字隔離器的要求，數(shù)字隔離器使用不同的材料和元件進(jìn)行電氣隔離。在某些工作電壓條件下，基于局部放電的認(rèn)證不足以保證數(shù)十年使用中的可靠安全運(yùn)行，就像光耦合器一樣。為了解決這一缺陷，正在制定新的標(biāo)準(zhǔn)，但在此之前，數(shù)字隔離器供應(yīng)商必須用可靠的數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充這些標(biāo)準(zhǔn)，以支持?jǐn)?shù)十年的可靠性聲明。我基于聚酰亞胺絕緣的耦合器數(shù)字隔離器已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，并且通過(guò)加速壽命測(cè)試可以保證在額定工作電壓下超過(guò)50年的安全運(yùn)行。

審核編輯：郭婷