設計人員不會因為想要而為其系統(tǒng)添加電流隔離，而是因為他們需要滿足國內(nèi)或國際安全法規(guī)。缺點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。增加隔離還會增加功耗、尺寸和成本。這些都是不幸的權(quán)衡。多年來，設計人員一直使用光耦合器，并勉強管理權(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。它們可實現(xiàn)更小、更節(jié)能、更具成本效益的設計，能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的性能。然而，安全標準沒有跟上步伐，這給數(shù)字隔離器能否實現(xiàn)設計人員使用電流隔離的一個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內(nèi)和國際標準相同的安全性。然而，與大多數(shù)供應商具有類似結(jié)構(gòu)的光耦合器不同，數(shù)字隔離器的設計和制造方式不同，這會影響隔離能力，特別是與光耦合器的堅固隔離能力相比。因此，并非所有數(shù)字隔離器技術(shù)和實現(xiàn)都能提供相同的安全水平。

考慮四個關(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

每個元素都有不同的選項，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準以及它們與不同類型的隔離器的關(guān)系。

了解隔離要求：標準的復雜性

系統(tǒng)級標準解決了環(huán)境條件和系統(tǒng)使用之間的差異。例如，對家用電器的要求不同于醫(yī)院中使用的病人監(jiān)護儀或工廠的電機驅(qū)動器。他們通常通過提出特定于電流隔離器的組件級標準來解決隔離安全問題。有三個值得注意的標準：

IEC 60747：半導體器件—第1部分：概述

UL 1577：光隔離器標準

VDE 0884-10：半導體器件—用于安全隔離的磁性和電容耦合器

雖然每個都有相似的目標——確保用戶、操作員和設備安全——但它們采用不同的方法。IEC 60747 包括隔離等級（例如，基本絕緣與加強絕緣）之間的區(qū)別，而 UL 1577 強調(diào)隔離器在規(guī)定的時間段（通常為一分鐘）內(nèi)承受特定電壓水平的能力。系統(tǒng)設計人員通常依賴于這些組件級標準中不止一個的認證，以涵蓋所有可能的用途和條件。

數(shù)字隔離器的興起使問題變得復雜，因為其中許多標準都是在設計人員受困于光耦合器的時候編寫的。這些標準解決了與光耦合器相關(guān)的弱點，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。考慮認證工作電壓的情況，即跨越隔離柵的連續(xù)施加電壓。預期具有認證工作電壓的隔離器應在其使用壽命內(nèi)承受該電壓。

IEC 60747要求進行生產(chǎn)局部放電測試，以驗證光耦合器的工作電壓。標準機構(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。這些空隙在應力下會經(jīng)歷更高的電場，并導致局部放電引起的退化。在高壓下使用局部放電測試可檢測空隙的存在，并可用于剔除否則會在現(xiàn)場失效的部件。

這種局部放電方法并不完全適用于數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離器確實使用類似的封裝材料，必須使用局部放電測試缺陷，但絕緣材料還有其他老化機制。用于隔離元件的主要隔離材料通過控制良好的晶圓級工藝沉積，不易產(chǎn)生空隙，從而不易局部放電;然而，其他衰老機制開始占主導地位。當數(shù)字隔離器聲稱具有基于IEC 60747的某個工作電壓（通常表示為VIORM）時，這可能會產(chǎn)生誤導，因為它僅反映了在給定電壓下通過局部放電測試的能力。

由于局部放電是對數(shù)字隔離器工作電壓的不完整測試，因此需要進行額外的測試和表征。IEC未來的標準將解決這個問題，并納入這些新方法。在此期間，數(shù)字隔離器供應商有責任展示他們?nèi)绾伪ＷC在額定工作電壓下終身工作。

測量i耦合器數(shù)字隔離器的高壓壽命

ADI公司通過局部放電以外的測試來保證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體工藝集成。下面的橫截面顯示了由厚聚酰亞胺層隔開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十年。?

為了測量這些芯片級隔離變壓器的工作電壓壽命，我們采用了高壓耐久性（HVE）設置。HVE 是通過加速電壓水平的失效時間實驗完成的，通常遠高于規(guī)定的工作電壓。

電荷注入是導致器件隔離擊穿的主要 HVE 故障機制。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，從而導致更多的空間電荷捕獲。這種正反饋最終會導致絕緣擊穿。

通過熱力學分析1，壽命 L 可以表示為

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

已觀察到來自i耦合器器件的HVE數(shù)據(jù)遵循

其中 L 是 10 ppm 時的失效時間，V 是施加的連續(xù)高壓。

下圖顯示了一個簡化的示例，其中使用來自高壓應力樣本的四個數(shù)據(jù)點來擬合模型并推斷回典型工作電壓。

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

我耦合器 HVE 壽命取決于施加的電壓是交流還是直流。在直流應力下，靜態(tài)場抑制能量的陷阱/復合釋放。因此，直流壽命比交流壽命長得多。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。400 V rms波形實際上是正560 V和負560 V之間的正弦切換，因此跨越勢壘的完整峰峰值應力實際上是1120 V。我們已經(jīng)確認，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，與中心位置無關(guān)。在安全至關(guān)重要的情況下，數(shù)據(jù)手冊應保守，以確保沒有潛在危險，這就是為什么i耦合器數(shù)字隔離器的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了絕對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雜的安全標準難題變得更加混亂，因為并非所有標準都涉及數(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行電氣隔離。在某些工作電壓條件下，基于局部放電的認證不足以保證數(shù)十年使用中的可靠安全運行，就像光耦合器一樣。為了解決這一缺陷，正在制定新的標準，但在此之前，數(shù)字隔離器供應商必須用可靠的數(shù)據(jù)來補充這些標準，以支持數(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，并且通過加速壽命測試可以保證在額定工作電壓下超過50年的安全運行。

審核編輯：郭婷