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保護(hù)測試測量設(shè)備的隔離技巧
2015-09-30
為得到更高精密度的數(shù)據(jù)采集能力，對測試和量測設(shè)備設(shè)計人員工程師而言，在高共模電壓影響系統(tǒng)的情況下測量小信號變化是一個挑戰(zhàn)。這些高電壓主要是由兩個接地面之間的電勢差，或是由于雷擊或馬達(dá)/交換設(shè)備的功率浪涌引起的突變瞬間過壓所產(chǎn)生的。這些電壓不僅會影響到測量精度，而且又可能破壞系統(tǒng)本身以及造成使用者的觸電危險。
因此需要隔離器來為兩系統(tǒng)提供物理隔離和電氣隔離以避免受到兩系統(tǒng)或兩個電路之間的突變電壓浪涌的破壞。它們需要提供同時在兩信號引線和公共接地間出現(xiàn)的更高的共模電壓范圍，這對測量串聯(lián)電池組之間電壓的實例相當(dāng)重要。接地環(huán)路是電氣系統(tǒng)中使用公共路徑的兩點(diǎn)間的多余電流，而隔離器對于切斷它們來說是很重要的，并已廣泛應(yīng)用在探測系統(tǒng)的差分電壓測量當(dāng)中。另外，隔離器也可以作為電平轉(zhuǎn)換器來解決系統(tǒng)或電路間不同電壓電平的兼容性。
在測量設(shè)備中使用隔離器不僅能維護(hù)系統(tǒng)的安全性，同時對于使用者的保護(hù)也有很高的重要性，因此被規(guī)定為高電壓儀器設(shè)計中的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前這方面主要有兩個標(biāo)準(zhǔn)，分別為適用于測試和測量儀器的IEC 61010-1，以及適用于信息技術(shù)設(shè)備的IEC60950-1。在該標(biāo)準(zhǔn)中，30Vrms和40.2V峰值或60VDC被定義為危險性電壓。因此在這個使用者容易接觸到的超低電壓電路上就需要隔離器。市場上有許多具備不同絕緣額定值的隔離器產(chǎn)品，通常分為功能型、基本型、雙精度型與加強(qiáng)型等。功能型隔離器并不提供電擊保護(hù)；基本型則僅提供單一基本絕緣等級，使用者不會直接接觸；雙精度型則在基本絕緣上面加額外的輔助絕緣以提供電擊保護(hù)；加強(qiáng)型則是提供和雙精度型相同等級的電擊保護(hù)，并可以確保失效保險模式(failsafe mode)。
失效保險是當(dāng)系統(tǒng)失效或檢測到錯誤情況發(fā)生時，自動停止運(yùn)行并讓零組件維持在安全狀態(tài)的系統(tǒng)終止模式，這樣可以讓使用者可以安全地接觸。除了絕緣類型和工作額定電壓，該標(biāo)準(zhǔn)同時還為不同設(shè)備定義了間隔器的空間需求、爬電距離(creepage distance)和電氣間隙(clearance distance)。其中，爬電距離定義為兩個電氣隔離導(dǎo)體間固體電介質(zhì)上的最短表面路徑，外部電氣間隙則是兩個電氣隔離導(dǎo)體通過空中的最短距離或它們的可視范圍距離。例如峰值工作電壓為300V的系統(tǒng)的爬電距離要求達(dá)到3-4mm。
隔離器還可根據(jù)信號傳輸技術(shù)的不同加以分類，主要有三種類型，分為磁式、電容式和光學(xué)式隔離器。采用磁場耦合的變壓器式隔離器通常效率較高，普遍應(yīng)用于長距離應(yīng)用上，它實質(zhì)上是吸收多余頻率而非提供物理隔離，并容易受到磁場干擾的影響。電容式隔離器則會在氧化物屏障層上傳送數(shù)據(jù)，不過由于器件本身具電容特性，因此容易在高工作頻率下受到高頻噪聲的影響，從而降低抗瞬變能力和降低隔離電壓。
光學(xué)隔離器是較為普遍的隔離器，其也被稱為光電耦合器。光電耦合器在空中通過光來傳送信號，而這些光學(xué)信號不會受到EMI干擾。另外，不同封裝尺寸所提供高達(dá)5kV的電氣隔離可以符合系統(tǒng)距離或8mm爬電距離/電氣間隙需求。過去，光電耦合器的工作頻率范圍受限，但新型技術(shù)的突破使光電耦合器目前已經(jīng)能夠以高達(dá)50MBd的速度傳送信號，而為支持高頻率的數(shù)據(jù)傳送，其傳播延遲則只有22ns。安華高科技公司所提供的光電耦合器在設(shè)計上能夠提供加強(qiáng)型絕緣效果，并通過光隔離半導(dǎo)體器件國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的認(rèn)證。
此外，安華高科技的共模抑制高達(dá)30kV/μs的光電耦合器還可以確保高共模瞬變不會影響到輸出邏輯。在阻斷因接地環(huán)路電流引起的多余共模電流以及因此衍生接地補(bǔ)償電壓時，光電耦合器是傳送目標(biāo)差動模式信號的高效元件。圖1為光電耦合器應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集模塊中的范例。
對于確保數(shù)據(jù)完整性并能保護(hù)使用者的測試和測量設(shè)備而言，安全隔離的設(shè)計顯得尤其重要。在選擇隔離器時，不僅要考慮到反應(yīng)速度性能表現(xiàn)，更重要的是必須注意到其絕緣等級和額定值以符合安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的需求。
因此需要隔離器來為兩系統(tǒng)提供物理隔離和電氣隔離以避免受到兩系統(tǒng)或兩個電路之間的突變電壓浪涌的破壞。它們需要提供同時在兩信號引線和公共接地間出現(xiàn)的更高的共模電壓范圍，這對測量串聯(lián)電池組之間電壓的實例相當(dāng)重要。接地環(huán)路是電氣系統(tǒng)中使用公共路徑的兩點(diǎn)間的多余電流，而隔離器對于切斷它們來說是很重要的，并已廣泛應(yīng)用在探測系統(tǒng)的差分電壓測量當(dāng)中。另外，隔離器也可以作為電平轉(zhuǎn)換器來解決系統(tǒng)或電路間不同電壓電平的兼容性。
在測量設(shè)備中使用隔離器不僅能維護(hù)系統(tǒng)的安全性，同時對于使用者的保護(hù)也有很高的重要性，因此被規(guī)定為高電壓儀器設(shè)計中的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前這方面主要有兩個標(biāo)準(zhǔn)，分別為適用于測試和測量儀器的IEC 61010-1，以及適用于信息技術(shù)設(shè)備的IEC60950-1。在該標(biāo)準(zhǔn)中，30Vrms和40.2V峰值或60VDC被定義為危險性電壓。因此在這個使用者容易接觸到的超低電壓電路上就需要隔離器。市場上有許多具備不同絕緣額定值的隔離器產(chǎn)品，通常分為功能型、基本型、雙精度型與加強(qiáng)型等。功能型隔離器并不提供電擊保護(hù)；基本型則僅提供單一基本絕緣等級，使用者不會直接接觸；雙精度型則在基本絕緣上面加額外的輔助絕緣以提供電擊保護(hù)；加強(qiáng)型則是提供和雙精度型相同等級的電擊保護(hù)，并可以確保失效保險模式(failsafe mode)。
失效保險是當(dāng)系統(tǒng)失效或檢測到錯誤情況發(fā)生時，自動停止運(yùn)行并讓零組件維持在安全狀態(tài)的系統(tǒng)終止模式，這樣可以讓使用者可以安全地接觸。除了絕緣類型和工作額定電壓，該標(biāo)準(zhǔn)同時還為不同設(shè)備定義了間隔器的空間需求、爬電距離(creepage distance)和電氣間隙(clearance distance)。其中，爬電距離定義為兩個電氣隔離導(dǎo)體間固體電介質(zhì)上的最短表面路徑，外部電氣間隙則是兩個電氣隔離導(dǎo)體通過空中的最短距離或它們的可視范圍距離。例如峰值工作電壓為300V的系統(tǒng)的爬電距離要求達(dá)到3-4mm。
隔離器還可根據(jù)信號傳輸技術(shù)的不同加以分類，主要有三種類型，分為磁式、電容式和光學(xué)式隔離器。采用磁場耦合的變壓器式隔離器通常效率較高，普遍應(yīng)用于長距離應(yīng)用上，它實質(zhì)上是吸收多余頻率而非提供物理隔離，并容易受到磁場干擾的影響。電容式隔離器則會在氧化物屏障層上傳送數(shù)據(jù)，不過由于器件本身具電容特性，因此容易在高工作頻率下受到高頻噪聲的影響，從而降低抗瞬變能力和降低隔離電壓。
光學(xué)隔離器是較為普遍的隔離器，其也被稱為光電耦合器。光電耦合器在空中通過光來傳送信號，而這些光學(xué)信號不會受到EMI干擾。另外，不同封裝尺寸所提供高達(dá)5kV的電氣隔離可以符合系統(tǒng)距離或8mm爬電距離/電氣間隙需求。過去，光電耦合器的工作頻率范圍受限，但新型技術(shù)的突破使光電耦合器目前已經(jīng)能夠以高達(dá)50MBd的速度傳送信號，而為支持高頻率的數(shù)據(jù)傳送，其傳播延遲則只有22ns。安華高科技公司所提供的光電耦合器在設(shè)計上能夠提供加強(qiáng)型絕緣效果，并通過光隔離半導(dǎo)體器件國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的認(rèn)證。
此外，安華高科技的共模抑制高達(dá)30kV/μs的光電耦合器還可以確保高共模瞬變不會影響到輸出邏輯。在阻斷因接地環(huán)路電流引起的多余共模電流以及因此衍生接地補(bǔ)償電壓時，光電耦合器是傳送目標(biāo)差動模式信號的高效元件。圖1為光電耦合器應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集模塊中的范例。
對于確保數(shù)據(jù)完整性并能保護(hù)使用者的測試和測量設(shè)備而言，安全隔離的設(shè)計顯得尤其重要。在選擇隔離器時，不僅要考慮到反應(yīng)速度性能表現(xiàn)，更重要的是必須注意到其絕緣等級和額定值以符合安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的需求。
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