使用经认证隔离器件确保安全的系统运行

• 关键词：隔离器件,,,电耦合器,,,考量
• 摘要：隔离器件如光电耦合器等经常被应用于必须把使用者安全问题作为主要考量，不能在连续高工作电压条件下出现任何失误的情况

介绍
      隔离器件如光电耦合器等经常被应用于必须把使用者安全问题作为主要考量，不能在连续高工作电压条件下出现任何失误的情况，如果绝缘失效使高电压接触到使用者，可能会带来安全隐患并威胁到使用者的生命安全，为了避免这类情况发生，国际元器件标准和设备安全标准就规范了相关的连续工作电压规格和测试方法。
      为了给设计工程师带来信心，隔离器件产品必须通过认证以确保符合目标应用的安全规格绝缘水平要求，而为了符合系统安全规格，设备制造商通常会使用符合公认标准认证的隔离器以确保安全并符合法规要求。这些隔离要求通过遵守机械结构准则和元器件安全标准达成，光电耦合器就是一个目前由零组件安全标准规范的主要范例。
       光电耦合器标准的一个例子是目前已经由DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN60747-5-5取代的VDE0884，这个标准的制定目的是解决所有光电耦合器技术具体安全方面的问题。
这个标准的主要成就在于实现100%的生产测试方法，这个方法可以可靠地证明每个产出光电耦合器具有长时间的高电压耐受力。
       近年来使用不同耦合技术，例如磁耦合和电容性耦合的隔离器陆续被推向市场，这些替代隔离器通常使用10μm到20μm的超薄绝缘层，光电耦合器的绝缘厚度则为80μm到1000μm。替代隔离器中较薄的绝缘层屏障在相同工作电压下会有较高的电场压力，因此要比光电耦合器更容易出现失效的情况。
       除了机械结构的不同外，光电耦合器和替代隔离器分别使用不同的绝缘材料，光电耦合器通常使用同质聚酰亚胺或硅酮，而替代隔离器则使用旋涂聚酰亚胺或二氧化硅(SiO2)。由于这些替代隔离器目前并无标准可以遵守，因此部份测试公司提供了是否符合DIN/EN 60747-5-2光电耦合器标准认证的服务，但测试单位仅提供基本绝缘的认证，这代表它们仅部份符合并非完全通过认证，原因是相对于安全绝缘应用的薄膜聚酰亚胺和CMOS绝缘品质和特性还未被充分了解，另外，替代隔离器的高电压老化情况是否和光电耦合器相似也是问题。
       VDE0884-10为以VDE0884光电耦合器标准为根基的新标准草案，这个标准仰赖部份放电原则来预测安全的连续高电压工作寿命。在VDE0884-10草案推出后，已经证明部份放电原则无法使用在替代隔离器的老化机制预测上，在较低压力电压下有其他老化预测机制可以应用于这些替代隔离器。
        在实务上，使用光电耦合器的测试方法于替代隔离器上也引发了一些顾虑和问题，本文的目的是提供实验测试数据和分析来解答这些问题。
绝缘结构
       光电耦合器、磁光隔离器和电容式隔离器有以下的分别，包括绝缘材料、机械结构、绝缘层厚度和介质击穿强度。光电耦合器，如安华高科技(Avago Technologies)的HCPL-316J在光学路径两端使用由聚酰亚胺带或硅酮组合的厚绝缘材料，如图1，贯通绝缘距离(DTI, Distance Through Insulation)最小为400μm。

图1：光电耦合器结构。
       [图说]
       Silicone = 硅酮
       Creepage = 爬电距离
       DTI = 贯通绝缘距离(DTI)
       Clearance = 电气间隙
       Silicone = 硅酮
       Insulation Tape = 绝缘带
       磁光隔离器使用单石CMOS芯片和旋涂聚酰亚胺作为绝缘，如图2。贯通绝缘距离可小至17μm。同样地，CMOS芯片电容式隔离器使用薄层二氧化硅(SiO2)作为绝缘，DIT最小为8μm。最近部份制造商把DTI提高到16μm来处理较高的隔离电压。然而绝缘厚度会因以下原因无法进一步提高：
1. DTI对信号耦合效率的影响。
2. CMOS芯片上布置厚绝缘层的昂贵成本和可靠性问题。
       因此在相同工作电压下，替代隔离器的电场压力最少为光电耦合器的20倍以上，这个差异非常显着，代表着必须重新定义和发展出新的老化机制和坏料过滤方法。

 图2：磁光和电容式隔离器结构。
       [图说]
       Top Passivation: BCB = 顶部钝化层：BCB
       Top Metal Layer = 顶部金属层
       INSULATION LAYER = 绝缘层
       Bottom Metal Layer = 底部金属层
       DTI = 贯通绝缘距离(DTI)
连续工作电压下光电耦合器安全标准和测试方法
       国际安全标准IEC 60747-5-5涵盖了光耦合器件和光电耦合器的电气特性和测试方法，并未包括磁光隔离器或数字电容式隔离器，这个版本于2007年正式公布，涵盖包括光电耦合器等光学电子器件的前一版本IEC 60747-5-1/2/3计画在2012年废止。采用IEC 60747-5-2的欧洲标准DIN/EN 60747-5-2则预计在2014年终止并废除，并由新发布基于IEC 60747-5-5的DIN/EN 60747-5-5取代。
       IEC 60747-5-5和DIN/EN 60747-5-2都使用部份放电法来测试固态绝缘的同质性，在这个测试中，高达工作电压1.875倍的测试电压被加到输入和输出上，时间为1分钟，并且必须满足低于5pC的放电以通过测试。这个测试不仅可以保证高品质的绝缘，同时还可有效剔除生产不良的器件，避免造成寿命缩短和安全问题，这也是这个标准广泛被作为设备安全标准的主要关键测试之一，包括：
       IEC 61800 – 工业电机驱动器和其他设备标准
       IEC 60950 – 信息科技和通信设备标准
       IEC 60601 – 医疗设备标准
       IEC 61010 – 测试和测量设备标准
       替代隔离器的老化机制随绝缘材料而不同，磁光隔离器使用旋涂聚酰亚胺作为隔离层，制造商使用热力学模型来预测器件寿命，电容式隔离器采用SiO2作为隔离材料，因此使用依时性介电层击穿(TDDB, Time Dependant Dielectric Breakdown)测试模型来预测寿命。
       表1总结了用来决定各种不同隔离技术在连续工作电压下的老化模型和寿命预测方法，非常明显地替代隔离器使用了不同于测试方法的预测模型。
       表1：隔离技术、老化机制和安全验证结构。

       我们可以使用简单的实验来验证部份放电能力和连续工作电压间的关联性，选择使用不同技术的样本，包括采用SOIC封装的光电耦合器、磁光隔离器和电容式隔离器，电气间隙和爬电距离为8mm。由于固态绝缘能力可以达到200Vrms/1mm，因此选择1.6kVrms的测试电压来加速测试时间。
       在进行寿命压力测试前，所有隔离器都会进行部份放电，采用1.6kVrms的1.875倍3kVrms进行以符合IEC/EN60747-5-5、VDE0884-10和EN60747-5-2等标准要求，测试结果显示，所有器件都通过低于5pC的放电，这代表了符合标准要求1.6kVrms的良好绝缘。
       寿命压力测试安排可参考图3，各有5个光电耦合器、磁光隔离器和电容性隔离器一起放置于125°C的热风循环烘箱中。测试电压为1.6Vrms的60Hz交流连续电压，并持续测量泄漏电流。当电流计检测到超过100μA的泄漏电流时会发出警示音，当发生击穿时测试暂停并对所有受测器件(DUT, Devices Under Test)进行泄漏电流测量以找出错误来源。

 图3：高电压寿命测试安排。
       [图说]
       Oven at 125°C = 测试温度125°C
       DUT = 受测器件(DUT)
       Timer = 定时器
       最终测试结果显示，磁光隔离器和电容式隔离器分别在12小时和21小时时击穿，光电耦合器测试则继续进行直到经过4000过小时测试停止时还未发生失效情形，光电耦合器在测试中和测试后皆无未通过泄漏电流测试的情况发生。
       表2总结了部份放电、寿命测试结果和各制造商所提供的预测寿命。

表2：部份放电和寿命测试结果。
       隔离技术 绝缘材料 DTI(mm) 部分放电测试方法 采用部分放电的工作电压 老化机制/寿命预测模型 寿命预测 125°C温度1.6kVrms电压下失效时间

       结果显示，光电耦合器不管是在部份放电测试和真实寿命压力性能上都展现了良好的稳定性和一致性。
另人讶异的是，磁光隔离器和电容式隔离器在非常短的时间内就已经击穿，远比部份放电的预测和制造商本身的预测短上许多，为了保证测试的准确性，我们进行了数次类似的寿命测试，获得的结果相当一致。
       为了提供安全的连续工作电压规格，测试结果再次验证部份放电为光电耦合器的相关测试方法，然而部份放电测试却完全不适合替代隔离器，特别是它的规格标示可能过高并造成引发危险的连续高工作电压。
       替代隔离器制造商应该为部份放电测试加上额外的高电压寿命模型技术，这些建模技术基于加速条件下产生的型态测试数据，然而这个寿命预测方法还是存在部份风险，原因是：
1. 不应为安全相关应用假设失效率。
2. 加速情况和真实现场使用情况间有大幅度差异，可能造成建模方法大量误差。
3. 对于生产变异并无持续监测，并且没有100%生产测试来过滤产出坏料，如针脚洞、灰尘和空心等问题。
总结
       国际安全标准IEC 60747-5-5和基于IEC 60747-5-5稍早版本的欧洲标准DIN/EN 60747-5-2明白指出这个测试方法仅适合光电耦合器件和光电耦合器，并非磁光隔离器和电容式隔离器。标准将隔离结构、绝缘材料、老化机制和坏料过滤测试都纳入考虑。经过数十年现场实际应用的数百万个光电耦合器所验证，高电压寿命实验室测试结果非常符合光电耦合器的部份放电测试预测。
       基于单石芯片制造工序的替代隔离器，如磁光隔离器和电容式隔离器通常采用薄层绝缘，相较于光电耦合器，这类隔离器在相同工作电压下会面临高了许多的电场压力，因此，替代隔离器会受到相对较低连续工作电压下其他各种老化机制的影响，基于部份放电原则的标准并不适合用来提供替代隔离器可靠的连续工作电压规格。
       部份制造商提供的附属高电压老化建模数据并无法取代独立的安全标准，仅能提供强化应用的部份参考。
       实验室测试结果清楚显示了在替代隔离器上使用光电耦合器标准的危险，在市场开始大量引入前建议必须进行这类技术和其限制的深入研究。
       在安全相关应用中使用这类替代隔离器件会对设备使用者带来安全上的风险，因此需要设计工程师仔细的检验，以了解质量是否符合法规认证标准和应用到终端设备后长期使用的可靠性。
       有关产品信息和完整分销商列表请访问我们的网站：www.avagotech.cn。