隔离基本步:正确的隔离解决方案

定义

「功能隔离」是指将一个信号或电源从一个电压系统传递到另一个电压不同的系统,由于此隔离只针对功能应用,亦没有任何过滤或减少,故它不能作为「保护」上的防备,例如触电的防范。

「基本隔离」是包含有功能隔离,同时增加了触电保护。第一类 (Class I) 设备使用功能隔离以及接地连接来保护用户。图1显示了典型的第 一类设备。

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1 典型的第 I 类设备 (图片来源: 德州仪器)

「双重隔离」采用具有「基本隔离」(基本级别的防触电保护)的系统,并在电气部件和最终用户之间添加了辅助绝缘层,加强物理性的保护,以减少基本隔离失败时触电的可能性。第二类 (Class II) 产品需要双重隔离。这些产品使用于不带接地插脚的AC插头,从而提高了产品的安全性,因为它不依赖外部接线来保证用户安全。具有双重隔离的终端设备的示例包括电网资产监控系统、便携式医疗设备(例如输液泵)、家庭电器(例如搅拌器或手机充电器)之类的电气设备。

第二类 (Class II) 产品上会拥有第二外层,将内部金属部件(可能会带电的)与外壳物理隔离,或者使用不导电的外壳,例如塑料。与第一类设备相比,第二类设备确实提供了一定程度的安全性,因为它们不依赖外部布线来提供冗余保护。图2说明了典型的第二类类设备。

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「加强隔离」的隔离效果与「双重隔离」相果,但只需单层外壳。它是具有增强隔离特性的「基本隔离」装潢。它的设计可利用刷电路板布局、芯线、绕组及零部件引脚等之间的物理隔离,同时满足安全爬电距离和电气间隙距离(指两个电压系统之间的物理距离)。所以「加强隔离」是设计具有双重隔离,但只需一个测试点。

安全标准

安全标准定义了认证必须达到的值。例如,国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, 或简称IEC)的「60950-1」要求「基本隔离」的爬电距离/电气间隙为3.2毫米,而「加强隔离」和「双重隔离」则需要6.4毫米。 「 基本绝缘」的额定电压要求为2500 VRMS(持续1分钟)及 3,000 VRMS(持续1秒)。对于「加强隔离」和「双重隔离」,则分别加强为5,000 VRMS(1分钟)和6,000 VRMS(1秒),即是「基本隔离」的两倍。双隔离设备在标签上标有双框标记,如图3所示。

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3 II 类设备指示图 : 两个插头图像

隔离元件的选择

在设计「功能隔离-」及「基本隔离」时,电源模块(Power Module)一般被普遍使用为隔离器件。其技术上提供了集成及离散的并行使用。而且,市场存在电源模块有许多种类中,具有不同的输入/输出电压、功率、输出数量、隔离等级及调节选项等。

图4显示了一个传统电源模块内部工作原理的框图。拓扑包括一个变压器驱动器, 有些会集成输出LDO进行输出调节。
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4 电源模块 (图片来源: 德州仪器)

通过许多选择,工程师可以在大多数「基本隔离」应用中使用电源模块。由于不需要特别设计或选择变压器,这大大简化了设计过程。但是,使用模块会失去产品设计的灵活性,尤其是配置输出数量和变压器匝数比时。模块额定环境一般只达85C,温度为125°C的模块的选择不多。另外,电源模块一般以功能或基本绝缘为设计目的,故市场上具有完全「加强隔离」的模块选择不多。

在设计第II类产品时,即是要在「双重隔离」与「加强隔离」之间二选其一。在「双重隔离」中可继续考虑电源模块。如选择「加强隔离」,优点是由于只需单层,可以将产品设计成较体积细小。在电力设计上,亦趋向于将隔离集成于元件内,同时将隔离安全标准完全控制于零部件的选料、走线设计、电路板空间布局等,更能提高产品设计的效率和成本。

市场上,半导体公司亦投入研发,希望为工程师提供一个完全集成、封装细少并且易于实施的「加强隔离」解决方案及零部份。例如,德州仪器(TI)的UCC12050系列将所有控制,驱动器,场效应晶体管和磁性元件集成到一个封装中。尽管它看上去与集成了功率级和整流器的电源模块相似,但电源模块相比,开关频率要高得多。与较低的开关频率替代方案相比,这可以显著降低高度和重量。内部拓扑控制方案无需LDO或外部即可闭环运行反馈组件。您只需要使用一些旁路电容器将设备放置在板上,并按照正确的电路板布局便能将「加强隔离」解决方案偏置到超小尺寸的应用层面上,再不需磁性设计或电源控制器。其额定隔离5 kVRMS (持续1分钟) 及7 kVPK(持续1秒/经过生产测试)。

以下是「双重隔离」与「加强隔离」的比较列表


表一 「双重隔离」与「加强隔离」的比较列表