通过光电耦合器建构安全可靠的电气系统

通过光电耦合器建构安全可靠的电气系统

       不管什么目的，电气系统都有三个共同的主要需求，那就是可靠性、安全性以及长时间的工作寿命。为了确保安全地运行，使用者必须受到远离设备危险高电压的双重隔离保护，要达成高可靠性以及长时间的工作寿命，控制电子电路也必须避免受到如电磁干扰以及尖峰脉冲等威胁。虽然目前已有多种技术可以提供电气隔离，比如电容式、磁光、射频以及光电转换等技术，但光电耦合器却可提供其他隔离技术无法达成的安全保护。       

       设计工程师在选择隔离技术时，必须考虑的几个因素中最重要的是设备和人员的安全性。工业设备通常使用数百到数千伏特的电压工作，而人员可以安全接触的范围则只有42V DC或60V AC。采用集成电路的电子设备则更加敏感，甚至只要在错误引脚上出现数十伏特的电压就可能造成产品的损坏。        

       就算是电气系统的其他部分使用高电压，但它们必须在符合安全的极低电压(SELV，即Safety Extra Low Voltage )的条件下工作。将不同工作电压予以分离并在之间传递信息就是隔离器件的工作，隔离器件必须在隔离层面临数百伏特的持续压力下还可以正常工作。       

       第二个考虑因素则是隔离器件的绝缘等级，绝缘基本上可以分为三个等级，分别为功能性、基础性以及强化或双重绝缘。功能性绝缘主要是设备的要求，和安全性无关。基础性绝缘则可以在绝缘层没有受到破坏的条件下保护使用者免于受到电气冲击。强化或双重绝缘则可以达到失效安全运作，也就是当一个层级的绝缘功能发生问题时，另一个层级的绝缘还是可以继续保护使用者。所有由高电压端连接到电子电路的信号都有可能推动使用者接触的接口，例如开关和显示屏就需要强化绝缘等级，而达到强化绝缘等级的主要考量之一为绝缘穿透距离(DTI，即Distance Through Insulation)，也就是高电压信号必须跨越才能到达人员的距离。

安全之外的考量        

       虽然不是直接和人员安全相关，电子设备安全性以及设备可靠运行的一个重要考量因素为电磁兼容性(EMC)。例如共模噪声抑制能力以及辐射干扰度等因素在确保隔离器件是否可以正确传递控制信号时非常重要。辐射干扰为隔离器件是否会在其他信号线上造成错误的一个重要指标。         

       设计工程师应该要知道，机制劣化问题会在经过一段时间后使隔离器件失效。高电压瞬变，例如静态放电(ESD)和电压浪涌就代表了一种形式的失效机制。静电放电通常来自于操作人员身上建立的静电，电压浪涌则是改变系统负载以及电感式负载切换时回送所产生的结果，这些电压瞬变虽然不一定会立即造成器件的问题，但却可能带来日后引起失效的破坏。        

       隔离层上的持续高电压也可能造成失效问题，特别是绝缘物质中带有空隙的情况。这些空隙的部分放电可能会破坏绝缘物质，最后造成失效。为了确保这类情况不会在机器的工作寿命内发生，设计工程师必须考虑隔离器件本身的高电压寿命规格。         

       设计工程师在考虑隔离技术时有几种选择，其中最简单的一种是使用电容器来避免隔离层两端的直流电压相互影响，这个方式通常又称作交流耦合(AC Coupling)。电容式隔离只传递逻辑信号大小的变化，而非逻辑信号本身，电容式耦合依赖两个金属板间静电场的变化来传递信息。          

       磁性隔离利用信号路径上变压器的平衡特性，将信号由输入线圈以磁耦合方式跨越隔离层传递到输出线圈。这种磁耦合方式只适合用来传递高频交流信号而不是直流电平，因此在磁隔离器件中必须包含一个可以将逻辑电平转变成为交流信号的方法。         

       射频隔离则使用开关编码方式将逻辑信号转变为无线脉冲，并通过磁场或电容耦合方式由发射器传送到接收器。这个方法解决了保留直流逻辑电平的问题，但却存在必须加入有源射频元器件的额外复杂度。          

       光电耦合器，正如字面描述，为通过光学方式使信息通过隔离层，输入信号控制发光二极管的输出强度，接着光二极管对这些光学信号进行响应并据以对输出晶体管进行开关控制，和其他隔离技术中使用的磁场或静电场方式不同，光电耦合并不需要非常接近的感应距离。

技术比较：绝缘穿透距离(DTI)         

       比起其他隔离技术，不必靠近就可运作的自由度带给了光电耦合器在绝缘穿透距离(DTI)这个关键参数上的巨大优势。在图1我们可以看到，光电耦合器的绝缘穿透距离可以比其它隔离技术高上十倍到数十倍，例如典型的磁隔离器件通常采用单片CMOS芯片材料和薄薄一层抛洒的聚酰亚胺作为隔离层，绝缘穿透距离可能只有17μm。同样地，电容性和射频耦合使用的电容器则使用厚度仅8μm的二氧化硅(SiO2)，而光电耦合器就算是采用SO5和SO16等较小型的表面贴装封装，其绝缘层厚度通常也有80μm到1000μm。         

       基于多个理由，绝缘穿透距离为隔离设计上的重要因素，绝缘层越薄，在正常工作电压以及静电放电和浪涌压力下，对绝缘体的静电压力就越大。因此，光电耦合器的厚绝缘层可以有效降低绝缘体的压力，为光电耦合器带来更高的可靠性和更长的工作寿命。绝缘穿透距离在绝缘安全等级上也非常重要，固体绝缘需要400μm或以上的厚度，薄膜绝缘则要求最少双层深度来达到强化效果。安华高的光电耦合器产品拥有三层绝缘设计，达到总共400μm的绝缘穿透距离，其它隔离技术则通常仅提供一个薄层。

图1：比起其他隔离技术，采用SO5和SO16表面贴装封装的光电耦合器在绝缘穿透距离(DTI)上高了数十倍，可以给人员和设备带来更高的安全性。

技术比较：共模噪声抑制能力          

       部分光电耦合器厂商集成一个低成本法拉第屏蔽来隔离输入和输出，另外也使用独特的封装设计来极小化输入到输出的电容大小，因此可以保护光电耦合器免于共模噪声的影响，噪声抑制能力可以通过在隔离器件的输出接地参考和输入电源接地间加上高电压脉冲取得，光电耦合器的输出显示出即使在45kV/μs的高电压瞬变条件下依然不受影响。如图2左方，右方的射频隔离器则在较低的4kV/μs电压瞬变就出现数据漏失的情况。

图2：光电耦合器即使在45kV/μs的高电压瞬变条件下依然不受影响，射频隔离器则在较低的4kV/μs电压瞬变就出现数据漏失。

技术比较：电磁干扰(EMI)           

       在评估隔离器件的防电磁干扰(EMI)性能时，开发工程师必须注意两个方面，分别是环境中辐射EMI的抵抗能力以及器件本身产生的EMI。要测量工业环境中常见电磁干扰可能造成的影响，我们可以通过在环绕器件的线圈上进行高电流脉冲放电，以产生具有电气和磁场成分的宽带突发噪声。在图3中我们看到，当EMI尖峰脉冲高达15A/30ns时，光电耦合器依旧可以正常工作，不过磁隔离器件则早在仅2.8A/30ns的水平就已失效。

图3：由上图可以看到，光电耦合器可以处理比磁隔离器高出许多的噪声电流，当光电耦合器上出现高EMI噪声时，信信号不会受到影响，如图左，然而图右的磁隔离器则在中等EMI噪声电流时就出现信号漏失。      

       辐射EMI的测量使用近距离探针和频谱分析仪来测量隔离器件产生的信号，所有器件使用相近的测试条件，如相近的输入信号、相同的测试板和环境。测试结果显示，相较于其他隔离技术，光电耦合器产生的EMI小了许多。

图4：相较于其他隔离技术，光电耦合器产生的EMI小了许多。技术比较：抗高电压浪涌能力          

       隔离层本身的集成性对于设备和使用者的安全非常重要，因此必须可以承受电压浪涌和静电放电。要测试这个承受力，依照IEC 60747-5-5标准，在隔离层加上10kV的尖峰脉冲电压，发生崩溃时的电压就提供了隔离层的可靠性指标。图5中我们看到，光电耦合器可以承受超过20kV的电压浪涌，而其他隔离技术则会在4kV到10kV间失效。

图5：高电压浪涌会造成隔离器件失效，但光电耦合器的耐受力比起其他隔离技术高了许多。

总结         

       光电耦合器可以为电气系统提供最高等级的保护和可靠性，它们发出的电磁干扰最小，并在抗EMI的能力上也优于其他隔离技术。另外它更是高电压瞬变情况下抵抗能力最好的产品。光电耦合器具有定义良好的安全规格，因而可以取得强化等级认可，非常适合注重安全的应用，因此使得它们成为电气系统中安全可靠隔离的最好选择。