保護測試測量設備的隔離技巧
2015-09-30
為得到更高精密度的數據采集能力，對測試和量測設備設計人員工程師而言，在高共模電壓影響系統的情況下測量小信號變化是一個挑戰。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/交換設備的功率浪涌引起的突變瞬間過壓所產生的。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提供物理隔離和電氣隔離以避免受到兩系統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的更高的共模電壓范圍，這對測量串聯電池組之間電壓的實例相當重要。接地環路是電氣系統中使用公共路徑的兩點間的多余電流，而隔離器對于切斷它們來說是很重要的，并已廣泛應用在探測系統的差分電壓測量當中。另外，隔離器也可以作為電平轉換器來解決系統或電路間不同電壓電平的兼容性。
在測量設備中使用隔離器不僅能維護系統的安全性，同時對于使用者的保護也有很高的重要性，因此被規定為高電壓儀器設計中的安全標準。目前這方面主要有兩個標準，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設備的IEC60950-1。在該標準中，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品，通常分為功能型、基本型、雙精度型與加強型等。功能型隔離器并不提供電擊保護；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；加強型則是提供和雙精度型相同等級的電擊保護，并可以確保失效保險模式(failsafe mode)。
失效保險是當系統失效或檢測到錯誤情況發生時，自動停止運行并讓零組件維持在安全狀態的系統終止模式，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，該標準同時還為不同設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體間固體電介質上的最短表面路徑，外部電氣間隙則是兩個電氣隔離導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的系統的爬電距離要求達到3-4mm。
隔離器還可根據信號傳輸技術的不同加以分類，主要有三種類型，分為磁式、電容式和光學式隔離器。采用磁場耦合的變壓器式隔離器通常效率較高，普遍應用于長距離應用上，它實質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據，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，而這些光學信號不會受到EMI干擾。另外，不同封裝尺寸所提供高達5kV的電氣隔離可以符合系統距離或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，但新型技術的突破使光電耦合器目前已經能夠以高達50MBd的速度傳送信號，而為支持高頻率的數據傳送，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計上能夠提供加強型絕緣效果，并通過光隔離半導體器件國際標準IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的認證。
此外，安華高科技的共模抑制高達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。在阻斷因接地環路電流引起的多余共模電流以及因此衍生接地補償電壓時，光電耦合器是傳送目標差動模式信號的高效元件。圖1為光電耦合器應用在數據采集模塊中的范例。
對于確保數據完整性并能保護使用者的測試和測量設備而言，安全隔離的設計顯得尤其重要。在選擇隔離器時，不僅要考慮到反應速度性能表現，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準規范的需求。
因此需要隔離器來為兩系統提供物理隔離和電氣隔離以避免受到兩系統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的更高的共模電壓范圍，這對測量串聯電池組之間電壓的實例相當重要。接地環路是電氣系統中使用公共路徑的兩點間的多余電流，而隔離器對于切斷它們來說是很重要的，并已廣泛應用在探測系統的差分電壓測量當中。另外，隔離器也可以作為電平轉換器來解決系統或電路間不同電壓電平的兼容性。
在測量設備中使用隔離器不僅能維護系統的安全性，同時對于使用者的保護也有很高的重要性，因此被規定為高電壓儀器設計中的安全標準。目前這方面主要有兩個標準，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設備的IEC60950-1。在該標準中，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品，通常分為功能型、基本型、雙精度型與加強型等。功能型隔離器并不提供電擊保護；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；加強型則是提供和雙精度型相同等級的電擊保護，并可以確保失效保險模式(failsafe mode)。
失效保險是當系統失效或檢測到錯誤情況發生時，自動停止運行并讓零組件維持在安全狀態的系統終止模式，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，該標準同時還為不同設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體間固體電介質上的最短表面路徑，外部電氣間隙則是兩個電氣隔離導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的系統的爬電距離要求達到3-4mm。
隔離器還可根據信號傳輸技術的不同加以分類，主要有三種類型，分為磁式、電容式和光學式隔離器。采用磁場耦合的變壓器式隔離器通常效率較高，普遍應用于長距離應用上，它實質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據，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，而這些光學信號不會受到EMI干擾。另外，不同封裝尺寸所提供高達5kV的電氣隔離可以符合系統距離或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，但新型技術的突破使光電耦合器目前已經能夠以高達50MBd的速度傳送信號，而為支持高頻率的數據傳送，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計上能夠提供加強型絕緣效果，并通過光隔離半導體器件國際標準IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的認證。
此外，安華高科技的共模抑制高達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。在阻斷因接地環路電流引起的多余共模電流以及因此衍生接地補償電壓時，光電耦合器是傳送目標差動模式信號的高效元件。圖1為光電耦合器應用在數據采集模塊中的范例。
對于確保數據完整性并能保護使用者的測試和測量設備而言，安全隔離的設計顯得尤其重要。在選擇隔離器時，不僅要考慮到反應速度性能表現，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準規范的需求。
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