半导体隔离技术让不少高级工程师都含糊的“隔离”技术，今天我们把它说清楚

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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让不少高级工程师都含糊的“隔离”技术，今天我们把它说清楚

关键词：隔离, 功能隔离, 基本隔离, 双重隔离, 加强隔离, 隔离模块

即使你是高级工程师，但对于系统隔离的概念、类型和设置要求可能仍会有许多疑问。在本技术文章中，我们将介绍四种主要的隔离类型及其定义，还将在选料中演示如何通过参数筛选获得合适的隔离解决方案。

“隔离”是指系统传输所需的信号和/或功率时阻止了系统内各个部分之间不必要的直流和交流电。许多不同应用层面的产品或系统都需要考虑隔离，例如电源或电动机驱动电路中的高端使用栅极驱动器(gate driver)、保护高压系统中的低压电路（例如电动汽车系统中的处理器）、具有不同电压电位的系统之间进行单独通信或防止在高压应用中由最终产品引致的触电等。因此了解不同隔离级别有助设计相应的隔离解决方案。总括而言，以不同级别可将把隔离可分为：功能隔离(Functional Isolation)、基本隔离(Basic Isolation)、双重隔离(Double Isolation)和增强隔离(Reinforced Isolation)。

隔离的定义

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，也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”既包含有功能隔离，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。

图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设备。

图2：典型的第II类设备 (图片来源: 德州仪器)

“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）。所以加强隔离的设计具有双重隔离，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2,500 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。

图3 ：第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分立的并行使用。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。

图4：电源模块 (图片来源: 德州仪器)

基于多样的选择，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85°C，温度为125°C的模块可选择的不多。另外，电源模块一般是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”的模块可选择的不多。

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”，其优点是由于只需单层，可以让产品的体积较为细小。在电力设计上，也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，这样更能提高产品设计的效率和成本。

市场上，半导体公司也不断进行研发，希望为工程师提供一个完全集成、封装紧凑并且易于实施的“加强隔离”解决方案。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，但与电源模块相比，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或外部电路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。其额定隔离为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1 ：双重隔离与加强隔离的比较列表

电源模块的选料

在Digi-Key官网上，在「直流转换器」的筛选表中，搜寻「隔离模块」关键字，便可直接进入「隔离模块」的参数选项。当中的输出数、输入/输出电压值、功率等参数，能协助选料工程师找出合适的模块。

（点击放大查看）

本文小结

总而言之，“功能隔离”和“基本隔离”（即第I类隔离）将一个电压轨与另一个电压轨电隔离，而“双重隔离”和“加强隔离”为同一设计目标（即第II类隔离）提供了两个不同情况下的解决方案。通过使用合适的电源模块，外加绝缘设备后可实现第II类隔离。市场上电源模块的种类很多，较容易找到合适的方案。“加强隔离”提供了产品小型化且具有双重隔离的优势，能节省空间、时间和成本。

更多有关隔离的技术资料，可以关注得捷电子后查看。

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本文源自金融界

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