浅谈Avago光耦合器在构建工业系统中的使用

如果工业自动化公司发生生产线停工，​​则在试图解决问题并使生产线重新运行时可能会损失数百万美元和机会成本。

故障可能发生在电磁干扰，高压浪涌和安全标准等领域。在开发和制造制造设备之后，需要在初始设计级别而不是稍后检查这些关注区域。

工厂车间的恶劣环境带来了与办公环境无关的问题。随着以太网集成到工业自动化领域的出现，对现场总线和设备级别的严格要求在接收器端进行数据收集变得越来越重要。

光耦合器广泛用于工业联网系统中，用途广泛。它们使电路和高度不同的电压电平可以作为一个系统一起工作，并且可以在保持电气隔离或彼此电气隔离的同时进行耦合。它们还用于确保无差错的数据传输，保持数据完整性并保护用于高速现场总线通信的互连设备。光耦合器在工业通信应用中的用途包括工业输入输出系统，传感器和温度控制系统，电源和调节系统，电动机控制和驱动系统，仪器仪表和医疗系统。

本白皮书讨论了构建安全，强大的工业系统时需要考虑的重要因素。

光耦合器基础知识

基本的光耦合器由发光二极管（LED），光电探测器和光学透明的电绝缘膜或电介质组成。当电流驱动LED时，它会发光，并通过电介质耦合到光电探测器。光电探测器产生与耦合光成比例的电流。该电流可以由各种电路操纵以执行特定功能。光耦合器的主要功能是防止电路一侧的高压或快速变化的电压损坏另一侧的组件或使传输失真。这是通过光学传递所需信号来完成的，同时保持两个系统之间的电隔离。

Avago Technologies的光耦合器的横截面积

电路设计人员在设计其应用程序时，可能会遇到三种与隔离相关的问题：

电压瞬变：这些潜在的高电流或电压浪涌可能会损坏组件并引起电击，从而可能危及人的生命。它们通常是两个电路或系统之间短暂而强烈的电涌。

接地回路电流：这些是不同接地电位的互连之间的有害信号，会导致破坏性的接地回路。通常在通信网络中在各个连接节点处具有不同接地点的情况下会发现它们。这些接地之间的电势差可以是交流电（AC）或直流电（DC），并且在该通信系统中可以找到各种噪声成分的组合。如果电势足够大，则可能会损坏设备（例如，通信端口），传输错误或数据信号降级。长期暴露会导致电路板的发热和燃烧，从而损坏组件并引起电击，其中一些可能对人致命。

高电压电平转换：随着数字IC向更低工作电压的迁移，对将敏感电子与大功率电子分离的设备的需求正在增长。为了确保可靠的信息交换并防止电流在不同的接地参考电压之间流动，需要使用隔离。例如，在电机控制应用中，电机的电子系统包括2个阶段，低压控制器和电源模块。在这样的系统内，重要的是要保护和隔离两个级，使其免受开关瞬变和共模电压波动的影响。同时，必须提供接口控制和反馈电路的电平转换和信号隔离。

隔离装置的安全标准

国际安全标准的发布是为了确保设备和产品以基本的安全标准水平使用-不仅用于设备，而且还用于操作员。这些标准侧重于触电，机械危险和火灾以及电磁干扰领域的公共安全。在系统和组件级别，在地理位置和各种设备应用程序中都有许多隔离安全标准。在工业市场上，系统级别的安全标准是针对全球或国际标准的IEC 604（国际电工委员会），以及针对美国的UL508（承保实验室）和针对欧洲的EN 50178。在光耦合器的组件级别，国际标准的安全标准为IEC 60747-5-2，

对于未来的光耦合器标准和维护，IEC将成为全球事实上的标准。为了获得IEC 60747-5-2的批准，光耦合器组件经过了一系列严格的资格测试，包括环境，机械，隔离和电气测试。通过组件的标准是严格限制为5 pC的局部放电（PD）测试。

作为电流的电阻，绝缘是产品安全设计中的重要因素。产品安全设计的基本原理是将存在电击危险的电路与其他电路或用户可能接触或连接到其他设备的某些设备部件分开。该电路不仅在正常使用期间而且在故障条件下都必须是安全的。安全性有明显区别的两个主要绝缘等级是“基本绝缘”和“加强绝缘”。

基本绝缘

自2004年1月以来，德国的光电耦合器VDE 0884安全标准认证已由IEC / EN / DIN EN 60747-5-2取代。此新安全标准直接适用于光隔离设备。尽管此标准仅专门适用于光隔离器，但使用其他隔离技术（例如磁隔离或电容隔离栅）的设备也已经令人惊讶地（甚至可能错误地）获得了此光耦合器安全标准的认证。此识别仅限于“基本绝缘”。这种绝缘水平可能无法提供“故障安全操作”。

经IEC / EN / DIN EN 60747-5-2认证和认可并具有“基本绝缘”认可的设备只能提供基本的防触电保护。他们不能被认为是“故障安全”的。用户不应访问此类设备。

加强绝缘

所需的绝缘水平在很大程度上取决于故障条件下组件的故障模式。“加强绝缘”仅被批准用于“故障保险”组件。这意味着“加强绝缘”不仅可以提供防电击保护，而且其故障安全设计允许用户触及。Avago Technologies制造光耦合器已有30多年的历史，提供从光电晶体管到业界最快的50MBd光耦合器的广泛产品。

Avago Technologies在1414 Vpeak时提供最高的绝缘工作电压之一。所有Avago Technologies的光耦合器均已通过组件级安全标准的认可和认可；其中包括UL1577（保险商实验室），CSA（加拿大标准协会）和IEC / EN / DIN EN 60747-5-2。UL和CSA额定值基于一分钟的瞬时介电耐压能力，而IEC / EN / DIN EN额定值则基于连续工作电压和瞬态过电压。

如图2所示，Avago Technologies的光耦合器为所有光耦合器产品提供的数据手册中提供了“故障安全”级别的高压隔离。

Avago Technologies的光耦合器产品中的标准合规性示例

高压绝缘的可靠性

光耦合器通常用于存在高电压的环境中。尽管已经建立了许多安全标准法规来提供有关高压施加的准则，但是由于对电气和热应力的老化和故障机理了解不足，因此仍存在可靠性方面的顾虑。

最近进行了评估测试，以确定隔离设备将隔离栅的一侧成功与另一侧的高电压隔离的时间长度。执行该测试以评估设备在高压性能和绝缘完整性方面的可靠性。由于将2.5 KV和3.75 KV的高电压（分别在Avago Technologies的数据表上指定）分别不断地施加到竞争对手A器件和Avago Technologies的光耦合器上，因此执行的高压寿命测试被定义​​为破坏性测试。每小时监视一次设备的寿命，直到隔离栅被打破，或者直到测试单元被破坏为止。

随机选择了几个竞争对手A的磁隔离器零件进行测试。如表1所示，在8.5小时至10.5小时之间销毁了这些装置。Avago Technologies的光耦合器在3.75 KV的高压下至少可以维持168小时。这已通过我们的可靠性测试过程进行了验证。

表1.高压寿命测试结果

静电放电

高速逻辑电路中组件故障的主要原因之一是静电放电（ESD）。ESD会在各种情况下发生，原因是设备或电路板处理不当，接口设计不当或其他导致设备接口上出现大电压尖峰的现象。当设备被ESD损坏时，受影响的设备可能会停止运行，表现出参数下降或显示出较高的故障率。唯一的解决方案是更换损坏的组件。

光耦合器是用于防止ESD问题的出色设备，尤其是在电气要求苛刻的环境中将两个系统链接在一起的情况下。光耦合器允许接地隔离，即使系统可能漂浮在电噪声环境中，也可以使系统在自身内部保持电中性。这些环境可以包括电机控制，开关电源，工业网络和医疗应用。

最近进行了ESD测试，以评估和评估光学和磁性技术的性能。该测试评估了ESD脉冲施加到两种不同技术的介电材料上的影响。遵循IEC-6100-4-2标准的测试要求，从竞争对手A的五个随机选择的磁隔离器中，将ESD脉冲注入到它们的输入侧，同时所有引脚在输入和输出侧都短路在一起，如图所示然后在图4的步骤1中进行测量。然后测量输入和输出之间的电阻（图4的步骤2），并将结果列在表2中。

ESD测试

测试结果

如上一节所述，通过向来自竞争对手A的五个单元的输入侧注入ESD脉冲来进行测试。ESD电压电平从5.5 KV以0.5 KV的步长增加，直到这些单元发生故障或击穿。在测量输入和输出两端的电阻时，读数接近零欧姆。这暗示被测设备短路。然后使用相同的方法测试了三个Avago Technologies的光耦合器。结果表明，Avago Technologies的光耦合器即使在高达11 KV的ESD电压水平下也没有出现介电故障。在大约11.5 KV的ESD电压水平下，在光耦合器上确实发生了外部电弧，从而阻止了进一步的测试。

表2显示，在大约10KV的电压下，竞争产品A的五个单元中的三个单元发生了介电故障，而另外两个单元分别在6.5 KV和8.0 KV甚至更低的ESD电压水平下发生了故障。这表明竞争对手A可能比Avago Technologies的光耦合器更容易受到ESD压力。测试还表明，在整个测试过程中，光耦合器的绝缘能力不受ESD应力的影响。

为了调查被测部件的故障原因，将设备拆封。在变压器IC和驱动器IC上发现烧伤痕迹（见图6）。ESD引起“穿通”效应，从而损坏了这些磁性设备。

表2

竞争对手A零件上的烧伤痕迹

电磁干扰（EMI）

电磁干扰（EMI）可以定义为任何干扰，破坏或以其他方式干扰授权电子发射的电磁干扰，从而限制电子设备和电气设备的有效性能。它可能是有意引发的，例如某种形式的电子战，也可能是由于杂散发射和响应，互调产物，大气干扰（包括闪电）和地外源（例如黑子）而无意中引起的。射频干扰（RFI）是一类特殊的EMI，其中射频传输（通常为窄带）会引起设备运行中的意外问题。射频干扰可能来自多种来源，例如手机或电源线，变压器，医疗设备，机电开关，

EMI有两种形式：辐射EMI和传导EMI。辐射EMI是一种干扰，它从一个源通过空气传播到接收源，而传导EMI则沿着一个传导路径传播。两者都可能导致传输有害的电子信号。这种干扰会传播授权的信号，通过更改正常的操作参数可能会干扰设备或设备的正常运行。这些故障通常分为电磁干扰或EMI故障。

解决EMI问题是一个挑战。当怀疑存在电磁干扰时，解决问题的第一步是确定将能量传输到受影响设备的机制：辐射，传导或感应。可以通过消除根本原因（物理隔离）或通过保护故障设备（例如，通过在电信区域进行屏蔽）来限制感应能量的数量来实现改进。避免潜在的EMI问题的最佳方法是选择灵敏度较低的器件或免疫器件，通过优化布局以最小化耦合效应和适当的屏蔽。

市场上的所有各种隔离器和耦合器均由集成CMOS或双极性IC组成。耦合单元是当今可用的不同技术之间的主要区别，可以是光耦合隔离器（光耦合器），磁耦合隔离器（磁耦合器）和电容耦合隔离器（电容耦合器）。在强电磁场的作用下，每种传感器的行为都不同。尽管已知光耦合器LED /光电二极管组合由于光耦合路径而不受电磁干扰，但由于其微观结构和磁耦合，磁隔离器在EMI方面有局限性。电磁耦合器的故障可能发生在磁场的直流电平（0 Hz）以及不同强度的不同频率的磁场下。

设计人员的主要考虑因素是避免在工业环境中或紧邻电机控制的应用或设备中使用潜在的EMI问题。光电耦合器是最佳选择，因为与目前市场上所有其他隔离器相比，它们具有出色的EMI性能并且可以承受更高的电磁场。