如果工業(yè)自動(dòng)化公司發(fā)生生產(chǎn)線停工，??則在試圖解決問(wèn)題并使生產(chǎn)線重新運(yùn)行時(shí)可能會(huì)損失數(shù)百萬(wàn)美元和機(jī)會(huì)成本。

故障可能發(fā)生在電磁干擾，高壓浪涌和安全標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域。在開(kāi)發(fā)和制造制造設(shè)備之后，需要在初始設(shè)計(jì)級(jí)別而不是稍后檢查這些關(guān)注區(qū)域。

工廠車(chē)間的惡劣環(huán)境帶來(lái)了與辦公環(huán)境無(wú)關(guān)的問(wèn)題。隨著以太網(wǎng)集成到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的出現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線和設(shè)備級(jí)別的嚴(yán)格要求在接收器端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集變得越來(lái)越重要。

光耦合器廣泛用于工業(yè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，用途廣泛。它們使電路和高度不同的電壓電平可以作為一個(gè)系統(tǒng)一起工作，并且可以在保持電氣隔離或彼此電氣隔離的同時(shí)進(jìn)行耦合。它們還用于確保無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸，保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性并保護(hù)用于高速現(xiàn)場(chǎng)總線通信的互連設(shè)備。光耦合器在工業(yè)通信應(yīng)用中的用途包括工業(yè)輸入輸出系統(tǒng)，傳感器和溫度控制系統(tǒng)，電源和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，儀器儀表和醫(yī)療系統(tǒng)。

本白皮書(shū)討論了構(gòu)建安全，強(qiáng)大的工業(yè)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的重要因素。

光耦合器基礎(chǔ)知識(shí)

基本的光耦合器由發(fā)光二極管（LED），光電探測(cè)器和光學(xué)透明的電絕緣膜或電介質(zhì)組成。當(dāng)電流驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，它會(huì)發(fā)光，并通過(guò)電介質(zhì)耦合到光電探測(cè)器。光電探測(cè)器產(chǎn)生與耦合光成比例的電流。該電流可以由各種電路操縱以執(zhí)行特定功能。光耦合器的主要功能是防止電路一側(cè)的高壓或快速變化的電壓損壞另一側(cè)的組件或使傳輸失真。這是通過(guò)光學(xué)傳遞所需信號(hào)來(lái)完成的，同時(shí)保持兩個(gè)系統(tǒng)之間的電隔離。

Avago Technologies的光耦合器的橫截面積

電路設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)其應(yīng)用程序時(shí)，可能會(huì)遇到三種與隔離相關(guān)的問(wèn)題：

電壓瞬變：這些潛在的高電流或電壓浪涌可能會(huì)損壞組件并引起電擊，從而可能危及人的生命。它們通常是兩個(gè)電路或系統(tǒng)之間短暫而強(qiáng)烈的電涌。

接地回路電流：這些是不同接地電位的互連之間的有害信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致破壞性的接地回路。通常在通信網(wǎng)絡(luò)中在各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)處具有不同接地點(diǎn)的情況下會(huì)發(fā)現(xiàn)它們。這些接地之間的電勢(shì)差可以是交流電（AC）或直流電（DC），并且在該通信系統(tǒng)中可以找到各種噪聲成分的組合。如果電勢(shì)足夠大，則可能會(huì)損壞設(shè)備（例如，通信端口），傳輸錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)信號(hào)降級(jí)。長(zhǎng)期暴露會(huì)導(dǎo)致電路板的發(fā)熱和燃燒，從而損壞組件并引起電擊，其中一些可能對(duì)人致命。

高電壓電平轉(zhuǎn)換：隨著數(shù)字IC向更低工作電壓的遷移，對(duì)將敏感電子與大功率電子分離的設(shè)備的需求正在增長(zhǎng)。為了確?？煽康?a target="_blank">信息交換并防止電流在不同的接地參考電壓之間流動(dòng)，需要使用隔離。例如，在電機(jī)控制應(yīng)用中，電機(jī)的電子系統(tǒng)包括2個(gè)階段，低壓控制器和電源模塊。在這樣的系統(tǒng)內(nèi)，重要的是要保護(hù)和隔離兩個(gè)級(jí)，使其免受開(kāi)關(guān)瞬變和共模電壓波動(dòng)的影響。同時(shí)，必須提供接口控制和反饋電路的電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離。

隔離裝置的安全標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布是為了確保設(shè)備和產(chǎn)品以基本的安全標(biāo)準(zhǔn)水平使用-不僅用于設(shè)備，而且還用于操作員。這些標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于觸電，機(jī)械危險(xiǎn)和火災(zāi)以及電磁干擾領(lǐng)域的公共安全。在系統(tǒng)和組件級(jí)別，在地理位置和各種設(shè)備應(yīng)用程序中都有許多隔離安全標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)市場(chǎng)上，系統(tǒng)級(jí)別的安全標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)全球或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IEC 604（國(guó)際電工委員會(huì)），以及針對(duì)美國(guó)的UL508（承保實(shí)驗(yàn)室）和針對(duì)歐洲的EN 50178。在光耦合器的組件級(jí)別，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的安全標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60747-5-2，

對(duì)于未來(lái)的光耦合器標(biāo)準(zhǔn)和維護(hù)，IEC將成為全球事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得IEC 60747-5-2的批準(zhǔn)，光耦合器組件經(jīng)過(guò)了一系列嚴(yán)格的資格測(cè)試，包括環(huán)境，機(jī)械，隔離和電氣測(cè)試。通過(guò)組件的標(biāo)準(zhǔn)是嚴(yán)格限制為5 pC的局部放電（PD）測(cè)試。

作為電流的電阻，絕緣是產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)中的重要因素。產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)的基本原理是將存在電擊危險(xiǎn)的電路與其他電路或用戶可能接觸或連接到其他設(shè)備的某些設(shè)備部件分開(kāi)。該電路不僅在正常使用期間而且在故障條件下都必須是安全的。安全性有明顯區(qū)別的兩個(gè)主要絕緣等級(jí)是“基本絕緣”和“加強(qiáng)絕緣”。

基本絕緣
自2004年1月以來(lái)，德國(guó)的光電耦合器VDE 0884安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證已由IEC / EN / DIN EN 60747-5-2取代。此新安全標(biāo)準(zhǔn)直接適用于光隔離設(shè)備。盡管此標(biāo)準(zhǔn)僅專門(mén)適用于光隔離器，但使用其他隔離技術(shù)（例如磁隔離或電容隔離柵）的設(shè)備也已經(jīng)令人驚訝地（甚至可能錯(cuò)誤地）獲得了此光耦合器安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。此識(shí)別僅限于“基本絕緣”。這種絕緣水平可能無(wú)法提供“故障安全操作”。

經(jīng)IEC / EN / DIN EN 60747-5-2認(rèn)證和認(rèn)可并具有“基本絕緣”認(rèn)可的設(shè)備只能提供基本的防觸電保護(hù)。他們不能被認(rèn)為是“故障安全”的。用戶不應(yīng)訪問(wèn)此類設(shè)備。

加強(qiáng)絕緣
所需的絕緣水平在很大程度上取決于故障條件下組件的故障模式?！凹訌?qiáng)絕緣”僅被批準(zhǔn)用于“故障保險(xiǎn)”組件。這意味著“加強(qiáng)絕緣”不僅可以提供防電擊保護(hù)，而且其故障安全設(shè)計(jì)允許用戶觸及。Avago Technologies制造光耦合器已有30多年的歷史，提供從光電晶體管到業(yè)界最快的50MBd光耦合器的廣泛產(chǎn)品。

Avago Technologies在1414 Vpeak時(shí)提供最高的絕緣工作電壓之一。所有Avago Technologies的光耦合器均已通過(guò)組件級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可和認(rèn)可；其中包括UL1577（保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室），CSA（加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）和IEC / EN / DIN EN 60747-5-2。UL和CSA額定值基于一分鐘的瞬時(shí)介電耐壓能力，而IEC / EN / DIN EN額定值則基于連續(xù)工作電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓。

如圖2所示，Avago Technologies的光耦合器為所有光耦合器產(chǎn)品提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了“故障安全”級(jí)別的高壓隔離。

Avago Technologies的光耦合器產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性示例

高壓絕緣的可靠性

光耦合器通常用于存在高電壓的環(huán)境中。盡管已經(jīng)建立了許多安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)來(lái)提供有關(guān)高壓施加的準(zhǔn)則，但是由于對(duì)電氣和熱應(yīng)力的老化和故障機(jī)理了解不足，因此仍存在可靠性方面的顧慮。

最近進(jìn)行了評(píng)估測(cè)試，以確定隔離設(shè)備將隔離柵的一側(cè)成功與另一側(cè)的高電壓隔離的時(shí)間長(zhǎng)度。執(zhí)行該測(cè)試以評(píng)估設(shè)備在高壓性能和絕緣完整性方面的可靠性。由于將2.5 KV和3.75 KV的高電壓（分別在Avago Technologies的數(shù)據(jù)表上指定）分別不斷地施加到競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A器件和Avago Technologies的光耦合器上，因此執(zhí)行的高壓壽命測(cè)試被定義??為破壞性測(cè)試。每小時(shí)監(jiān)視一次設(shè)備的壽命，直到隔離柵被打破，或者直到測(cè)試單元被破壞為止。

隨機(jī)選擇了幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A的磁隔離器零件進(jìn)行測(cè)試。如表1所示，在8.5小時(shí)至10.5小時(shí)之間銷毀了這些裝置。Avago Technologies的光耦合器在3.75 KV的高壓下至少可以維持168小時(shí)。這已通過(guò)我們的可靠性測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。

表1.高壓壽命測(cè)試結(jié)果

靜電放電

高速邏輯電路中組件故障的主要原因之一是靜電放電（ESD）。ESD會(huì)在各種情況下發(fā)生，原因是設(shè)備或電路板處理不當(dāng)，接口設(shè)計(jì)不當(dāng)或其他導(dǎo)致設(shè)備接口上出現(xiàn)大電壓尖峰的現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)備被ESD損壞時(shí)，受影響的設(shè)備可能會(huì)停止運(yùn)行，表現(xiàn)出參數(shù)下降或顯示出較高的故障率。唯一的解決方案是更換損壞的組件。

光耦合器是用于防止ESD問(wèn)題的出色設(shè)備，尤其是在電氣要求苛刻的環(huán)境中將兩個(gè)系統(tǒng)鏈接在一起的情況下。光耦合器允許接地隔離，即使系統(tǒng)可能漂浮在電噪聲環(huán)境中，也可以使系統(tǒng)在自身內(nèi)部保持電中性。這些環(huán)境可以包括電機(jī)控制，開(kāi)關(guān)電源，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療應(yīng)用。

最近進(jìn)行了ESD測(cè)試，以評(píng)估和評(píng)估光學(xué)和磁性技術(shù)的性能。該測(cè)試評(píng)估了ESD脈沖施加到兩種不同技術(shù)的介電材料上的影響。遵循IEC-6100-4-2標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求，從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A的五個(gè)隨機(jī)選擇的磁隔離器中，將ESD脈沖注入到它們的輸入側(cè)，同時(shí)所有引腳在輸入和輸出側(cè)都短路在一起，如圖所示然后在圖4的步驟1中進(jìn)行測(cè)量。然后測(cè)量輸入和輸出之間的電阻（圖4的步驟2），并將結(jié)果列在表2中。

ESD測(cè)試

測(cè)試結(jié)果

如上一節(jié)所述，通過(guò)向來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A的五個(gè)單元的輸入側(cè)注入ESD脈沖來(lái)進(jìn)行測(cè)試。ESD電壓電平從5.5 KV以0.5 KV的步長(zhǎng)增加，直到這些單元發(fā)生故障或擊穿。在測(cè)量輸入和輸出兩端的電阻時(shí)，讀數(shù)接近零歐姆。這暗示被測(cè)設(shè)備短路。然后使用相同的方法測(cè)試了三個(gè)Avago Technologies的光耦合器。結(jié)果表明，Avago Technologies的光耦合器即使在高達(dá)11 KV的ESD電壓水平下也沒(méi)有出現(xiàn)介電故障。在大約11.5 KV的ESD電壓水平下，在光耦合器上確實(shí)發(fā)生了外部電弧，從而阻止了進(jìn)一步的測(cè)試。

表2顯示，在大約10KV的電壓下，競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品A的五個(gè)單元中的三個(gè)單元發(fā)生了介電故障，而另外兩個(gè)單元分別在6.5 KV和8.0 KV甚至更低的ESD電壓水平下發(fā)生了故障。這表明競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A可能比Avago Technologies的光耦合器更容易受到ESD壓力。測(cè)試還表明，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，光耦合器的絕緣能力不受ESD應(yīng)力的影響。

為了調(diào)查被測(cè)部件的故障原因，將設(shè)備拆封。在變壓器IC和驅(qū)動(dòng)器IC上發(fā)現(xiàn)燒傷痕跡（見(jiàn)圖6）。ESD引起“穿通”效應(yīng)，從而損壞了這些磁性設(shè)備。

表2

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A零件上的燒傷痕跡

電磁干擾（EMI）

電磁干擾（EMI）可以定義為任何干擾，破壞或以其他方式干擾授權(quán)電子發(fā)射的電磁干擾，從而限制電子設(shè)備和電氣設(shè)備的有效性能。它可能是有意引發(fā)的，例如某種形式的電子戰(zhàn)，也可能是由于雜散發(fā)射和響應(yīng)，互調(diào)產(chǎn)物，大氣干擾（包括閃電）和地外源（例如黑子）而無(wú)意中引起的。射頻干擾（RFI）是一類特殊的EMI，其中射頻傳輸（通常為窄帶）會(huì)引起設(shè)備運(yùn)行中的意外問(wèn)題。射頻干擾可能來(lái)自多種來(lái)源，例如手機(jī)或電源線，變壓器，醫(yī)療設(shè)備，機(jī)電開(kāi)關(guān)，

EMI有兩種形式：輻射EMI和傳導(dǎo)EMI。輻射EMI是一種干擾，它從一個(gè)源通過(guò)空氣傳播到接收源，而傳導(dǎo)EMI則沿著一個(gè)傳導(dǎo)路徑傳播。兩者都可能導(dǎo)致傳輸有害的電子信號(hào)。這種干擾會(huì)傳播授權(quán)的信號(hào)，通過(guò)更改正常的操作參數(shù)可能會(huì)干擾設(shè)備或設(shè)備的正常運(yùn)行。這些故障通常分為電磁干擾或EMI故障。

解決EMI問(wèn)題是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)懷疑存在電磁干擾時(shí)，解決問(wèn)題的第一步是確定將能量傳輸?shù)绞苡绊懺O(shè)備的機(jī)制：輻射，傳導(dǎo)或感應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)消除根本原因（物理隔離）或通過(guò)保護(hù)故障設(shè)備（例如，通過(guò)在電信區(qū)域進(jìn)行屏蔽）來(lái)限制感應(yīng)能量的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。避免潛在的EMI問(wèn)題的最佳方法是選擇靈敏度較低的器件或免疫器件，通過(guò)優(yōu)化布局以最小化耦合效應(yīng)和適當(dāng)?shù)钠帘巍?/p>

市場(chǎng)上的所有各種隔離器和耦合器均由集成CMOS或雙極性IC組成。耦合單元是當(dāng)今可用的不同技術(shù)之間的主要區(qū)別，可以是光耦合隔離器（光耦合器），磁耦合隔離器（磁耦合器）和電容耦合隔離器（電容耦合器）。在強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下，每種傳感器的行為都不同。盡管已知光耦合器LED /光電二極管組合由于光耦合路徑而不受電磁干擾，但由于其微觀結(jié)構(gòu)和磁耦合，磁隔離器在EMI方面有局限性。電磁耦合器的故障可能發(fā)生在磁場(chǎng)的直流電平（0 Hz）以及不同強(qiáng)度的不同頻率的磁場(chǎng)下。

設(shè)計(jì)人員的主要考慮因素是避免在工業(yè)環(huán)境中或緊鄰電機(jī)控制的應(yīng)用或設(shè)備中使用潛在的EMI問(wèn)題。光電耦合器是最佳選擇，因?yàn)榕c目前市場(chǎng)上所有其他隔離器相比，它們具有出色的EMI性能并且可以承受更高的電磁場(chǎng)。