使用電流隔離器可提升高電壓工業應用的安全性與可靠性

許多工業自動化系統，特別是製造設施使用的系統，需要介接使用數百至數千伏特的高電壓設備。通常會使用半導體型隔離器將此類高電壓與絕大多數控制系統使用，且降低不少的 5 V 數位邏輯電壓隔離。例如，單封裝的雙晶粒光隔離器對於高暫態電壓有更高的抵抗力且不受週遭磁場影響，因而廣泛用於此用途。但是，設計人員需要的技術須在時間與極端溫度範圍內具備更高的穩定性，而且要有更低的製造複雜度。

本文將說明使用單封裝電流隔離器的原因及方法，以便安全隔離現代工業、醫療以及電動車 (EV) 系統使用的高電壓。然後會介紹 Texas Instruments 針對高電壓、高可靠性系統而設計的兩款矽基型電流隔離器，並探討如何在電路板上正確放置此類隔離器，以安全地將高電壓與可編程邏輯控制器 (PLC) 及人機介面所使用的數位邏輯隔離。

為何要隔離高電壓與低電壓？

許多工業系統都是透過 PLC、電腦或人機介面 (HMI) 來控制。這些控制系統使用 5 V 或更低的標準數位控制電壓進行運作。介接這些系統來管理 120 V 或更高的高電壓時，將低數位電壓與高電壓設備進行實體分離及電氣隔離至關重要。此外，電源轉換器、DC/DC 轉換器與電動車 (EV)，也需要謹慎地將數位控制電壓與系統可能使用的高達數千伏電壓分離。

雖然功率電晶體可以輕鬆地處理這些應用，但並非如此安全。在這些應用中，電晶體會在同一塊半導體基板上提供數位與高電壓控制。當功率電晶體發生故障或物理損壞時，會迅速產生數千伏特電壓並注入到數位邏輯中。不僅會破壞控制設備，也會讓使用者面臨危險。

光學隔離一直以來都是對高低電壓系統進行實體分離及電氣隔離的首選方法。典型的單封裝雙晶粒光隔離器會在一顆晶粒上裝設 LED，而 LED 發出的光線 (通常是紅外線) 會穿過透明的隔離屏障，照向第二顆晶粒上的光電二極體接收器。光電二極體會將此光線轉換成低電壓訊號，用於控制高電壓電路。

為了讓光隔離器安全地控制數千伏特的電壓，LED 晶粒與光電二極體晶粒都會裝在透明的隔離屏障內，且屏障材質能夠承受光隔離器的額定電壓。

光隔離器可抵抗暫態電子雜訊，並且完全不受週遭磁場的影響，因此是高電壓馬達控制應用的首選。高負載應用的光隔離器可以承受 10,000 V 或更高的超高突波電壓。

但是，光隔離器在超高溫情況下的表現卻不佳。此外，光隔離器中的 LED 也會隨著時間而退化。而且，光隔離器也屬於雙晶粒元件，相較於單晶粒半導體，製程更為複雜。

電流隔離

在可能出現極端溫度且以使用壽命為優先考量的應用中，可以使用單封裝電流隔離器。光學隔離會透過 LED 和光電二極體來分離兩個電路，電流隔離則會透過採用二氧化矽 (SiO₂) 型電容或電感的電荷耦合元件，對兩個電路進行電氣分離。隔離的有效性取決於 SiO₂ 介電質。

電流隔離器是高速、長使用壽命的元件，可輕鬆介接大多數微控制器。最新推出的產品已經過測試，可承受高達 6,000 V 的電壓，且工作溫度高達 150°C，壽命超過 35 年。這不僅能提升整體系統的安全性和可靠性，還可減少維護成本。

例如，Texas Instruments 的 ISO7762FDWR 六通道一般用途數位隔離器可承受高達 5,000 V_RMS，並具有 12,800 V 的絕緣突波電壓 (圖 1)。ISO7762 有兩種選項：ISO7762F 提供輸出引腳 OUT[A:F]，其預設輸出邏輯為低位準；而沒有尾碼 F 的選項，其預設輸出邏輯狀態為邏輯高位準。

圖 1：Texas Instruments 的 ISO7762F 是六通道電流隔離器，其中四個為順向通道，兩個為逆向通道。(圖片來源：Texas Instruments)

ISO7762F 有兩個電源域：一個在左邊，一個在右邊；兩者以 SiO₂ 隔離層進行電氣與實體分離。每個電源域都有各自獨立的電源引腳與接地引腳。

此元件有四個順向通道和兩個逆向通道。兩個逆向通道 (輸入 E 及 F) 可將高電壓系統的資訊傳送至數位控制系統，同時仍可維持這兩個電源域的安全隔離。以任一方向傳送的數據可以是簡單的數位開／關數據，也可以是透過 UART 或雙線式 I²C 傳送的序列數據。

ISO7762F 會在各個通道上使用兩個串聯的 SiO₂ 電容來分離兩個電壓域。數位數據會透過開關鍵控 (OOK) 調變來傳送；其中，在任何輸入 IN[A:F] 上的邏輯 1 代表經電容傳送至另一電源域的 AC 訊號，而邏輯 0 則代表 0 V。在對應 OUT[A:F] 上的數據則會反映輸入引腳的邏輯狀態。電容中的 SiO₂ 介電質會將兩個電源域分隔，以安全地對高電壓控制電子元件和數位控制系統進行隔離。

ISO7762F 的設計人員會注重高隔離電阻，以達到最高安全性。25°C 時的隔離電阻額定值大於 1 TΩ；150°C 時的 ISO7762F 隔離電阻值大於 1 GΩ。從這個角度看，此電阻值高於 ISO7762F 周遭環境空氣的電阻值。

Texas Instruments 的 ISO7762F 額定使用壽命至少 37 年，但電流隔離絕緣層的額定壽命則長達 135 年以上。雖然通常不需保證設備在這段時間內正常運作，但這些數字可顯露元件的可靠性與耐用性。

若想承受更高的電壓，不妨使用 Texas Instruments 的 ISO7821LLSDWWR 雙通道差動隔離緩衝器，其額定值為 5700 V_RMS 且隔離突波電壓為 12,800 V (圖 2)。此元件的兩個通道為相反方向。每個通道都是一個差動對發射器，可用於低電壓差動訊號 (LVDS) 數據通訊，且速度高達 150 Mbps。

圖 2：Texas Instruments 的 ISO7821LLS 數位隔離器有兩個方向相反的差動通道。每個輸出緩衝器都有一個輸出致能，可停用輸出並進入高阻抗狀態。(圖片來源：Texas Instruments)

ISO7821LLS 使用了與 ISO7762F 一樣的電流隔離用 SiO₂，只不過 ISO7821LLS 的每個通道使用一個電容，而不是在每個通道上使用兩個串聯電容。此外，此元件還使用同樣的 OOK 調變，在 SiO₂ 電容之間傳輸數位數據。

ISO7821LLS 電流隔離驅動器，可透過工業級纜線傳輸 LVDS 數據，如 Belden 的 88723-002500 兩對雙絞線纜線 (重負荷型)。這是一款高品質的工業纜線，在紅色護套內含有兩對 22 AWG 雙絞線，不僅適合室內外使用，甚至可埋在地下。此纜線可承受 -70°C 至 +200°C 的極端工作溫度，因而非常適合用於嚴苛的高電壓工業應用，例如在極熱或極冷環境中的太陽能逆變器。控制單元可透過 Belden 纜線，將 LVDS 控制數據雙向傳輸至太陽能逆變器箱內的 ISO7821LLS。逆變器箱故障而引發的任何高電壓突波，都會在隔離器停止，進而保護低電壓控制單元，以及該單元周遭的所有操作人員。

Texas Instruments 的 ISO7821LLS 的兩個輸出都有獨立的致能引腳，可將其置於高阻抗狀態即可停用各自的輸出。當此元件位於有多個驅動器的 LVDS 匯流排上，且需要將匯流排讓給另一個匯流排主控裝置時，此設計就能派上用場。此產品適用於需要由不同位置的多個控制單元操作高電壓設備的工作環境。

為了協助設計人員評估 ISO7821LLS，Texas Instruments 推出 ISO7821LLSEVM 評估板 (圖 3)。此評估板僅需很少的外接元件，不僅能用來評估 ISO7821LLS 的行為與效能，還可針對測試與基準測試用途監測 LVDS 匯流排通訊。

圖 3：Texas Instruments 的 ISO7821LLSEVM 評估模組可用於測試和評估 ISO7821LLS 雙通道差動隔離緩衝器的 LVDS 數據通訊效能。(圖片來源：Texas Instruments)

由於每個高電壓應用都是不同的，因此 ISO7821LLSEVM 不適用於測試 ISO7821LLS 的高電壓隔離行為。

電流隔離器佈局

高電壓電流隔離器必須非常謹慎地佈局，才能確保隔離的有效性。若要達到低 EMI 的 PC 電路板設計，則適用標準的佈局規則，即使用至少四層的 PC 電路板、頂端採用高速走線，底下為實心接地層，再下面為電源層。速度較慢的控制訊號則應位於底層。

在 PC 電路板上將低電壓和高電壓元件實體分離至為重要。為達此目的，本文討論的隔離器使用獨立的電源域，分別位於封裝的左側和右側。此外，為了避免訊號干擾，一個域的走線不得靠近另一個域的走線。

如果隔離器位於高電壓區域，較安全的隔離器擺放方式是把低壓側面向 PC 電路板的邊緣。這有助於預防任何高電壓對低電壓側產生電弧效應，以免對隔離器另一端的任何低電壓電子元件造成嚴重損壞。

結論

工業設備會使用數千伏特的電壓，因此元件必須能安全地將這些高電壓與 5 V 或更低的數位控制邏輯隔離，進而保護設備及使用者的安全。基於工業設備的本質，此隔離效果須在長時間的極端溫度變化下保持穩定和可靠。

如本文所述，以電流隔離為基礎的數位隔離器，具有適合此類應用的隔離特性及工作溫度規格。只需適當注意佈局和配置，即可預防受損或受傷。