avago 光耦（光耦合器应用）

如果工业自动化公司遇到生产线中断，在尝试解决问题并使生产线重新运行时可能会花费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。这些值得关注的领域需要在初始设计阶段进行检查，而不是在制造设备开发和建造之后进行检查。

工厂车间的恶劣环境会产生与办公环境无关的问题。随着以太网集成到工业自动化中的出现，接收端数据采集的严格要求在现场总线和设备层面变得越来越重要。

光耦合器广泛应用于工业网络系统中，用途广泛。它们允许电路和高度不同的电压电平作为一个系统一起工作并耦合，同时保持电气隔离或彼此电气隔离。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和输出系统、传感器和温度控制系统、电源和调节系统、电机控制和驱动系统、仪器仪表和医疗系统。

本白皮书讨论了构建安全、稳健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薄膜或电介质组成。当电流驱动LED 时，它会发光并通过介电耦合到光电探测器。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电压或快速变化的电压损坏另一侧的组件或使传输失真。这是通过光学传输所需信号同时保持两个系统之间的电气隔离来实现的。

Avago Technologies 光耦合器横截面积

电路设计人员在设计应用时可能会遇到三个与隔离相关的问题：

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导致电击，从而可能危及人类生命。它们通常是两个电路或系统之间短暂而强烈的浪涌。

接地环路电流：这些是不同接地电位互连之间的不需要的信号，可能会导致破坏性的接地环路。它们通常出现在通信网络中，其中各个连接节点处有不同的接地点。这些地之间的电位差可以是交流电（AC）或直流电（DC），并且在该通信系统中可以发现噪声分量的各种组合。如果电势足够大，可能会损坏设备（例如通信端口）、导致传输错误或降低数据信号。长时间暴露会导致电路板升温和燃烧，损坏元件并引起电击，其中一些可能对人类致命。

高压电平转换：随着数字IC 转向更低的工作电压，对将敏感电子设备与高功率电子设备分开的设备的需求不断增长。为了确保可靠的信息交换并防止不同接地参考电压之间的电流流动，需要隔离。例如，在电机控制应用中，电机的电子系统由两级组成：低压控制器和功率模块。在这样的系统中，保护和隔离两级免受开关瞬态和共模电压波动的影响非常重要。同时，必须为接口控制和反馈电路提供电平转换和信号隔离。

隔离装置的安全标准

发布国际安全标准是为了确保设备和产品的使用符合基本的安全标准——不仅针对设备，也针对操作人员。这些标准重点关注电击、机械危险和火灾以及电磁干扰等领域的公共安全。在系统和组件级别、跨地域和各种设备应用程序中有许多隔离安全标准。在工业市场，系统级安全标准是全球或国际标准的IEC 604（国际电工委员会）、美国的UL508（保险实验室）和欧洲的EN 50178。在光耦合器的元件层面，国际标准安全标准是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，光耦合器组件要经过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在5 pC 的局部放电(PD) 测试。

作为电流的电阻器，绝缘是产品安全设计中的一个重要因素。产品安全设计的基本原则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设备的某些部分分开。电路不仅在正常使用期间而且在故障情况下都必须安全。安全性差异明显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月起，光耦合器的德国VDE 0884安全标准认证已被IEC/EN/DIN EN 60747-5-2取代。这一新的安全标准直接适用于光隔离设备。尽管该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）的设备却出人意料地（甚至可能是错误的）通过了该光耦合器安全标准的认证。该标识仅限于“基本绝缘”。这种绝缘水平可能无法提供“故障安全操作”。

根据IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 认证和批准并具有“基本绝缘”批准的设备只能提供基本的防电击保护。它们不能被视为“自动防故障”。用户不应访问此类设备。

强化绝缘

所需的绝缘水平很大程度上取决于故障条件下组件的故障模式。 “强化绝缘”仅批准用于“故障安全”组件。这意味着“强化绝缘”不仅可以提供防触电保护，而且其故障安全设计还允许用户访问。 Avago Technologies 生产光耦合器已有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 提供1414 Vpeak 的最高隔离工作电压之一。 Avago Technologies 的所有光耦合器均经过组件级安全标准的批准和认证；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 评级基于一分钟瞬时介电耐受电压能力，而IEC/EN/DIN EN 评级基于连续工作电压和瞬态过电压。

如图2 所示，Avago Technologies 的光耦合器在所有光耦合器产品随附的数据表中提供了“故障安全”级别的高压隔离。

Avago Technologies 光耦合器产品符合标准的示例

高压绝缘可靠性

光耦合器通常用于存在高电压的环境中。尽管已经制定了许多安全标准法规来提供有关高电压应用的指南，但由于对电应力和热应力引起的老化和故障机制了解不够，可靠性问题仍然存在。

最近进行了评估测试，以确定隔离装置成功地将隔离栅的一侧与另一侧的高压隔离的时间长度。进行该测试是为了评估设备在高压性能和绝缘完整性方面的可靠性。执行的高压寿命测试被定义为破坏性测试。每小时监控设备的寿命，直到突破隔离屏障或直到突破测试单元。

随机选择了竞争对手A 的几个磁隔离器部件进行测试。如表1 所示，这些设备在8.5 小时到10.5 小时之间被破坏。 Avago Technologies 的光耦合器可以在3.75 KV 的高电压下持续至少168 小时。这已通过我们的可靠性测试过程得到验证。

表1. 高压寿命测试结果

静电放电

高速逻辑电路中元件故障的主要原因之一是静电放电(ESD)。由于器件或电路板处理不当、接口设计不当或其他导致器件接口出现大电压尖峰的现象，ESD 可能在多种情况下发生。当设备被ESD 损坏时，受影响的设备可能会停止运行、表现出参数下降或表现出高故障率。唯一的解决办法是更换损坏的部件。

光耦合器是防止ESD 问题的优秀器件，尤其是在电力要求较高的环境中将两个系统连接在一起时。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，也允许系统内部保持电中性。这些环境包括电机控制、开关电源、工业网络和医疗应用。

最近进行了ESD 测试，以评估和评价光学和磁技术的性能。该测试评估两种不同技术应用于介电材料的ESD 脉冲的影响。按照IEC-6100-4-2标准的测试要求，随机选择竞争对手A的5个磁隔离器的输入侧注入ESD脉冲，同时将输入侧和输出侧的所有引脚都短路。一起如图所示进行测量，然后按照图4 的步骤1 进行测量。然后测量输入和输出之间的电阻（图4 的步骤2）并将结果列于表2 中。

静电放电测试

检测结果

如上一节所述，测试是通过将ESD 脉冲注入竞争对手A 的5 个单元的输入侧来进行的。ESD 电压电平从5.5 KV 以0.5 KV 的步长增加，直到单元失效或击穿。测量输入和输出之间的电阻时，读数接近零欧姆。这意味着被测设备存在短路。然后使用相同的方法测试了Avago Technologies 的三个光耦合器。结果表明，即使在高达11 KV 的ESD 电压水平下，Avago Technologies 的光耦合器也不会出现介电故障。在大约11.5 KV 的ESD 电压水平下，光耦合器处确实出现了外部电弧，从而阻止了进一步的测试。

表2 显示，竞争对手A 的5 台设备中的3 台经历了大约10 KV 的介电故障，而另外两台设备则经历了更低的ESD 电压水平，分别为6.5 KV 和8.0 KV。发生故障。这表明竞争对手A 可能比Avago Technologies 的光耦合器更容易受到ESD 应力的影响。测试还表明，在整个测试过程中，光耦合器的绝缘能力并未受到ESD 应力的影响。

为了调查被测部件失效的原因，对设备进行拆箱。变压器IC和驱动IC上发现烧痕（见图6）。 ESD 会导致“击穿”效应，从而损坏这些磁性设备。

表2

竞争对手A 零件上有烧痕

电磁干扰（EMI）

电磁干扰(EMI) 可以定义为破坏、破坏或以其他方式干扰授权电子发射，从而限制电子和电气设备的有效性能的任何电磁干扰。它可能是有意引起的，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、大气扰动（包括闪电）和地外来源（例如太阳黑子）而无意引起的。射频干扰(RFI) 是一种特殊类型的EMI，其中射频传输（通常是窄带）会导致设备运行出现意外问题。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 是通过空气从源传播到接收源的干扰，而传导EMI 则沿着导电路径传播。两者都会导致有害电子信号的传输。这种干扰传播授权信号，并可能通过改变正常操作参数来干扰装置或设备的正常运行。这些故障通常被归类为电磁干扰或EMI故障。

解决EMI 问题是一项挑战。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。通过消除根本原因（物理隔离）或通过保护故障设备（例如，通过电信区域的屏蔽）来限制感应能量的量，可以实现改进。避免潜在EMI 问题的最佳方法是选择不太敏感或免疫器件，通过优化布局最大限度地减少耦合效应和适当的屏蔽。

市场上所有各种隔离器和耦合器均由集成CMOS 或双极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）。每种类型的传感器在强电磁场的影响下表现不同。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会受到电磁干扰，但磁隔离器由于其微观结构和磁耦合而在EMI 方面存在局限性。电磁耦合器的故障可能发生在直流磁场(0 Hz) 以及不同频率、不同强度的磁场下。

设计人员的一个主要考虑因素是避免在工业环境或靠近电机控制的应用或设备中使用时潜在的EMI 问题。光耦合器是最佳选择，因为它们具有出色的EMI 性能，并且能够承受比目前市场上所有其他隔离器更高的电磁场。