Особенности сертификации цифровых изоляторов по уровню безопасности

4 февраля 2016

Maxim Integratedстатьяизоляция

Вячеслав Гавриков (Смоленск)

В статье приводится обзор международных стандартов безопасности, используемых для сертификации цифровых изоляторов. На конкретном примере демонстрируется, как использовать технические данные, приведенные в документации, и требования стандартов, чтобы определить оптимальный цифровой изолятор для конкретного приложения.

Перевод: APPLICATION NOTE 5993
Understanding the Safety Certification of Digital Isolators

 

Введение

Цифровые изоляторы обеспечивают гальваническую развязку электрических сигналов и согласование уровней напряжений, что необходимо для нормальной работы различных цепей. Однако не менее важным является и тот факт, что они защищают пользователей от поражения электричеством. В соответствии с существующими стандартами, цифровые изоляторы должны успешно пройти обширный перечень испытаний, чтобы подтвердить уровень обеспечиваемой ими защиты. В статье приводится краткий обзор международных стандартов безопасности, применяемых для сертификации цифровых изоляторов. На примере микросхем семейства MAX1493x показывается, как инженер разработчик должен использовать данные из документации, а также требования стандартов, чтобы определить оптимальный цифровой изолятор для конкретного приложения.

Особенности международной системы стандартизации в сфере безопасности

Международная электротехническая комиссия МЭК (International Electrotechnical Commission, IEC) – организация, которая издает международные стандарты, касающиеся вопросов электрической безопасности [1]. Региональные стандарты издаются местными организациями, такими как UL (США), CSA (Канада), VDE (Германия) и CNCA (Китай). Испытания и сертификация проводятся UL, CSA, VDE и TUV (в Германии), CQC (в Китае) [2].

Стандарты безопасности можно разделить на три группы: для сертификации оборудования; для сертификации компонентов; общие стандарты. Различные методы сертификации, появлявшиеся в течение долгого времени в разных регионах и сферах производства, эволюционировали в огромную россыпь стандартов. Только в последнее время наметился прогресс в деле их упорядочивания и согласования. Если название стандарта содержит несколько префиксов стандартизирующих организаций, это значит, что он соответствует требованием каждой из них. Например, стандарт, имеющий в названии BS EN IEC, соответствует требованиям Британского института стандартов (British Standards Institute, BS), Европейским нормам (European Norms, EN) и МЭК (IEC). Такое согласование весьма медленный процесс, но чрезвычайно важный. До тех пор пока он не завершен, производители компонентов будут вынуждены сертифицировать свою продукцию на соответствие как можно большему числу стандартов, чтобы иметь возможность продавать ее по всему миру.

Стандарты для сертификации оборудования

Стандарты для сертификации оборудования применяются для сборных систем, состоящих из множества компонентов. Эти стандарты рассматривают различные вопросы, включая рейтинг изоляции, влияние условий окружающей среды, надежность электрических проводов и т.д. Например, IEC 61010-1 предъявляет требования к контрольно-измерительным приборам и лабораторному оборудованию. Он рассматривает вопросы стойкости оборудования к воздействию переходных напряжений и задает для них значения параметров изоляции. Этот стандарт не специализируется только на гальванических изоляторах. Более того, термины «гальванический изолятор» или «гальваническая развязка» вообще в нем отсутствуют. Тем не менее, он напрямую относится к изоляторам, так как в нем приведены значения тестовых переходных напряжений и соответствующие им минимально допустимые величины пути утечки и зазоров. Таким образом, присутствующие на рынке изоляторы должны соответствовать требованиям этого стандарта МЭК.

Общие стандарты

Стандарты этой группы содержат описание общих терминов и определений, методов и требований, применяющихся в других документах. Общие стандарты выполняют согласующую роль. Например, IEC 60664-1 «Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах». Еще раз стоит отметить, что и в этом документе отсутствует конкретное упоминание о гальванических изоляторах или гальванической развязке.

Стандарты для сертификации компонентов

Эта группа стандартов применяется для конкретных компонентов, которые могут использоваться в различных приложениях. Эти стандарты определяют перечень необходимых тестов, объем выборок, условия проведения испытаний. В них так же могут быть приведены определения основных понятий и параметров, которые используются в документации. За редким исключением эти стандарты не задают жестких значения параметров. Вместо этого, обычно говорится, что конкретные значения указывает сам производитель в документации на компоненты.

Сертификация компонентов

Будет полезно сделать обзор конкретных нормативных документов, которые играют ключевую роль при сертификации цифровых изоляторов.

UL1577

Стандарт UL1577 разработан для оптронов, но применяется также и для сертификации емкостных и индуктивных изоляторов. Определяемый им рейтинг изоляции зависит только от величины пробивного напряжения и не учитывает значения пути утечки (creepage) и воздушного зазора (clearance). Чтобы пройти сертификацию на соответствие этому стандарту компонент должен выдерживать в течение 1 минуты напряжение изоляции VISO (определяется производителем и обычно составляет 2,5 кВ или 5 кВ среднеквадратичного напряжения). Кроме того, стандарт позволяет при серийном производстве сокращать длительность испытания до 1 с при использовании тестового напряжения 120% от заявленного VISO. Для получения рейтинга одиночной защиты (single protection), компоненты проходят дополнительный тест на перегрузку 150% VISO и тест на температурное старение. Для получения рейтинга удвоенной защиты (double protection) необходимо успешно пройти тест на воздействие 50 разрядов 20 кВ и обязательное секундное испытание на устойчивость к заявленному среднеквадратичному напряжению или напряжению 2,5 кВ (большее из двух).

IEC60747-5 и VDE0884-10

В настоящий момент специализированный стандарт МЭК для индуктивных и емкостных изоляторов (IEC60747-17) все еще находится в стадии разработки. По этой причине сертификация цифровых изоляторов проводится с использованием IEC60747-5 и немецкого стандарта VDE0884-10.

Эти стандарты используют не тест на пробивное напряжение, а тест на частичный разряд. Он подразумевает увеличение напряжение до максимально допустимого переходного напряжения VIOTM в течении 60 с. Далее напряжение снижается до 1,5 × VIORM, где VIORM – заявленное максимальное повторяющееся пиковое напряжение изоляции для импульса 10 с. Если испытательное напряжение имеет синусоидальную форму, то VIORM –  пиковое значение  максимального рабочего напряжения изоляции (ср.кв.). При проведении теста частичного разряда допускается заряд до 5 пК. При серийном производстве время испытания сокращается до 1 с, а испытательное напряжение составляет 1,875 × VIORM. И в этом случае заряд не должен превышать 5 пК.

Чтобы получит рейтинг усиленной изоляции (Reinforced Insulation) в соответствии с VDE0884-10, требуется обеспечить устойчивость к воздействию 10 кВ перенапряжений. Рейтинги изоляции приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Описание рейтингов изоляции

Рейтинг изоляции Описание
Функциональная (Functional) Уровень изоляции обеспечивает нормальную работу оборудования в штатном режиме. Нет защиты от разрядов.
Основная (Basic) Изоляция опасных для жизни частей, обеспечивающая основную защиту от поражения электрическим током.
Дополнительная (Supplementary) Независимая изоляция, дополняющая основную изоляцию и служащая для защиты от поражения электрическим током в случае пробоя основной изоляции.
Двойная (Double) Изоляция, включающая в себя как основную, так и дополнительную изоляцию.
Усиленная (Reinforced) Единая система изоляции опасных для жизни частей, обеспечивающая степень защиты от поражения электрическим током, эквивалентную степени защиты, обеспечиваемой двойной изоляцией

Основная изоляция (Basic Insulation) обеспечивает защиту человека от поражений до тех пор, пока не происходит пробой изоляции. Дополнительная изоляция (Supplementary Insulation) необходима для тех случаев, когда требуется защитить оператора от поражения током даже после пробоя изоляции. Усиленная изоляция (Reinforced Insulation) это одиночная изоляция, которая обеспечивает защиту на уровне двойной изоляции (Double Insulation.).

Сертификация систем и оборудования

Существует группа стандартов МЭК для сертификации безопасности различного оборудования. Вот наиболее часто используемые стандарты для приложений, требующих гальванической развязки:

  • IEC60950-1: для оборудования информационных технологий;
  • IEC61010-1: для контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования;
  • IEC60601-1: для медицинского оборудования.

В дополнение к сертификации функционального типа изоляции, эти стандарты определяют требования к изоляции в соответствии с необходимым уровнем защиты пользователя от поражения. Уровень изоляции назначается с учетом физических размеров (длина пути утечки и зазор), условий внешней среды, и, конечно же, способности устройства выдерживать конкретные значения испытательных напряжений.

Путь утечки и зазор

Путь тока утечки (Creepage) – это кратчайшее расстояние между двумя проводящими частями (например, двумя выводами), проложенное по поверхности диэлектрического корпуса. Зазор (Clearance) – это кратчайшее расстояние между теми же проводящими частями, но по воздуху. При этом зазор не обязательно представляет собой прямую линию. Разница между путем утечки и зазором представлена на рисунке 1.

Рис.1. Путь утечки и зазор для стандартного корпуса полупроводникового компонента

Рис.1. Путь утечки и зазор для стандартного корпуса полупроводникового компонента

Для простых геометрических форм зазор и путь утечки могут совпадать, но, как правило, путь утечки всегда больше, чем зазор. Требуемые значения длины пути утечки могут быть снижены при учете значения сравнительного показателя стойкости к пробою (Comparative Tracking Index, CTI).  CTI выражает зависимость величины пробивного напряжения от свойств диэлектрического материала. Чем больше CTI, тем меньше допускается путь утечки. В таблице 2 приведена классификация материалов по значению CTI.

Таблица 2 – Сравнительный показатель стойкости к пробою (CTI)

Группа материалов Сравнительный показатель стойкости к пробою (Comparative Tracking Index, CTI)
I 600 ≤ CTI
II 400 ≤ CTI < 600
IIIa 175 ≤ CTI < 400
IIIb 100 ≤ CTI < 175

Другим фактором, влияющим на значение пути утечки, является степень загрязнения среды. Большая степень загрязнения, приводит к увеличению требуемого пути утечки. Классификация степеней загрязнения приведена в таблице 3.

Таблица 3 – Классификация степеней загрязнения

Степени загрязнения Описание условия
Степень загрязнения 1 (Pollution Degree 1) загрязнения нет или присутствует только сухое непроводящее загрязнение.
Степень загрязнения 2 (Pollution Degree 2) присутствует только непроводящее загрязнение, которое может временно стать проводящим из-за возможной конденсации
Степень загрязнения 3 (Pollution Degree 3) локальная окружающая среда внутри оборудования подвергается проводящему загрязнению или сухому непроводящему загрязнению, которое может стать проводящим из-за ожидаемой конденсации
Степень загрязнения 4 (Pollution Degree 4) проводящее загрязнение

Степень загрязнения и максимальное рабочее напряжение, при котором система будет работать, определяют требования к длине пути утечки при сертификации в соответствии со стандартами МЭК, указанными выше. Например, в таблице 4 приведены минимальные значения пути утечки в миллиметрах согласно IEC60950-1.

Таблица 4 – Минимальные значение пути утечки для основной изоляции в мм согласно IEC609501-1

Рабочее напряжение (постоянное или ср.кв.) Степень загрязнения 1 Степень загрязнения 2 Степень загрязнения 3
Группы материалов I, II, IIIa, IIIb Материалы группы I Материалы группы II Материалы групп IIIa, IIIb Материалы группы I Материалы группы II Материалы групп IIIa, IIIb
50 0,18 0,6 0,85 1,2 1,5 1,7 1,9
100 0,25 0,71 1 1,4 1,8 2 2,2
200 0,42 1 1,4 2 2,5 2,8 3,2
250 0,56 1,25 1,8 2,5 3,3 3,6 4
400 1 2 2,8 4 5 5,6 6,3
500 1,3 2,5 3,6 5 6,3 7,1 8

Величины, приведенные в таблице 4, относятся к испытаниям при сертификации на получение рейтинга основной изоляции. Значения пути утечки для усиленной изоляции в два раза выше, чем в таблице 4.

IEC60950-1 также устанавливает значения напряжений для проведения испытаний на электрическую прочность (длительность 60 с). Величина тестового напряжения зависит от рейтинга изоляции (функциональная, основная, дополнительная, усиленная). В таблице 5 приведены значения испытательных напряжений для устройств второй категории по стойкости к перенапряжениям (портативное оборудование с питанием от бытовых розеток).

Таблица 5 – Напряжения для испытания электрической прочности

Тип изоляции Рабочее напряжение U (пиковое значение или напряжение постоянного тока), В
≤ 210 210 < U ≤ 410 410 < U ≤ 1410
Испытательное напряжение (среднеквадратичное значение переменного тока), В
Основная 1,000 1,500 2,814
Усиленная 2,000 3,000 3,000

Использование данных в приложениях

Для сертифицированных компонентов  в документации должны быть приведены минимальные значения пути утечки и/или зазора. В качестве примера рассмотрим конкретный случай.

Задача стоит следующим образом: необходимо выбрать изолятор для работы в составе  телекоммуникационного оборудования с питанием от сетевого напряжения 220 В. Рассматриваются два изолятора, которые отличаются друг от друга корпусным исполнением: Narrow-SO и Wide-SO. Требуется определить, какой из компонентов будет оптимальным выбором для этого приложения.

Из таблицы 4 можно определить значение пути утечки. Исходные данные: изоляционный материал группы III, рабочее среднеквадратичное напряжение до 250 В ср.кв., степень загрязнения 3, усиленная изоляция. Путь тока утечки составит 8,0 мм или 6,4 мм для материалов группы I.

Корпус Wide-SO отвечает обоим требованиям. Если же предполагается использование Narrow-SO, то плату потребуется покрыть дополнительным защитным слоем. Кроме того, в соответствии с таблицей 5, устройство должно пройти испытания при тестовом воздействии напряжения 3 кВ для усиленной изоляции.

Таблица 6. Характеристики цифровых изоляторов от Maxim Integrated

Наимено-вание Число каналов Однонаправленные каналы Двунаправленные каналы Рейтинг напря-жения изоляции, В Uпит, В Траб, °C Корпус
Число каналов на стороне A Число каналов на стороне B Задержка сигнала (тип.), нс Частота передачи данных, Мбит/с Число каналов Задер-жка сигнала, нс Частота передачи данных, Мбит/с
MAX14930 4 4 0 38/21/5 1/25/150 0 2750 VRMS 1,71…5,5 -40…125 SOIC16-W, SOIC16-N
MAX14931 4 3 1 2750 VRMS
MAX14932 4 2 2 2750 VRMS
MAX14934 4 4 0 38/21/5 1/25/150 0 5000 VRMS 1,71…5,5 SOIC16-W
MAX14935 4 3 1 5000 VRMS
MAX14936 4 2 2 5000 VRMS
MAX14842 6 2 2 30 30 2 100 2 72 VDC 3,0…5,5 TQFN16
MAX14850 6 2 2 30 50 2 100 2 600 VRMS 3,0…5,5 QSOP16 SOIC16-N

 

Заключение

Гальваническая развязка необходима не только для правильной работы электрических схем, но и для обеспечения требуемой защиты от поражения электрическим током. Разработчики зачастую оказываются в замешательстве от количества существующих международных и региональных стандартов. До тех пор пока не будет опубликованы специализированные стандарты МЭК для цифровых изоляторов, главную роль при сертификации этих компонентов будут играть стандарты UL1577, IEC60747-5, VDE0884-10. Кроме того, в зависимости от конечного приложения потребуется дополнительная сертификация на соответствие требованиям стандартов для оборудования  IEC60950-1, IEC61010-1 и IEC60601-1.

 

Литература

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее