在工業(yè)自動化企業(yè)中，無論出現(xiàn)的問題是大是小，經(jīng)常都會使自動化生產(chǎn)系統(tǒng)停工。而停工又可能導(dǎo)致了數(shù)百萬美元和機會成本的損失，為了讓系統(tǒng)重新開始運轉(zhuǎn)，還需要投入額外的資源和資金。這些停機的情況有時實際上是由于最初設(shè)計考慮不周造成的，因為忽略了電磁干擾、高壓電涌、甚至安全標(biāo)準(zhǔn)等方面的因素。

隨著以太網(wǎng)的發(fā)展及其在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用日漸廣泛，硬件也經(jīng)歷著變革，從曾經(jīng)的適用于辦公配置硬件，到用于生產(chǎn)廠區(qū)的結(jié)實耐用的硬件，這一轉(zhuǎn)變無疑將帶來巨大的挑戰(zhàn)。將這些硬件從Fieldbus和設(shè)備級集成到以太網(wǎng)集成中，接收端搜集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性比以往任何時候都要重要的多。

出于很多原因，光電耦合器在工業(yè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，利用光電耦合器，可以使工作于不同電壓電平的各個電路作為一個系統(tǒng)一起協(xié)作，并同時保持彼此間的電氣隔離或電流隔離。還可將光電耦合器用于確保數(shù)據(jù)無錯誤傳輸、保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性以及保護相互連接的設(shè)備以進行高速數(shù)據(jù)Fieldbus通信。光電耦合器在工業(yè)通信方面的應(yīng)用包括輸入/輸出系統(tǒng)、感應(yīng)器、溫度控制系統(tǒng)、電源、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電動機控制、驅(qū)動系統(tǒng)、儀器儀表以及醫(yī)藥系統(tǒng)。本文將討論在構(gòu)建安全穩(wěn)定的工業(yè)系統(tǒng)時必須引起注意的一些重要因素。

一、光電耦合器基礎(chǔ)

基本的光電耦合器由發(fā)光二極管(LED)、光電探測器和光學(xué)透明的電絕緣薄膜或電介質(zhì)組成。有電流通過LED時，它會發(fā)光，然后發(fā)出的光將通過電介質(zhì)耦合到光電探測器。光電探測器隨即會產(chǎn)生與耦合光相稱的電流�？梢酝ㄟ^使用各種電路對此電流進行操作，從而執(zhí)行特定功能。光電耦合器的主要功能是防止電路一側(cè)出現(xiàn)的高壓或電壓頻繁波動對另一側(cè)的組件造成損壞或使傳輸失真。這是通過以光的形式傳遞所需的信號來實現(xiàn)的，而在此過程中兩個系統(tǒng)間將保持電隔離。

電路設(shè)計者在設(shè)計其應(yīng)用時，通常會遇到三種與隔離相關(guān)的問題：
• 電壓瞬變：指潛在的高電流或電壓涌動，會引起電擊從而損壞組件且可能危及人身安全。通常是發(fā)生在兩個電路或系統(tǒng)間的短暫且強大的電涌。
• 接地環(huán)路電流：指存在于不同接地電位的互連點間的多余信號，會造成破壞性的接地環(huán)路。此類情況經(jīng)常出現(xiàn)在各種連接節(jié)點處具有不同接地的通信網(wǎng)絡(luò)中。這些接地間的電勢差可以是交流電壓(ac)或直流電壓(dc)，且反映該通信系統(tǒng)中的各種干擾成分的雜合。如果電壓足夠大，則可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞（如通信端口）、傳輸錯誤或數(shù)據(jù)信號畸變。長期下去，可能會引起電路板發(fā)熱甚至燒壞電路板，從而損壞組件和引起電擊，某些情況下還會對人體造成潛在的致命威脅。
• 高壓電平移位：隨著數(shù)字IC的操作電壓越來越低，將設(shè)備的敏感電子組件與高壓電子組件分開的需求日益增長。為了確保信息交換的可靠性，防止在不同接地參考電壓間形成電流，需要使用隔離技術(shù)。例如，在電機控制應(yīng)用中，電機的電氣系統(tǒng)由兩部分組成，即低壓控制器和動力模塊。在這樣的系統(tǒng)內(nèi)部，保護這兩部分并使其免受切換瞬變和公用模塊電壓波動的影響至關(guān)重要。同時，還有必要提供接口控制和反饋回路的電平轉(zhuǎn)換和信號隔離。

二、選擇光電耦合器

1、隔離設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)

為確保安全設(shè)備與產(chǎn)品的一致性，已發(fā)布了國際安全標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)意在保護電擊、機械傷害、火災(zāi)和電磁干擾等諸多環(huán)境下的公眾的人身安全。

在系統(tǒng)級和組件級也有許多隔離安全標(biāo)準(zhǔn)，其適用性因地域和各種設(shè)備應(yīng)用的不同而存在一定的差異。在工業(yè)市場，系統(tǒng)級安全標(biāo)準(zhǔn)包括作為全球標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的IEC 6043（國際電工技術(shù)委員會）和適用于美國的UL5084（美國保險商實驗所）及在歐洲適用的EN 501785（歐盟）。組件級適合光電耦合器的安全標(biāo)準(zhǔn)包括IEC 60747-5-2（全球適用）、UL 1577（適用于美國）以及EN 60747-5-2（適用于歐洲）。

為了進一步發(fā)展和完善光電耦合器標(biāo)準(zhǔn)，國際電工技術(shù)委員會(IEC)將不斷對其標(biāo)準(zhǔn)進行修繕，以使其成為更為通用的標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得IEC 60747-5-2認(rèn)證，光電耦合器組件接受了大量特殊且嚴(yán)格的鑒定測試，包括環(huán)境測試、機械測試、隔離測試及電氣測試。組件通過測試的條件是通過上限嚴(yán)格控制在5pC內(nèi)的局部放電測試。

絕緣性被定義為材料可以抵抗電流直至組件被擊穿的特性。因此，絕緣性是產(chǎn)品安全設(shè)計方面需考慮的一個重要因素。產(chǎn)品安全設(shè)計最基本的原則是電路隔離，將可能被其它電路電擊破壞的電路隔離開，或者將用戶可能接觸或連接到其它設(shè)備的特定部分隔離開。電路必須是安全的，不僅是在正常使用時如此，在出現(xiàn)故障的情況下也應(yīng)同樣安全。兩種主要的絕緣級別為“基本絕緣6”和“加強絕緣7”，其安全性方面存在著明顯的差別。

（1）基本絕緣
自2004年1月起，德國光電耦合器安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范VDE 0884由IEC/EN/DIN EN 60747-5-28取代，此安全標(biāo)準(zhǔn)直接適用于光隔離設(shè)備。盡管此標(biāo)準(zhǔn)僅適用于光隔離器，但使用其它隔離技術(shù)的設(shè)備（如磁隔離柵或電容隔離柵）仍意外甚至錯誤地得到了光電耦合器安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。不過，這些產(chǎn)品的認(rèn)證僅限于“基本絕緣”，這種絕緣級別不可能提供“故障安全運行”。

這意味著經(jīng)IEC/EN/DIN EN 60747-5-2鑒定和認(rèn)證的符合“基本絕緣”的設(shè)備僅提供抗電擊的基本防護。無法將其視為“故障保護9”，因此不應(yīng)將這種設(shè)備提供給用戶。我們的一個競爭對手提供一種使用單片集成電路空心變壓器的隔離技術(shù)，他們的絕緣特性數(shù)據(jù)表的腳注中有這樣一句話：“此隔離器僅適用于基本電氣隔離……”。由于此技術(shù)不是符合IEC/EN/DIN EN60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)的光隔離技術(shù)，因此鑒定機構(gòu)將其鑒定和認(rèn)證為僅適用于“基本電氣隔離”。如前所述，從定義而言，基本絕緣在單一故障情況下易出現(xiàn)故障或短路。

（2）加強絕緣
所需的絕緣水平在很大程度上依賴于組件的故障情況下的故障模式。僅具有“故障保護”的組件才能獲得“加強絕緣”的認(rèn)證。這意味著“加強絕緣”不僅提供抗電擊保護，而且采用實現(xiàn)用戶可及性的“故障保護”設(shè)計。

安華高科技科技具有超過30年的光電耦合器制造經(jīng)驗，是產(chǎn)品種類最為繁多的廠家之一，產(chǎn)品包括從光電晶體管到業(yè)界最快的光電耦合器(50MBd)。我們是一流的供應(yīng)商之一，提供的產(chǎn)品的最高絕緣工作電壓為1414Vpeak。安華高科技的所有光電耦合器都得到了組件級安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證和認(rèn)可，這些標(biāo)準(zhǔn)包括UL1577（美國保險商實驗所）、CSA（加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）和IEC/EN/DIN EN 60747-5-2（國際電工技術(shù)委員會、歐盟、德國國家標(biāo)準(zhǔn)）。UL和CSA的等級測定基于一分鐘內(nèi)的短期電介質(zhì)電壓承受能力，而IEC/EN/DIN EN的等級測定則基于持續(xù)工作電壓和瞬時過電壓。

2、高壓絕緣的可靠性

光電耦合器經(jīng)常在存在高壓的環(huán)境下使用。盡管制定了很多安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將其作為使用高壓的行業(yè)提供指導(dǎo)方針，但由于對電應(yīng)力和熱應(yīng)力導(dǎo)致老化和出現(xiàn)故障的機制不甚了解，人們對此類絕緣體的主要問題就是不能確定其可靠性。

最近進行的評估測試可以確定隔離設(shè)備的持續(xù)工作時間，在這段時間內(nèi)，可以成功將其隔離柵的一側(cè)與另一側(cè)上的高壓進行隔離。進行此測試，目的是為了評估在高壓環(huán)境中設(shè)備的可靠性和絕緣完整性。高壓有效工作時長測試是破壞性測試，我們給競爭對手的(A)設(shè)備所加電壓為2.5KV穩(wěn)定電壓，而對安華高科技的光電耦合器則按照數(shù)據(jù)表中的規(guī)范參數(shù)施加3.75KV的電壓。之后監(jiān)視這些單元的有效工作時長（按小時計），直到隔離柵失效或測試設(shè)備損壞為止。

3、靜電放電

在高速邏輯電路中，導(dǎo)致組件故障的主要原因之一就是靜電放電(ESD)。各種情況下都會出現(xiàn)靜電放電，設(shè)備或電路板處理不當(dāng)、接口設(shè)計不合理或閃電或其它會導(dǎo)致設(shè)備接口出現(xiàn)大范圍電壓擊穿的現(xiàn)象等都會引起靜電放電。設(shè)備被靜電放電損壞時，受影響的設(shè)備可能會停止工作、出現(xiàn)參數(shù)畸變或故障率升高。唯一修復(fù)的辦法就是更換損壞的組件。

光電耦合器能非常有效地防止靜電放電問題，特別是在易遭受電氣損壞的環(huán)境中將兩套系統(tǒng)連接起來的情況下，光電耦合器的表現(xiàn)非常出眾。光電耦合器可以實現(xiàn)隔離，這樣，即使系統(tǒng)在電氣干擾嚴(yán)重的環(huán)境中使用，它們還是可以在自身內(nèi)實現(xiàn)電中性。此類領(lǐng)域包括電機控制、電源切換、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)藥應(yīng)用。

最近進行了ESD測試，以評估光學(xué)技術(shù)和磁技術(shù)的性能。該測試評估了ESD脈沖對兩種不同技術(shù)的介電材料的影響。按照IEC-6100-4-2標(biāo)準(zhǔn)的測試要求，隨機選取了競爭對手(A)的五個部件樣本作為測試單元，在其輸入端注入ESD脈沖，并同時分別將輸入端和輸出端的所有針腳短接在一起。然后測量輸入和輸出之間的電阻。

如前面所提到的，該測試在競爭對手(A)的五個測試單元上注入ESD脈沖，然后從5.5KV開始以0.5KV為間隔加大ESD電壓，直到測試單元出現(xiàn)故障或失效為止。這意味著，當(dāng)測量輸入和輸出間的電阻時，所得到的度數(shù)會十分接近零歐姆。這說明被測試的設(shè)備已經(jīng)短路。接下來，也采用同樣的方法對三個安華高科技光電耦合器單元進行了測試，測試結(jié)果表明，甚至在ESD電壓達到11KV時，安華高科技的光電耦合器也沒有出現(xiàn)介電故障。不過，當(dāng)ESD電壓水平為大約11.5KV時，出現(xiàn)了外部電弧放電，因而無法進行進一步測試。

我們會發(fā)現(xiàn)，競爭對手(A)的五個測試單元中有三個在大約10KV時出現(xiàn)了介電故障，而另外兩個在更低的ESD電壓（分別為6.5KV和8.0KV）就出現(xiàn)了故障。這表明競爭對手(A)的產(chǎn)品比安華高科技的光電耦合器更容易受ESD應(yīng)力影響。此測試還表明，在整個測試過程中，光電耦合器的絕緣功能沒有受ESD應(yīng)力的影響。

4、電磁干擾(EMI)

電磁干擾(EMI)可以定義為任何使用可以被接受的電子發(fā)射進行干擾、降級或干涉的電磁騷擾，此騷擾會限制電子電氣設(shè)備的有效性能。電磁干擾可以是人為有意制造的（如在一些電子戰(zhàn)中），也可以是由雜散發(fā)射和響應(yīng)、互調(diào)產(chǎn)品、大氣干擾（如閃電）以及地球外來源（如太陽黑子）等非人為原因產(chǎn)生的。射頻干擾(RFI)是一類特殊的EMI，其中的射頻傳輸（通常稱為窄帶）可能會給設(shè)備操作帶來意想不到的問題。射頻干擾的來源廣泛，如移動電話或電力線、變壓器、醫(yī)療設(shè)備、機電開關(guān)以及其它在工業(yè)環(huán)境中常見的非人為有意放置的發(fā)射體。

EMI有兩種形式，即輻射EMI和傳導(dǎo)EMI。輻射EMI從發(fā)射源通過空氣傳播到達接收源，而傳導(dǎo)EMI則沿傳導(dǎo)路徑傳播。這兩種干擾都可以發(fā)射出有害的電子信號，傳播可被接受的信號，從而通過更改設(shè)備的正常工作參數(shù)來干擾設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

這些故障通常被歸類為電磁干擾或EMI故障。處理EMI問題是一個大的挑戰(zhàn)。當(dāng)懷疑發(fā)生電磁干擾時，解決問題的第一步是確定受影響設(shè)備的能量傳遞機制：輻射、傳導(dǎo)或感應(yīng)�？梢酝ㄟ^以下措施緩解該問題：限制感應(yīng)能量的數(shù)量，或者排除根本原因（物理隔離）或?qū)Πl(fā)生故障的設(shè)備加以保護（例如，在通訊區(qū)內(nèi)進行屏蔽）。此過程還會產(chǎn)生關(guān)聯(lián)成本。避免潛在EMI問題的最佳方法是：選擇低敏感度設(shè)備或免疫設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備的布置以便最大程度地降低耦合效應(yīng)并正確進行屏蔽。

市場上存在的各種隔離器和耦合器都由集成CMOS或雙極IC組成。耦合部件是當(dāng)今幾種不同技術(shù)的主要區(qū)別所在，它可以是光耦合隔離器（光電耦合器）、磁耦合隔離器（磁耦合器）和電容耦合隔離器（電容耦合器）。在強電磁場中，它們的行為各不相同。光電耦合器LED/光電二極管組合以不受電磁干擾而著稱（因為其采用光耦合路徑），而磁隔離器卻由于自身微觀結(jié)構(gòu)和磁耦合的原因，在EMI方面確實有一些限制。在DC級磁場(0Hz)和磁場強度不同級別的不同頻率下，磁耦合器可能會發(fā)生故障。

設(shè)計人員的主要考慮因素是避免其應(yīng)用或設(shè)備（特別是用于工業(yè)環(huán)境和靠近發(fā)動機控制的設(shè)備）在以后存在潛在的EMI問題。光電耦合器是最佳的選擇，因為與當(dāng)前市場中的所有其它隔離器相比之下，還能承受更高的電磁場。

三、總結(jié)

在設(shè)計良好的工業(yè)系統(tǒng)的過程中，特別是在涉及高電壓的情況下（DC 48V、AC 110以上），設(shè)備和組件的安全至關(guān)重要，這是主要的考慮因素之一。這些類型的系統(tǒng)通常處于電機起動器、伺服驅(qū)動器、可編程邏輯控制器、功率轉(zhuǎn)換器之間，因此，為工作人員提供一個安全的工作環(huán)境在系統(tǒng)設(shè)計中舉足輕重。此外，如引言部分所述，由組件失效導(dǎo)致的機器故障會給企業(yè)帶來重大損失，故而系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用還應(yīng)該具備故障保護功能。

盡管設(shè)計人員通常在最初選擇隔離產(chǎn)品時考慮大小、低功率和成本，但是必須要記住隔離的基本要求實際上是隔離有害的信號，同時實現(xiàn)高壓絕緣。因此，在設(shè)計安全可靠的工業(yè)系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)牢記四個不可或缺的選擇標(biāo)準(zhǔn)：
• 隔離設(shè)備的各種安全標(biāo)準(zhǔn)，請注意，安華高科技光電耦合器具有“加強絕緣”功能，可以提供故障偏安運行。
• 高電壓絕緣的可靠性，這會使由于系統(tǒng)中的高電壓沖擊而使組件失效的幾率降至最低。請注意，安華高科技的光電耦合器可以連續(xù)至少168小時承受3.75KV的高電壓而不發(fā)生故障。
• 靜電放電(ESD)會使系統(tǒng)降低性能或不能正常工作。請注意，即使ESD電壓為11KV，安華高科技的光電耦合器也不會出現(xiàn)任何電介質(zhì)失效的故障。
• 電磁干擾(EMI)也是可以導(dǎo)致工業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的另一個因素。

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