Cách ly điện là yếu tố then chốt trong thiết kế các thiết bị điện tử công suất an toàn và đáng tin cậy. Nó cho phép các mạch trao đổi tín hiệu hoặc công suất mà không cho phép dòng điện không mong muốn chạy giữa chúng. Nó tạo ra một rào cản an toàn giữa điện áp nguy hiểm và người sử dụng, đồng thời cách ly các vòng nối đất để giảm thiểu nhiễu và hiện tượng vòng lặp nối đất.

Bài viết này dựa trên hội thảo trực tuyến của Würth Elektronik có tiêu đề “Kiểm soát cách ly điện chuyên nghiệp: Đảm bảo an toàn trong điện tử công suất với các sản phẩm của Würth Elektronik”, trong đó mô tả các tiêu chuẩn cơ bản, định nghĩa các thông số cách ly điện chính và so sánh các công nghệ cách ly điện chủ yếu như bộ ghép quang (optocoupler), bộ cách ly kỹ thuật số (digital isolator), máy biến áp, mô-đun nguồn và tụ điện.

Mục tiêu là cung cấp cho các kỹ sư thiết kế một khuôn khổ ra quyết định thực tiễn: khi nào nên sử dụng loại cách điện nào, tiêu chuẩn nào được áp dụng, cách xác định khoảng cách không khí và khoảng cách rò như thế nào, cũng như cách tích hợp các linh kiện điện tử vào các thiết bị được chứng nhận theo tiêu chuẩn IEC 62368-1.

Điểm chính

• Cách ly điện phân tách các mạch điện để ngăn chặn dòng điện không mong muốn và bảo vệ người sử dụng khỏi điện áp nguy hiểm.
• Các mục đích chính bao gồm bảo vệ người sử dụng, cách ly các vòng nối đất và truyền dữ liệu không bị nhiễu.
• Các ứng dụng phổ biến bao gồm tự động hóa công nghiệp, hệ thống nguồn điện và hệ thống đo lường thông minh.
• Có nhiều loại cách điện, bao gồm cách điện chức năng, cách điện cơ bản, cách điện kép và cách điện tăng cường, mỗi loại đều có các đặc tính an toàn riêng.
• Việc tích hợp theo tiêu chuẩn IEC 62368-1 đòi hỏi phải hiểu rõ các thành phần cách điện và các tiêu chuẩn liên quan đến chứng nhận thiết bị.

Điểm chính

• Cách ly điện là quá trình tách biệt các mạch điện để ngăn dòng điện một chiều hoặc dòng điện không mong muốn chạy giữa chúng, trong khi vẫn cho phép trao đổi tín hiệu hoặc năng lượng.
• Các mục đích chính bao gồm bảo vệ người sử dụng khỏi điện áp nguy hiểm, cách ly các vòng nối đất, giảm nhiễu chế độ chung và đảm bảo truyền dữ liệu không bị nhiễu.
• Các nhóm ứng dụng chính bao gồm giao diện tự động hóa công nghiệp (CAN, SPI, RS-232, RS-485), nguồn điện và bộ chuyển đổi (UPS, biến tần năng lượng mặt trời, hệ thống chiếu sáng) và hệ thống đo lường thông minh/trạm sạc xe điện.
• Các tiêu chuẩn được chia thành các tài liệu an toàn cơ bản (ví dụ: IEC 60664-1), tiêu chuẩn linh kiện (bộ ghép quang, bộ cách ly kỹ thuật số, máy biến áp, tụ điện) và tiêu chuẩn thiết bị (ví dụ: IEC 62368-1).
• Các loại cách điện bao gồm: cách điện chức năng (không có khả năng bảo vệ chống điện giật), cách điện cơ bản (một lớp cách điện), cách điện kép (lớp cách điện cơ bản cộng thêm một lớp cách điện độc lập) và cách điện tăng cường (một hệ thống cách điện duy nhất có khả năng bảo vệ tương đương với cách điện kép).
• Các thông số hình học quan trọng bao gồm khoảng cách không khí (đường đi ngắn nhất trong không khí), khoảng cách rò (đường đi ngắn nhất dọc theo bề mặt vật liệu cách điện) và chiều dày cách điện rắn (độ dày của lớp cách điện), tất cả đều phụ thuộc vào điện áp và điều kiện ô nhiễm.
• Các phương pháp cách ly tín hiệu thực tế bao gồm phương pháp quang học (bộ ghép quang), phương pháp điện dung (bộ cách ly kỹ thuật số và tụ điện) và phương pháp cảm ứng (máy biến áp và mô-đun nguồn cách ly).
• Bộ ghép quang phù hợp với các ứng dụng có ít kênh và tốc độ dữ liệu thấp, chẳng hạn như tín hiệu phản hồi trong các bộ chuyển đổi nguồn, trong khi bộ cách ly kỹ thuật số hướng đến các giao diện đa kênh tốc độ cao với không gian lắp đặt hạn chế.
• Các mô-đun nguồn được đề cập ở đây chỉ cung cấp khả năng cách ly chức năng và không thích hợp để sử dụng như một lớp cách điện an toàn nhằm bảo vệ chống lại điện áp nguy hiểm.
• Tiêu chuẩn IEC 60747-17 được áp dụng cho các bộ cách ly kỹ thuật số của Würth Elektronik vì tiêu chuẩn này đưa ra các thử nghiệm cách ly cơ bản và tăng cường rất nghiêm ngặt, cũng như cam kết dài hạn (30 năm) về hiệu suất cách ly tăng cường.

Bối cảnh và động cơ

Định nghĩa được sử dụng trong thực tế giải thích rằng cách ly điện là quá trình tách biệt các mạch điện để ngăn dòng điện một chiều hoặc dòng điện không mong muốn chạy giữa chúng, trong khi vẫn cho phép trao đổi tín hiệu hoặc công suất. Việc cách ly này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống có điện áp nguy hiểm hoặc khi cần ngăn chặn sự chênh lệch điện thế giữa các điểm nối đất gây ra dòng điện không mong muốn và nhiễu lan truyền trong hệ thống.

Động lực chính:

• Rào cản an toàn giữa điện áp nguy hiểm và người sử dụng.
• Phân tách các vòng nối đất giữa các mạch điện được bố trí ở những khu vực khác nhau.
• Giảm thiểu nhiễu chế độ chung.
• Truyền dữ liệu giữa các miền điện áp mà không bị nhiễu.

Sơ đồ khối đơn giản minh họa hai thiết bị được kết nối thông qua bộ cách ly tín hiệu: dữ liệu đi qua bộ cách ly, trong khi nhiễu tiềm ẩn và dòng điện cân bằng bị ngăn chặn. Khái niệm này có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống thực tế, từ các bus trường công nghiệp đến các mạch phản hồi của bộ chuyển đổi nguồn.

Lĩnh vực ứng dụng

Ba nhóm ứng dụng chính được nhấn mạnh:

• Hệ thống tự động hóa công nghiệp: Nhiều giao diện khác nhau như CAN, SPI, RS-232 và RS-485 cho phép các nút cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển thường hoạt động ở các mức điện thế khác nhau.
• Nguồn điện và bộ chuyển đổi: Các hệ thống UPS, nguồn điện viễn thông, biến tần năng lượng mặt trời và bộ nguồn chiếu sáng phải bảo vệ người sử dụng và các mạch điện tử điều khiển điện áp thấp khỏi điện áp lưới và các mức điện áp cao.
• Hệ thống đo lường thông minh và hệ thống sạc xe điện: Các hệ thống tích hợp chức năng đo lường, truyền thông và cung cấp điện, với các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn và tương thích điện từ (EMC).

Trong mỗi lĩnh vực, giải pháp thiết kế theo mô-đun phải đồng thời đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện, tính toàn vẹn tín hiệu và mục tiêu EMC ở cấp độ hệ thống.

Tổng quan về các tiêu chuẩn

Hội thảo trực tuyến này phân tích cấu trúc tiêu chuẩn thành ba cấp độ: tài liệu an toàn cơ bản, tiêu chuẩn linh kiện và tiêu chuẩn thiết bị.

• Các tài liệu an toàn cơ bản – ví dụ như IEC 60664-1 – tổng hợp các nguyên tắc và hướng dẫn an toàn chung cho nhiều ứng dụng khác nhau, xác định các thông số chính như khoảng cách không khí và khoảng cách rò cần thiết đối với điện áp hoạt động và mức độ ô nhiễm quy định.
• Các tiêu chuẩn linh kiện điện tử được xây dựng cụ thể cho từng loại linh kiện, chẳng hạn như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, máy biến áp, bộ cách ly kỹ thuật số và bộ ghép quang. Mỗi loại đều có tiêu chuẩn riêng, quy định điện áp thử nghiệm cách điện, phân loại hệ thống cách điện và các giới hạn cơ học.
• Các tiêu chuẩn thiết bị, chẳng hạn như IEC 62368-1, áp dụng cho toàn bộ thiết bị hoặc các cụm thiết bị được cấu thành từ nhiều thành phần. Thiết bị hoàn chỉnh phải được đánh giá và chứng nhận ở cấp độ này.

Tiêu chuẩn IEC 60664-1 là cơ sở tham chiếu cho nhiều tiêu chuẩn linh kiện và thiết bị. Tiêu chuẩn này thống nhất cách hiểu các khái niệm như khoảng cách không khí, khoảng cách rò và chiều dày cách điện rắn, đồng thời xác định các yêu cầu cơ bản về cách điện.

Các loại cách điện

Để đơn giản hóa thuật ngữ tiêu chuẩn được sử dụng trong thiết kế, hệ thống cách điện được phân loại thành bốn loại chính.

• Cách điện chức năng: Đảm bảo mạch điện hoạt động bình thường nhưng không bảo vệ người sử dụng khỏi bị điện giật. Người sử dụng tuyệt đối không được tiếp xúc với các bộ phận chỉ được bảo vệ bằng cách điện chức năng.
• Cách điện cơ bản: Chỉ bao gồm một lớp cách điện duy nhất, đủ để bảo vệ chống điện giật trong điều kiện hoạt động bình thường.
• Cách điện kép: Kết hợp cách điện cơ bản với một lớp cách điện độc lập bổ sung, sao cho một sự cố đơn lẻ ở một lớp không làm mất khả năng bảo vệ.
• Cách điện tăng cường: Được thiết kế với một hệ thống cách điện duy nhất có khả năng bảo vệ tương đương với hệ thống cách điện kép, chẳng hạn như một khối nhựa lớn bao quanh các chân cắm.

Một lý do chính khiến cách điện cơ bản thường không đủ là nguy cơ xảy ra sự cố đơn lẻ: một vết nứt hoặc khuyết tật trong lớp cách điện cơ bản duy nhất có thể làm suy giảm khả năng bảo vệ, đòi hỏi phải sử dụng cách điện kép hoặc cách điện tăng cường đối với nhiều ứng dụng liên quan đến an toàn.

Khoảng cách không khí, khoảng cách rò và chiều dày cách điện rắn

Ba thông số hình học quyết định các đặc tính cách điện vật lý:

• Khoảng cách không khí là khoảng cách ngắn nhất trong không khí giữa hai bộ phận dẫn điện, chẳng hạn như các đường mạch trên bảng mạch in (PCB). Khoảng cách không khí này quyết định mức điện áp tối đa mà tại đó không khí có thể bị đánh thủng và xảy ra hiện tượng phóng điện.
• Khoảng cách rò là khoảng cách ngắn nhất dọc theo bề mặt vật liệu cách điện giữa các bộ phận dẫn điện. Khoảng cách này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như sự suy giảm chất lượng bề mặt, ô nhiễm, độ ẩm và các vết dẫn điện hình thành trên bề mặt.
• Chiều dày cách điện rắn là độ dày tối thiểu của vật liệu cách điện giữa các bộ phận dẫn điện, thường là độ dày của lớp cách điện bên trong IC hoặc máy biến áp.

Khoảng cách không khí không đủ có thể gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi của không khí và tạo ra đường phóng điện giữa các bộ phận dẫn điện, trong khi khoảng cách rò không phù hợp cũng có thể dẫn đến hình thành các đường dẫn điện trên bề mặt, đặc biệt trong môi trường ô nhiễm hoặc ẩm ướt.

So sánh các phương pháp cách ly điện

Việc cách ly điện có thể được thực hiện bằng cách sử dụng ánh sáng, tụ điện hoặc cuộn cảm. Mỗi phương pháp đều có những đặc điểm, ưu điểm, nhược điểm và tiêu chuẩn áp dụng riêng.

Bảng so sánh: Các công nghệ cách ly điện

Bộ ghép quang

Bộ ghép quang chứa một bộ phát sáng, thường là đèn LED, và một bộ tách sóng quang ở phía đối diện của một rào cản cách điện. Bộ tách sóng chuyển đổi ánh sáng nhận được thành đầu ra điện. Rào cản là một cấu trúc quang học và điện môi; không nên coi nó là một khe hở không khí trống rỗng.

Ví dụ ban đầu về bộ chuyển đổi-phản hồi vẫn là một ứng dụng hữu ích. Bộ chia phía thứ cấp và bộ khuếch đại lỗi điều khiển dòng điện LED; bộ dò chuyển thông tin lỗi thu được đến bộ điều khiển phía sơ cấp, bộ điều khiển này điều chỉnh hoạt động của bộ chuyển đổi. Điều này cho phép điều chỉnh đầu ra mà không cần kết nối phản hồi dẫn điện.

Đối với bộ ghép quang bán dẫn, tỷ lệ truyền dòng điện, hay CTR, liên quan đến dòng điện cực thu đầu ra với dòng điện LED đầu vào trong các điều kiện đã nêu. Thiết kế cho phạm vi phù hợp và thay đổi theo điểm hoạt động, nhiệt độ và sự lão hóa. CTR một mình không mô tả đường dẫn phản hồi: độ lệch của bộ dò, điện dung ký sinh, băng thông và bù cũng ảnh hưởng đến hành vi vòng lặp.

Bộ ghép quang có thể hỗ trợ phản hồi tương tự và tín hiệu số, nhưng mạch dò và mạch đầu ra phải phù hợp với nhiệm vụ. Một thiết bị quang bán dẫn đơn giản không phải là bộ cách ly tương tự tuyến tính chính xác chỉ vì đầu ra của nó thay đổi theo dòng điện LED. Khả năng an toàn cũng tuân theo tài liệu của thiết bị được chọn chứ không chỉ dựa trên nguyên lý quang học.

Bộ cách ly kỹ thuật số

Bộ cách ly kỹ thuật số mã hóa thông tin logic và truyền nó qua rào cản cách điện điện dung hoặc từ tính. Trong cách triển khai điện dung được thảo luận trong bài báo gốc, bộ phát điều chế tín hiệu tần số cao và bộ thu tái tạo trạng thái logic. Ghép nối điện dung là một cách triển khai, chứ không phải là định nghĩa của mọi bộ cách ly kỹ thuật số.

Một ứng dụng tiêu biểu là kết nối SPI giữa ADC được tham chiếu đến miền đo điện áp cao và bộ vi điều khiển điện áp thấp. Chọn số lượng kênh và hướng cho tất cả các tín hiệu cần thiết, đồng thời bao gồm độ trễ lan truyền và thời gian đường dẫn trở lại trong ngân sách giao diện. Cũng cung cấp nguồn điện phía ADC mà không vô tình kết nối lại các điểm nối đất cách ly.

So sánh tốc độ dữ liệu tối đa, độ méo độ rộng xung, độ lệch giữa các kênh, ngưỡng logic, phạm vi cung cấp và trạng thái đầu ra trong điều kiện thiếu nguồn đầu vào. Tốc độ dữ liệu danh nghĩa cao không đảm bảo rằng giao diện xung nhịp cụ thể sẽ đáp ứng các yêu cầu thiết lập và giữ của nó.

Khả năng miễn nhiễm quá độ chế độ chung, hay CMTI, mô tả khả năng duy trì hoạt động chính xác trong khi điện áp giữa các miền tham chiếu cách ly thay đổi nhanh chóng. So sánh các giới hạn được đảm bảo và điều kiện thử nghiệm, bao gồm cực tính quá độ, nhiệt độ và điện áp cung cấp, thay vì coi giá trị CMTI điển hình là giới hạn hệ thống phổ quát.

IEC 60747-17 bao gồm các yếu tố an toàn trọn đời, thử nghiệm cuối đời và đánh giá thống kê tuổi thọ cho các bộ ghép từ và điện dung. Điều này không đảm bảo vô điều kiện rằng mọi bộ cách ly được chứng nhận sẽ cung cấp khả năng cách điện được tăng cường trong 30 năm trong mọi ứng dụng. Sử dụng điện áp làm việc định mức, điều kiện nhiệt độ và dữ liệu tuổi thọ được hỗ trợ chính xác của thiết bị.

Khi nào nên chọn bộ ghép quang so với bộ cách ly kỹ thuật số?

Quy tắc lựa chọn ban đầu vẫn hữu ích khi được coi là điểm khởi đầu chứ không phải là giới hạn công nghệ. So sánh các thiết bị thực tế với các yêu cầu về tín hiệu, an toàn và nguồn cung cấp.

• Hãy bắt đầu với bộ cách ly kỹ thuật số cho giao diện logic đa kênh nhỏ gọn yêu cầu độ trễ lan truyền được kiểm soát, khớp kênh hoặc thông lượng dữ liệu cao.
• Hãy bắt đầu với một bộ ghép quang bán dẫn để tạo phản hồi chuyển đổi cách ly thông thường hoặc một giao diện trạng thái đơn giản, nơi mà CTR, dòng điện điều khiển và thời gian phản hồi của nó phù hợp.
• Đối với liên kết kỹ thuật số có số kênh thấp, hãy so sánh cả hai phương pháp. Số lượng kênh không phải là yếu tố duy nhất quyết định chi phí, công suất, diện tích hoặc độ tin cậy.
• Đối với thông tin tương tự, cần phân biệt điều khiển phản hồi với phép đo chính xác. So sánh toàn bộ chuỗi tín hiệu thay vì cho rằng mọi bộ ghép quang đều tuyến tính hoặc mọi giải pháp kỹ thuật số đều không phù hợp.

Khi cả hai công nghệ đều đáp ứng các yêu cầu chức năng, hãy so sánh tài liệu cách điện, giới hạn nhiệt, mức tiêu thụ điện năng, thời gian lão hóa, hành vi EMC, tính khả dụng và tổng chi phí triển khai.

Mô-đun nguồn cách ly

Mô-đun DC/DC cách ly kết hợp mạch cần thiết để truyền năng lượng qua rào cản cách ly bên trong. Trong mô-đun dựa trên máy biến áp, các cuộn dây được ghép nối từ tính nhưng không có kết nối dẫn điện trực tiếp. Mô-đun vẫn có điện dung ghép nối và có thể tạo ra dòng điện chế độ chung liên quan đến chuyển mạch.

Trong ví dụ RS-485 cách ly ban đầu, các bộ ghép quang cách ly tín hiệu dữ liệu và điều khiển trong khi một mô-đun nguồn cách ly riêng biệt cung cấp cho bộ thu phát phía bus. Cả đường dẫn nguồn và tín hiệu đều phải duy trì ranh giới dự định. Một kết nối nguồn hoặc nối đất chung không cách ly sẽ bỏ qua nó.

Ví dụ về mô-đun nguồn độc lập được xác định trong hội thảo trực tuyến cung cấp khả năng cách điện chức năng và không được sử dụng làm biện pháp bảo vệ cơ bản hoặc tăng cường chống lại điện áp nguy hiểm. Hạn chế này áp dụng cho cách triển khai đó, chứ không phải cho mọi sản phẩm DC/DC cách ly. Chọn cấp độ cách điện cần thiết từ tài liệu của mô-đun cụ thể.

Cách ly tín hiệu và nguồn tích hợp là một lựa chọn khác. SN026 của Würth Elektronik mô tả thiết kế RS-485 sử dụng bộ cách ly kỹ thuật số được gia cố với bộ chuyển đổi DC/DC cách ly tích hợp. Hiệu suất phát xạ được báo cáo của nó gắn liền với bảng mạch, bộ lọc, cáp và cách bố trí thử nghiệm được ghi lại; việc tích hợp không loại bỏ thiết kế EMC hoặc đánh giá an toàn sản phẩm cuối cùng.

Máy biến hình

Máy biến áp có mạch cuộn dây sơ cấp và thứ cấp riêng biệt có thể truyền năng lượng bằng từ trường trong khi vẫn duy trì rào cản điện. Trong ví dụ về bộ chuyển đổi cách ly, nó truyền công suất trong khi thành phần phản hồi mang thông tin điều khiển. Máy biến áp tự ngẫu, có chung kết nối cuộn dây dẫn điện, không cung cấp sự tách biệt đó.

Khả năng an toàn phụ thuộc vào cấu trúc hoàn chỉnh: cách bố trí cuộn dây, cách điện dây dẫn, ống chỉ, rào chắn giữa các cuộn dây, đầu nối, khoảng cách giữa cuộn dây và lõi cũng như kiểm soát sản xuất. Máy biến áp không tự động cách ly an toàn chỉ vì nó có hai cuộn dây hoặc vượt qua thử nghiệm chịu đựng điện môi.

Đối với bộ nguồn chuyển mạch (SMPS), hãy so sánh tỷ số vòng dây, độ tự cảm từ hóa, khả năng volt-giây, độ tự cảm rò rỉ, điện trở cuộn dây, độ tăng nhiệt và điện dung giữa các cuộn dây. Đối với máy biến áp tín hiệu, hãy so sánh băng thông yêu cầu và đặc tính truyền tín hiệu thay vì cho rằng thông số kỹ thuật của máy biến áp nguồn là đủ.

Việc xen kẽ hoặc đặt cuộn dây gần nhau hơn có thể cải thiện sự ghép nối từ tính trong khi làm tăng sự ghép nối điện dung hoặc làm phức tạp việc cách điện. Đánh giá sự đánh đổi này bằng cách sử dụng dạng sóng chuyển mạch thực tế và các yêu cầu cách điện. Các quy định cách điện IEC 62368-1 có liên quan là một phần của việc đánh giá thiết bị AV/ICT, nhưng các yêu cầu cấu tạo cụ thể của máy biến áp cũng phải được giải quyết.

Tụ điện và điện dung khâu

Tụ điện có các điện cực dẫn được ngăn cách bởi chất điện môi. Nó có thể truyền dòng điện dịch chuyển AC trong khi ngăn chặn đường dẫn dẫn điện trực tiếp, ngoại trừ rò rỉ điện môi hữu hạn. Trong thiết kế cách ly, điều này làm cho điện dung vừa là đường dẫn trở lại tần số cao hữu ích vừa là đường dẫn cho dòng điện chế độ chung không mong muốn.

Phân tách vai trò an toàn của tụ điện X và Y. Tụ điện X được sử dụng ở vị trí lọc giữa các đường dây, chẳng hạn như giữa đường dây và trung tính; chỉ riêng định mức X không đủ điều kiện để một linh kiện bắc cầu rào chắn bảo vệ chống điện giật. Tụ điện Y được phê duyệt phù hợp có thể được sử dụng ở những vị trí mà sự hỏng hóc của nó có thể tạo ra nguy cơ điện giật, tùy thuộc vào các yêu cầu thiết bị áp dụng.

Tụ điện Y có thể kết nối đường dây hoặc trung tính với đất bảo vệ, hoặc bắc cầu giữa miền sơ cấp và thứ cấp trong nguồn cung cấp cách ly. Chọn phân lớp và định mức điện áp cần thiết cho ranh giới thực tế. Cấu hình yêu cầu không phải lúc nào cũng là hai tụ điện Y mắc nối tiếp: các thành phần Y1 có định mức phù hợp có thể bắc cầu giữa lớp cách điện kép hoặc lớp cách điện tăng cường khi các yêu cầu áp dụng cho phép.

Điện dung được chọn cũng ảnh hưởng đến dòng điện chạy qua rào cản. Đánh giá dòng điện chạm và dòng điện dây dẫn bảo vệ khi cần thiết, bao gồm toàn bộ mạng và các điều kiện bình thường và sự cố được chỉ định. Do đó, việc tăng điện dung để cải thiện phát xạ không phải là một biện pháp khắc phục không hạn chế.

Điện dung khâu PCB được hình thành bởi sự chồng chéo có kiểm soát giữa các dây dẫn trong các lớp khác nhau. Nó có thể cung cấp đường dẫn trở lại chế độ chung tần số cao mà không cần tụ điện rời rạc riêng biệt. SN026 thể hiện cách tiếp cận này trong một thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu cách ly tăng cường, với cấu trúc lớp và hình học chồng chéo được xác định rõ ràng.

Lớp đồng chồng chéo thông thường không tự động tương đương với tụ điện Y đã được phê duyệt. Xác định độ dày điện môi, vật liệu, cách bố trí lớp, đường dẫn cách điện bên trong và bên ngoài, dung sai sản xuất và các thử nghiệm điện áp dụng. Những thay đổi đối với cấu trúc PCB hoặc quy trình của nhà cung cấp có thể ảnh hưởng đến cả hiệu suất an toàn và EMC.

Tích hợp vào thiết bị IEC 62368-1

Đối với thiết bị nằm trong phạm vi của IEC 62368-1, hãy chỉ định các biện pháp bảo vệ cần thiết cho từng ranh giới nguồn năng lượng và đánh giá mọi thành phần đi qua ranh giới đó. Việc đánh giá bao gồm cấu tạo và định mức của thành phần, hình dạng PCB, mạch có thể truy cập và bố trí bảo vệ hoàn chỉnh.

Đối chiếu bằng chứng về thành phần với các yêu cầu của thiết bị.

• Tụ điện: sử dụng các quy định liên quan đến linh kiện, cấp an toàn, phê duyệt, định mức điện áp và cách bố trí lắp đặt. Kiểm tra bất kỳ cấu hình mắc nối tiếp nào được cho phép so với các yêu cầu hiện hành thay vì cho rằng việc mắc nối tiếp sẽ tạo ra khả năng cách điện được tăng cường.
• Bộ ghép quang: xem xét chứng nhận linh kiện, ứng suất cách điện định mức, khoảng cách rò rỉ và khoảng cách an toàn của bao bì, và điều kiện sử dụng. Việc ghép quang không loại bỏ nhu cầu đánh giá cách điện của sản phẩm cuối cùng.
• Máy biến áp: cần đánh giá cả hệ thống cách điện đã công bố và các yêu cầu cấu tạo áp dụng. Bao gồm chi tiết về khoảng cách giữa cuộn dây và lõi cũng như chi tiết về đầu nối, không chỉ điện áp thử nghiệm giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• Bộ cách ly kỹ thuật số: kết hợp tài liệu IEC 60747-17 chính xác của thiết bị với các yêu cầu về thiết bị đối với lớp chắn bán dẫn, bao bì và PCB đã lắp đặt.
• Các mô-đun nguồn và thiết bị nguồn và tín hiệu tích hợp: xác minh rằng toàn bộ đường dẫn cách ly nguồn và tín hiệu bên trong đáp ứng các thông số kỹ thuật và phạm vi chứng nhận cần thiết.

Hội thảo trực tuyến ban đầu xác định các yêu cầu cách điện trong điều khoản 5.4 và các quy định về thành phần trong Phụ lục G là các lộ trình tích hợp có liên quan. Áp dụng các quy định chi tiết của phiên bản được sử dụng để đánh giá thiết bị; tham chiếu điều khoản không phải là một lối tắt phê duyệt. CMTI và hiệu suất phát thải vẫn là các kiểm tra kỹ thuật riêng biệt so với an toàn điện môi.

Bảng so sánh: chức năng cách điện và khả năng bảo vệ

Bảng 2 tách biệt các định nghĩa về cách điện khỏi sự an toàn của toàn bộ thiết bị. Các ví dụ ứng dụng chỉ mang tính minh họa và không xác định cách bố trí bảo vệ cần thiết.

Quy trình ra quyết định lựa chọn thiết bị cách ly

Tách biệt quyết định về an toàn khỏi các quyết định về tín hiệu và công suất. Một linh kiện phải đáp ứng cả ba điều kiện khi chúng được áp dụng; việc đáp ứng mục tiêu tốc độ dữ liệu không thể bù đắp cho xếp hạng cách điện không phù hợp.

1. Xác định ranh giới và các mối nguy hiểm của nó. Xác định xem rào chắn có chức năng phân tách hay có biện pháp bảo vệ chống điện giật hay không.
2. Xác định mọi đường dẫn giao nhau. Bao gồm dữ liệu, phản hồi, nguồn điện, lớp chắn, kết nối lập trình và điện dung chủ ý hoặc ký sinh.
3. Chọn phương pháp truyền tín hiệu. Cân nhắc sử dụng optocoupler cho các chức năng phản hồi tương tự hoặc trạng thái phù hợp, và bộ cách ly kỹ thuật số cho các giao diện logic tương thích. Kiểm tra hướng và thời gian.
4. Hãy chọn phương pháp cấp nguồn. Sử dụng bộ chuyển đổi dựa trên biến áp, mô-đun cách ly hoặc thiết bị tín hiệu và nguồn tích hợp có cấp cách điện được ghi trong tài liệu phù hợp với yêu cầu.
5. Giải quyết các vấn đề về thiết kế vật lý và EMC. Kiểm tra đường dẫn cách điện của bao bì và PCB, điện dung ghép nối, đường dẫn dòng hồi, lọc và bảo vệ.
6. Kiểm tra toàn bộ cụm lắp ráp. Xác nhận độ an toàn, tính toàn vẹn tín hiệu, quá trình khởi động và xử lý lỗi, hiệu suất nhiệt và khả năng tương thích điện từ (EMC) trong điều kiện hoạt động dự kiến.

Danh sách kiểm tra thiết kế và lựa chọn

Chỉ so sánh các giá trị trong bảng dữ liệu khi định nghĩa và điều kiện thử nghiệm của chúng trùng khớp. Giữ bằng chứng an toàn, giả định thiết kế điện và thông số kỹ thuật mua hàng cùng nhau để một linh kiện thay thế hoặc thay đổi sản xuất không làm mất hiệu lực thiết kế một cách âm thầm.

Xếp hạng cách điện và ứng suất vận hành

• Ghi lại dạng sóng điện áp hoạt động thực tế trên rào cản, bao gồm độ lệch DC, giá trị RMS, ứng suất đỉnh lặp lại và các quá độ dự kiến.
• Phân biệt V _IOWM (điện áp cách ly làm việc tối đa) với V _IORM (điện áp cách ly đỉnh lặp lại tối đa). Giữ nguyên thông số định mức được biểu thị dưới dạng điện áp DC, RMS hay điện áp đỉnh.
• Phân biệt V _IOTM (điện áp cách ly thoáng qua), V _IOSM (điện áp cách ly đột biến) và V _ISO (điện áp chịu đựng cách ly ngắn hạn được sử dụng trong tài liệu đã trích dẫn). Kiểm tra thời gian và dạng sóng.
• Không nên sử dụng điện áp thử nghiệm cao trong thời gian ngắn làm điện áp làm việc liên tục cho phép hoặc làm bằng chứng về khả năng cách điện được tăng cường.
• Xác nhận cấp độ cách điện, mức độ ô nhiễm, nhóm vật liệu, độ cao, giới hạn nhiệt độ và khoảng cách giữa bao bì và PCB có liên quan.
• Kiểm tra bằng chứng về tuổi thọ dựa trên điều kiện điện áp và nhiệt độ thực tế. Không nên biến tuổi thọ đạt tiêu chuẩn thành lời hứa về tuổi thọ sử dụng vô điều kiện.

Tính toàn vẹn tín hiệu, nguồn cung cấp và khả năng chống nhiễu

• Xác định số lượng kênh, hướng, mức logic, độ trễ lan truyền, độ lệch, độ méo xung và biên độ thời gian giao diện.
• Kiểm tra hoạt động trong quá trình khởi động, tắt nguồn, mất nguồn đầu vào, điện áp thấp và các đầu ra bị vô hiệu hóa. Chọn trạng thái mặc định cần thiết cho mạch được kết nối.
• Đối với các optocoupler, cần bao gồm dòng điện LED, phạm vi CTR, điểm hoạt động của detector, nhiệt độ, độ lão hóa và thời gian phản hồi.
• Đối với nguồn cung cấp độc lập, cần bao gồm các biến thiên tải, công suất đầu ra khả dụng, điều chỉnh, hiệu suất, giảm công suất do nhiệt và nhu cầu khởi động.
• So sánh CMTI với tốc độ thay đổi điện áp dự kiến ​​và các điều kiện thử nghiệm. Đánh giá riêng biệt các quá độ điện nhanh, xung điện và phóng tĩnh điện cấp hệ thống khi cần thiết.
• Kiểm tra độ chính xác của phát xạ dẫn và bức xạ với các loại cáp, tải, vỏ bọc và hệ thống nối đất tiêu biểu. Xếp hạng ESD ở cấp độ linh kiện và kết quả phát xạ của bo mạch tham chiếu không chứng nhận hệ thống cuối cùng.

Danh mục linh kiện, nam châm tùy chỉnh và chứng nhận chất lượng

Một linh kiện trong danh mục là phù hợp khi các thông số, hình dạng và điều kiện phê duyệt được công bố của nó bao phủ phạm vi hoạt động. Có thể cần đến các linh kiện từ tính tùy chỉnh hoặc cấu trúc cách ly PCB được kiểm soát khi tỷ lệ vòng dây, công suất, giới hạn ký sinh, bố trí cơ khí hoặc đường dẫn cách điện cần thiết không thể đạt được với một linh kiện tiêu chuẩn. Việc chế tạo tùy chỉnh chuyển giao nhiều trách nhiệm về đặc tả và kiểm soát quy trình hơn cho các nhóm thiết kế và sản xuất.

• Vui lòng lấy bảng dữ liệu hiện hành, các chứng chỉ áp dụng và điều kiện chấp nhận cho mã đặt hàng chính xác.
• Đối với máy biến áp đặt làm riêng, cần lưu ý đến bố trí cuộn dây điều khiển, vật liệu dây dẫn và cách điện, lõi cuộn, đầu nối, giới hạn kích thước và các thử nghiệm nghiệm thu đã được thỏa thuận.
• Đối với điện dung ghép nối PCB, cần kiểm soát lớp màng, cấu trúc lớp, độ dày chất điện môi, độ chồng lấp của dây dẫn, khoảng cách mép và dung sai gia công.
• Để tìm nguồn cung cấp thay thế, hãy so sánh phạm vi chứng nhận, điều kiện thử nghiệm, cấu trúc cách điện và yêu cầu bố trí cũng như các giá trị điện định mức.
• Thống nhất việc kiểm tra sản xuất, truy xuất nguồn gốc và thông báo thay đổi nhà cung cấp đối với các đặc tính ảnh hưởng đến rào cản đạt tiêu chuẩn.

Kết luận

Cách ly điện là ranh giới của hệ thống, chứ không phải là lời hứa về dòng điện bằng không hoặc nhiễu bằng không. Chức năng an toàn của nó phụ thuộc vào cấp cách điện được chỉ định, giới hạn hoạt động được ghi chép và cách thức triển khai của từng thành phần và dây dẫn đi qua ranh giới đó.

Các bộ ghép quang vẫn hữu ích cho phản hồi bộ chuyển đổi và các chức năng tín hiệu phù hợp; bộ cách ly kỹ thuật số hỗ trợ truyền tải logic được điều khiển; máy biến áp và bộ chuyển đổi cách ly truyền tải điện năng; và các đường dẫn điện dung đạt tiêu chuẩn có thể quản lý dòng điện chế độ chung. Việc lựa chọn đáng tin cậy kết hợp các chức năng đó với sự phối hợp cách điện, thời gian, kiểm định nhiệt và EMC, tiếp theo là đánh giá sản phẩm cuối cùng theo tiêu chuẩn an toàn hiện hành.

Câu hỏi thường gặp

Những câu trả lời này giải đáp các câu hỏi thường gặp về thiết kế, an toàn và lựa chọn linh kiện.

Trong điện tử công suất, cách ly điện là gì?

Cách ly điện phân tách các miền điện mà không cần kết nối dẫn điện trực tiếp, đồng thời cho phép tín hiệu hoặc dòng điện truyền qua bằng cách ghép nối quang học, điện dung hoặc từ tính. Nó có thể ngắt mạch vòng nối đất và là một phần của hệ thống bảo vệ chống điện giật. Các rào cản thực tế vẫn có điện dung và điện trở cách điện hữu hạn, vì vậy cách ly không có nghĩa là mọi dòng điện hoặc nhiễu loạn đều bị chặn.

Sự khác biệt giữa lớp cách nhiệt cơ bản, lớp cách nhiệt kép và lớp cách nhiệt tăng cường là gì?

Lớp cách điện cơ bản cung cấp khả năng bảo vệ cơ bản chống lại điện giật. Lớp cách điện kép kết hợp lớp cách điện cơ bản với lớp cách điện bổ sung độc lập. Lớp cách điện tăng cường cung cấp khả năng bảo vệ tương đương với lớp cách điện kép theo các yêu cầu áp dụng và không nhất thiết phải là một lớp đồng nhất. Toàn bộ thiết bị phải cung cấp khả năng bảo vệ cần thiết trong hoạt động bình thường và các điều kiện sự cố cụ thể; cách điện chức năng không phải là biện pháp bảo vệ chống điện giật được chỉ định.

Những tiêu chuẩn nào áp dụng cho thiết kế cách ly điện hóa?

Hãy bắt đầu với tiêu chuẩn sản phẩm cuối cùng áp dụng cho thiết bị và thị trường mục tiêu. Tiêu chuẩn IEC 60664-1 cung cấp các nguyên tắc phối hợp cách điện, trong khi các tiêu chuẩn linh kiện đề cập đến các công nghệ rào chắn cụ thể. Tiêu chuẩn IEC 60747-17 bao gồm các bộ ghép từ và điện dung cho cách điện cơ bản và tăng cường. Tiêu chuẩn IEC 62368-1 áp dụng cho thiết bị âm thanh/video, công nghệ thông tin và truyền thông, chứ không tự động áp dụng cho mọi sản phẩm công nghiệp hoặc chuyển đổi năng lượng.

Bộ ghép quang và bộ cách ly kỹ thuật số khác nhau ở điểm nào?

Bộ ghép quang truyền thông tin bằng ánh sáng qua một lớp cách điện; bộ cách ly kỹ thuật số mã hóa thông tin logic và sử dụng ghép nối điện dung hoặc từ tính. Bộ ghép quang transistor quang phổ biến trong phản hồi bộ chuyển đổi cách ly, trong khi bộ cách ly kỹ thuật số phù hợp với nhiều giao diện logic đa kênh nhỏ gọn. Chọn thiết bị thực tế dựa trên đặc tính tín hiệu, thời gian, yêu cầu nguồn cung cấp, tài liệu cách điện, tuổi thọ và khả năng chống nhiễu thay vì dựa vào một hệ thống phân cấp công nghệ cố định.

Liệu một mô-đun DC/DC riêng biệt có thể cung cấp khả năng cách ly an toàn?

Có, nếu mô-đun cụ thể đó đáp ứng yêu cầu về cấp cách điện, định mức hoạt động và điều kiện phê duyệt đã được ghi chép đầy đủ. Các mô-đun khác chỉ cung cấp khả năng cách điện chức năng và không được dùng làm biện pháp bảo vệ chống lại điện áp nguy hiểm. Điện áp thử nghiệm cách điện trong thời gian ngắn không thiết lập được điện áp làm việc liên tục hoặc khả năng cách điện tăng cường. Kiểm tra toàn bộ ranh giới nguồn và tín hiệu, bao gồm cả bố cục mạch in và các kết nối bên ngoài.

Khoảng cách giữa các lỗ vít, hiện tượng rò rỉ điện và lớp cách điện rắn ảnh hưởng đến thiết kế mạch in như thế nào?

Khoảng cách giữa các dây dẫn là đường dẫn ngắn nhất trong không khí, khoảng cách rò rỉ là đường dẫn ngắn nhất dọc theo bề mặt cách điện, và lớp cách điện rắn ngăn cách các dây dẫn bằng vật liệu điện môi. Việc đánh giá chúng phụ thuộc vào các ứng suất khác nhau và chi tiết cấu tạo. Kiểm tra điện áp làm việc, quá độ, mức độ ô nhiễm, hành vi dẫn điện của vật liệu, độ cao và tiêu chuẩn áp dụng, bao gồm hình dạng bao bì, đồng PCB, các cạnh hở và dung sai sản xuất.

Liệu tụ điện có thể bắc cầu qua rào cản cách ly điện?

Tụ điện Y được phê duyệt đúng cách có thể bắc cầu cách điện an toàn trong khi mang dòng điện xoay chiều. Chỉ riêng xếp hạng X không đủ điều kiện để một tụ điện đảm nhận vai trò đó. Loại Y và cách bố trí cần thiết phụ thuộc vào phạm vi và các yêu cầu áp dụng. Tụ điện nối mạch in (PCB) chỉ có thể thực hiện chức năng EMC tương tự khi cấu trúc điện môi, hình dạng và tiêu chuẩn của nó đáp ứng được yêu cầu đánh giá cách điện.

Các phương pháp lựa chọn và sử dụng cách ly điện trong thiết kế điện tử công suất.

Bước 1 – Xác định các yêu cầu về an toàn và phân vùng cách ly.

➠ Hãy xem xét liệu thiết kế của bạn cần bảo vệ người sử dụng khỏi điện áp nguy hiểm hay chỉ đơn giản là cách ly các miền chức năng. Xác định loại cách điện cần thiết (chức năng, cơ bản, kép hoặc tăng cường), điện áp hoạt động, cấp quá điện áp và mức độ ô nhiễm theo tiêu chuẩn IEC 60664-1 và các tiêu chuẩn sản phẩm liên quan như IEC 62368-1.

Bước 2 – Xác định các giao diện và đường truyền tín hiệu, nguồn điện qua rào cản cách ly.

➠ Xác định tất cả các giao diện tín hiệu (ví dụ: SPI, CAN, RS-485, đầu vào ADC) và các đường cấp nguồn phải đi qua rào cản cách ly. Xác định phía nào là phía nguy hiểm (phía sơ cấp) và phía nào là phía điện áp cực thấp an toàn (SELV) hoặc phía người sử dụng có thể tiếp cận (phía thứ cấp), đồng thời ghi lại tốc độ truyền, số lượng kênh và đặc điểm của tất cả các tín hiệu tương tự và kỹ thuật số cần thiết.

Bước 3 – Chọn công nghệ cách ly phù hợp.

➠ Nguyên tắc ra quyết định: Nếu bạn yêu cầu mức độ an toàn cao và tốc độ truyền dữ liệu nhanh hoặc số lượng kênh lớn, hãy chọn bộ cách ly kỹ thuật số. Nếu tốc độ truyền dữ liệu thấp, số lượng kênh ít hoặc cần truyền tín hiệu phản hồi tương tự, thì bộ ghép quang thường phù hợp hơn. Sử dụng máy biến áp để truyền tải điện năng và tạo cách ly an toàn giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, đồng thời sử dụng các mô-đun nguồn cách ly khi chỉ cần cách ly các miền nối đất và cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC).

Bước 4 – Xác định kích thước khoảng cách không khí, khoảng cách rò và chiều dày cách điện rắn.

➠ Đối với các linh kiện đã chọn, hãy kiểm tra khoảng cách không khí, khoảng cách rò và chiều dày cách điện rắn cần thiết bằng cách sử dụng các bảng trong IEC 60664-1, dựa trên điện áp hoạt động và mức độ ô nhiễm của hệ thống. Thiết kế bảng mạch in (PCB) sao cho khoảng cách không khí và khoảng cách giữa các đường dẫn điện bằng hoặc lớn hơn các giá trị yêu cầu, đồng thời cũng tính đến khoảng cách cách điện tối thiểu và điện áp thử nghiệm cách điện được quy định trong bảng dữ liệu của linh kiện.

Bước 5 – Tích hợp các linh kiện cách ly theo tiêu chuẩn IEC 62368-1.

➠ Đối chiếu từng thành phần cách ly với các yêu cầu tương ứng trong IEC 62368-1. Sử dụng Phụ lục G để đánh giá các tụ điện và bộ ghép quang có cấp cách điện không được chỉ định rõ ràng, đồng thời áp dụng yêu cầu 5.4 đối với máy biến áp có cấp cách điện cơ bản, kép hoặc tăng cường được chỉ định. Đối với bộ cách ly kỹ thuật số, hãy kết hợp thông tin ở cấp độ linh kiện theo IEC 60747-17 với các yêu cầu về cách điện rắn và thử nghiệm độ bền điện của IEC 62368-1.

Bước 6 – Kiểm tra hiệu suất, khả năng tương thích điện từ và tuổi thọ.

➠ Hãy đảm bảo giải pháp cách ly tín hiệu bạn chọn đáp ứng các yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, độ trễ lan truyền, cũng như các giới hạn CMTI và EFT cần thiết cho môi trường hoạt động mục tiêu. Xác nhận rằng giải pháp cách ly tăng cường hoặc cách ly kép đáp ứng tuổi thọ dự kiến (ví dụ: 30 năm đối với bộ cách ly kỹ thuật số phù hợp) và thực hiện các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, bao gồm thử nghiệm điện áp cao và thử nghiệm EMC, để xác minh rằng thiết kế tổng thể đáp ứng các mục tiêu về an toàn và độ tin cậy.