绝缘基础知识：为您的应用选择正确的绝缘解决方案

1.前言

每个人都知道绝缘是什么，但对绝缘的各种类型知之甚少。在本文中，我们将着眼于四种隔离类型，并解释 TI 的高度集成变压器技术如何提供优于其他增强型隔离解决方案的优势。

简单来说，隔离是在系统中的分立组件之间传输所需信号和/或功率，同时阻止不需要的直流和交流电流。因此，绝缘被用于许多应用中。通过隔离功能驱动电源或电机驱动电路的上栅极驱动器保护高压系统上的低压电路（如电动汽车系统的处理器）隔离不同电压电位系统之间的通信可以防止使用高压设备的终端消费者触电。为此，使用了不同级别的绝缘：功能绝缘、基本绝缘、双重绝缘和加强绝缘。

功能隔离，顾名思义，就是提供隔离功能。它在不同电压电位的系统之间传送信号或电源，并且不提供电击保护。

基本隔离是下一个隔离级别。在功能绝缘的基础上增加了防触电保护。I 类设备使用接地连接进行功能隔离以保护用户。图 1 显示了典型的 I 类设备。

图 1：I 类设备

双重隔离是电气部件和最终消费者之间的二次连接，以减少在使用基本绝缘的系统中如果基本绝缘失效可能发生的电击机会，提供基本的电击保护级别。绝缘层是添加。II 类产品需要双重绝缘。这些产品使用没有接地插脚的交流插头制造。它提高了用户安全，因为为了用户安全不使用外部接线。使用双重绝缘的终端设备包括电网资产监控系统、IV 泵等便携式医疗设备、搅拌机等家用电器和手机充电器。

第二层可用于将内部金属部分与外壳物理屏蔽，或使用非导电材料（例如塑料）作为外壳。与 I 类设备相比，II 类设备提供了显着的安全性，因为它们不使用外部接线进行双重保护。图 2 显示了 II 类设备的示意图。

图 2：II 类设备

隔离加强型（reinforced isolation）通过使用单层达到与双重绝缘相同的效果。具有加强绝缘的设备旨在提供基本隔离并满足安全爬电距离和间距（两个电压系统之间的物理距离），同时保持 PCB 走线、磁芯、绕组和引脚之间的物理间距。增强型设备采用双重绝缘设计，但只能作为单件进行测试。

安全标准规定了获得认证必须达到的要求。IEC 60950-1 标准要求基本绝缘的爬电距离和间距为 3.2 毫米，加强绝缘和双重绝缘为 6.4 毫米。额定电压要求 2,500V 1 分钟，基本绝缘RMS 3,000V 和一个 1 秒RMS，而加强绝缘和双重绝缘是 5,000V 1 分钟RMS 6,000V 和 1 秒RMS。可以看出，加强/双重绝缘正好是基本绝缘的两倍。双绝缘设备在标签上用双框标记标记，如图3所示。

图 3：双重绝缘标记

如果我们正在设计 II 类设备，我们将需要双重或加强绝缘。选择哪种绝缘材料取决于解决方案的尺寸和成本。使用可以同时实现这两种功能的单个设备当然会在物理上减小解决方案的尺寸。使用单个集成设备不仅可以降低成本，还可以减少满足绝缘安全标准所需的工程设计。

可以使用小封装的高度集成的增强绝缘解决方案，并且可以使用这些解决方案方便地实施。Texas Instruments UCC12030将 控制、驱动器、场效应晶体管和磁性元件集成到单个封装中。只需几个旁路电容器，就可以根据正确的电路板布局指南将器件安装在电路板上，并为偏置电源应用设计一个具有极小占位面积的增强型隔离解决方案。所有的工程工作都已经完成，因此无需选择磁性设计或功率控制器。

VDE 0884-10 和 IEC 60747-17 等标准定义了增强绝缘设备认证的最低要求。UCC12050满足增强绝缘的所有要求，最低保护为 7kV PK（1 秒，生产测试）和 5kV RMS（1 分钟）绝缘。

简而言之，功能隔离和基本隔离是将一个电压轨与另一个电压轨进行电气隔离，而双重隔离和增强隔离是实现从插头去除接地引脚的相同目标的兼容解决方案，只是设计不同。

与双重绝缘相比，加强绝缘的优势在于可以将两个隔离的设备减少为一个。与其他隔离偏置电源解决方案相比，使用这种隔离可以节省时间、精力和成本。