通過引入加強型隔離器增強電池充電系統(tǒng)防觸電保護

　　為避免消費者在使用電池供電的電子裝置時發(fā)生觸電情形，產品設計人員必須在危險的帶電電路與任何可能被使用者接觸的導體間，採用加強型隔離裝置，設立對等的兩組獨立絕緣系統(tǒng)，以確保電池供電產品的安全性，同時兼顧電子訊號的完整度?！　?/p>

　　避免電子產品發(fā)生觸電情形的主要設計塬則，就是在危險的帶電電路與任何可能會被電子裝置使用者所接觸到的導體之間，必須要具有對等的兩組獨立絕緣系統(tǒng)。其中一組絕緣系統(tǒng)可以是安全接地的包覆與單層的內部絕緣，或者是設置兩組絕緣系統(tǒng)以提供備援性的保護。隨著電氣系統(tǒng)的復雜度增加，在兩個絕緣層之間進行直流電隔離通訊，但又不能失去訊號完整度的需求也日益提高，因而產生裝置必須具有等效電氣強度與可靠度的兩組備援絕緣系統(tǒng)的要求。透過加強型隔離裝置的結構、型式測試（Type Testing）以及對于保護功能持續(xù)監(jiān)測等條件的相互結合，設計人員即可確保兩組獨立系統(tǒng)之間的對等安全性。

　　本文將說明如何在IEC60950以及相關的IEC60747-5-5與VDE-0884-10等標準制定與測試要求上，利用光耦合器與數(shù)位隔離器建立加強絕緣，另外也會針對這兩種類型的隔離器與其他通過IEC標準認證的產品進行差異性比較。

　　確保系統(tǒng)安全性　數(shù)位隔離器扮要角

　　在現(xiàn)今的系統(tǒng)中，隔離器是絕對必要的。例如在電池充電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)中接地迴路的阻斷、保護使用者免于危險的線路或二次電壓，都須使用隔離器。隔離器的位準乃是取決于特定應用裝置所需的安全程度。功能性的隔離器無法為使用者提供保護，只能夠對元件提供所需要的絕緣以使其適當?shù)倪\行?；A或是單一的絕緣具有一定程度的觸電保護，則能為操作者提供足夠的保護。

　　然而，隔離器為了要保護人們能避開危險的電壓，依規(guī)則須具有兩組獨立的絕緣系統(tǒng)，一組基本系統(tǒng)做為觸電保護之用，另一組則是補充層，如此一來假如有一組絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障時，備援系統(tǒng)仍然可為操作者提供保護。此類型的安排稱作「雙重絕緣」。這種絕緣的主要要求是安全性而非電氣功能，因此在評估時的故障準則就是在經過認證后，其隔離屏障是否完整，假如該元件仍然依照塬本的規(guī)格運作，那么這就是一個可用的元件。

　　在電源供應控制與回授應用裝置當中，資料必須從交流對直流（AC-DC）轉換器的安全超低電壓（SELV）端流向電源供應的線路端。操作者可能會接觸到電源供應的SELV端，因此在資料路徑中必須要有兩組獨立的隔離系統(tǒng)，藉以保護操作者免于觸電。像是電阻或是電容器之類的被動式元件能以串聯(lián)方式運作，而不會有顯著的功能降級，但是將兩組資料隔離器放到路徑當中則會有不切實際的問題，塬因有好幾點。第一點是類比資料會失去保真度，而數(shù)位資料會具有較長的傳播延遲與額外的抖動；其次則是需要中間電源供應，以便在隔離的兩個層級之間運作耦合器介面。

　　將資料隔離元件加倍的不實際性，所衍生出來的是需要有能夠穿越雙重絕緣屏障而進行直接連結，又不會犧牲安全性的單一元件。這類型的元件（圖1）被歸類為具有加強型的絕緣功能。

　　圖1 隔離器架構圖

　　滿足電壓隔離標準　元件層級要求日益嚴苛

　　元件的加強型絕緣功能可以透過兩種方式評估；元件的外形尺寸像是沿面距離（Creepage）、空隙與電痕指數(shù)（Tracking Index）以及內部電氣性能等，內部與外部的需求在處理上所採用的方式大為不同。

　　外形尺寸必須要相當于雙重絕緣系統(tǒng)基本層與補充層所提供的總距離。一般來說，加強型隔離元件所有的沿面距離與空隙需求都是基本/補充型等級元件需求的兩倍。如圖2所示，此為兩組常見作業(yè)情況以及所需沿面距離與空隙的範例。採用這種方式是因為外部環(huán)境與表面屬性會決定外部空間的需求。這些需求包括預期的污染量、空氣壓力以及元件外部表面受到表面放電所侵蝕的傾向─被稱為電痕（Tracking）。

　　圖2 沿面距離與空隙範例圖

　　此外，對于元件內部屬性的方案則是絕緣的品質遠比所需的絕緣厚度更加重要。因此生產廠商可能會展示該元件具有能夠承受長期與短期電壓應力的所需電氣屬性。IEC60950標準的要求乃是針對辦公室與電信設備，以及很大的程度是針對醫(yī)療裝置所設定。外形尺寸與材料可以很容易的經由微測計以及某些使用于電痕指數(shù)的散裝材料測試加以驗證。

　　對于外部的需求，目前有叁個方案可對元件進行驗證。首先是該元件可以被當成只具有固態(tài)絕緣而進行評估，這是最簡單的方案。因為其只需要所有穿透絕緣或是沿著膠合接點的內部距離大過0.4毫米（mm）即可。然而，想要建構一個可符合這些需求的高性能資料耦合器是很困難的，一般普遍認為0.4毫米的最小絕緣厚度可應用到所有的加強型隔離元件上；但其實并非如此，而且這是一個會讓許多工程師感到混淆的問題點。

　　其次，假如該元件是光耦合器，那么就必須採用IEC60747-5-5標準。這是一項嚴苛的標準，專門針對加強型絕緣光耦合器的驗證所設計，并且具有一系列的型式測試與壽命測試，而且在每個測試之后會接續(xù)隔離承受驗證測試。

　　第叁，隔離器可被當成是半導體元件。這個類別的元件具有類似于IEC60747-5-5需求的全套型式測試。這個方案適用于數(shù)位隔離器，因為光耦合器標準的測試需求乃是特別針對光耦合器的結構所制訂。

　　至于加強型隔離等級的驗證與維護則須分成叁方面來實行。首先是材料與尺寸必須加以估算，而電氣測試也必須施行。測試項目包括會導致過熱或是災難性絕緣失效的熱循環(huán)、有限壽命測試，以及電氣過載等。隔離功能的整合性則是在每個環(huán)境或是測試之后以電壓承受測試進行檢查。IEC60747型式測試的內容總結于表1當中。

　　其次，當元件依據(jù)其尺寸與型式測試而獲得驗證之后，接著就會檢查每個元件的絕緣整合性，因為這些元件是根據(jù)電壓承受測試而生產。在IEC60747-5-5或是同類型的認證狀況中，部分的放電絕緣品質測試也需要在每個元件上執(zhí)行。

　　最后由認證機構施行定期查核，以便確認材料與尺寸沒有被修改，所有的組裝線測試都有利用校正過的設備適當執(zhí)行。有些型式測試會以抽樣方式週期性的重復執(zhí)行，并且由審查員加以檢閱。

　　滿足各種隔離標準　加強型絕緣設計獲青睞

　　先前的討論都專注在最廣為應用的標準，不同的標準對于元件層級則可能會有不同的要求。這些要求甚至會在單一標準中隨版本的不同而改變。關于這點，隨著IEC朝向統(tǒng)一方案的方向發(fā)展而已經漸漸的不再是問題。這很可能需要很長的時間才能達成，因為各個獨立的標準委員會仍然存在有顯著的獨立性。

　　系統(tǒng)層級標準應用的統(tǒng)一化趨勢，就是可供使用的元件層級標準，例如IEC60747-5-5。如果有這樣一個因應元件而存在的標準，那么它就能夠加以應用，而非如同前述「元件層級的要求」中第二點所提到的系統(tǒng)層級標準的特定要求。目前這個標準只適用于光耦合器，不能應用在較新的數(shù)位隔離器；然而VDE已經建立了VDE0884-10標準的草案，能夠將IEC60747-5-5標準的絕緣測試應用在數(shù)位隔離器上。

　　新的標準都設定了對于加強型絕緣的高標準，其中包括有在10kV或是更高位準的浪涌測試?，F(xiàn)今非常薄的絕緣層都將無法通過這項測試，且對于許多的光耦合器與數(shù)位隔離器在加強型絕緣的驗證上而言，此項測試已被證實是具有鑑別性的測試。無法符合這些要求的元件通常會倒煺回可以應用在基本絕緣的IEC60747-5-2標準，如此一來應用市場將無法擴大。對于隔離系統(tǒng)的設計廠商而言，這又是一個令人感到混淆的問題點，因為他們認為IEC60747-5驗證會自動的提供加強型狀態(tài)。IEC委員會目前正在致力于修訂IEC60747-5-5標準，使其包含數(shù)位隔離器。下一個統(tǒng)一化的標準在未來將能夠適用于所有的IEC系統(tǒng)層級標準，并有助于消除混亂的情況。

　　總結而言，在資料隔離器當中的加強型絕緣，其設計與驗證是為了要替雙重絕緣系統(tǒng)提供保護功能，同時以單一隔離屏障提供可達成的資料發(fā)送性能。在外部，元件的沿面距離與空隙需求必須相當于基本絕緣需求的兩倍。在內部，絕緣功能須符合固態(tài)絕緣需求，包括穿越絕緣的最小距離，或在保護狀態(tài)下接受廣泛的型式測試及組裝線測試。加強型絕緣等級是經由測試而非詳細的結構要求進行驗證而獲得，這樣將可使絕緣技術上的創(chuàng)新在進行驗證時不須針對每項新技術重新編寫標準。