電池充電系統(tǒng)提升觸電防護(hù)，善用數(shù)字隔離器成關(guān)鍵 - 全文

　　避免電子產(chǎn)品發(fā)生觸電情形的主要設(shè)計(jì)塬則，就是在危險(xiǎn)的帶電電路與任何可能會(huì)被電子裝置使用者所接觸到的導(dǎo)體之間，必須要具有對(duì)等的兩組獨(dú)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(nèi)部絕緣，或者是設(shè)置兩組絕緣系統(tǒng)以提供備援性的保護(hù)。隨著電氣系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，在兩個(gè)絕緣層之間進(jìn)行直流電隔離通訊，但又不能失去訊號(hào)完整度的需求也日益提高，因而產(chǎn)生裝置必須具有等效電氣強(qiáng)度與可靠度的兩組備援絕緣系統(tǒng)的要求。透過(guò)加強(qiáng)型隔離裝置的結(jié)構(gòu)、型式測(cè)試（Type Testing）以及對(duì)于保護(hù)功能持續(xù)監(jiān)測(cè)等條件的相互結(jié)合，設(shè)計(jì)人員即可確保兩組獨(dú)立系統(tǒng)之間的對(duì)等安全性。

　　本文將說(shuō)明如何在IEC60950以及相關(guān)的IEC60747-5-5與VDE-0884-10等標(biāo)準(zhǔn)制定與測(cè)試要求上，利用光耦合器與數(shù)位隔離器建立加強(qiáng)絕緣，另外也會(huì)針對(duì)這兩種類(lèi)型的隔離器與其他通過(guò)IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品進(jìn)行差異性比較。

　　確保系統(tǒng)安全性　數(shù)字隔離器扮要角

　　在現(xiàn)今的系統(tǒng)中，隔離器是絕對(duì)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(hù)使用者免于危險(xiǎn)的線路或二次電壓，都須使用隔離器。隔離器的位準(zhǔn)乃是取決于特定應(yīng)用裝置所需的安全程度。功能性的隔離器無(wú)法為使用者提供保護(hù)，只能夠?qū)υ峁┧枰慕^緣以使其適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行?；A(chǔ)或是單一的絕緣具有一定程度的觸電保護(hù)，則能為操作者提供足夠的保護(hù)。

　　然而，隔離器為了要保護(hù)人們能避開(kāi)危險(xiǎn)的電壓，依規(guī)則須具有兩組獨(dú)立的絕緣系統(tǒng)，一組基本系統(tǒng)做為觸電保護(hù)之用，另一組則是補(bǔ)充層，如此一來(lái)假如有一組絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備援系統(tǒng)仍然可為操作者提供保護(hù)。此類(lèi)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(píng)估時(shí)的故障準(zhǔn)則就是在經(jīng)過(guò)認(rèn)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(yùn)作，那么這就是一個(gè)可用的元件。

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

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

　　圖1 隔離器架構(gòu)圖

　　滿足電壓隔離標(biāo)準(zhǔn)　元件層級(jí)要求日益嚴(yán)苛

　　元件的加強(qiáng)型絕緣功能可以透過(guò)兩種方式評(píng)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(nèi)部電氣性能等，內(nèi)部與外部的需求在處理上所採(cǎi)用的方式大為不同。

　　外形尺寸必須要相當(dāng)于雙重絕緣系統(tǒng)基本層與補(bǔ)充層所提供的總距離。一般來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)型隔離元件所有的沿面距離與空隙需求都是基本/補(bǔ)充型等級(jí)元件需求的兩倍。如圖2所示，此為兩組常見(jiàn)作業(yè)情況以及所需沿面距離與空隙的範(fàn)例。採(cǎi)用這種方式是因?yàn)橥獠凯h(huán)境與表面屬性會(huì)決定外部空間的需求。這些需求包括預(yù)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 沿面距離與空隙范例圖

　　此外，對(duì)于元件內(nèi)部屬性的方案則是絕緣的品質(zhì)遠(yuǎn)比所需的絕緣厚度更加重要。因此生產(chǎn)廠商可能會(huì)展示該元件具有能夠承受長(zhǎng)期與短期電壓應(yīng)力的所需電氣屬性。 IEC60950標(biāo)準(zhǔn)的要求乃是針對(duì)辦公室與電信設(shè)備，以及很大的程度是針對(duì)醫(yī)療裝置所設(shè)定。外形尺寸與材料可以很容易的經(jīng)由微測(cè)計(jì)以及某些使用于電痕指數(shù)的散裝材料測(cè)試加以驗(yàn)證。

　　對(duì)于外部的需求，目前有叁個(gè)方案可對(duì)元件進(jìn)行驗(yàn)證。首先是該元件可以被當(dāng)成只具有固態(tài)絕緣而進(jìn)行評(píng)估，這是最簡(jiǎn)單的方案。因?yàn)槠渲恍枰写┩附^緣或是沿著膠合接點(diǎn)的內(nèi)部距離大過(guò)0.4毫米（mm）即可。然而，想要建構(gòu)一個(gè)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(rèn)為0.4毫米的最小絕緣厚度可應(yīng)用到所有的加強(qiáng)型隔離元件上；但其實(shí)并非如此，而且這是一個(gè)會(huì)讓許多工程師感到混淆的問(wèn)題點(diǎn)。

　　其次，假如該元件是光耦合器，那么就必須採(cǎi)用IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)加強(qiáng)型絕緣光耦合器的驗(yàn)證所設(shè)計(jì)，并且具有一系列的型式測(cè)試與壽命測(cè)試，而且在每個(gè)測(cè)試之后會(huì)接續(xù)隔離承受驗(yàn)證測(cè)試。

　　第三，隔離器可被當(dāng)成是半導(dǎo)體元件。這個(gè)類(lèi)別的元件具有類(lèi)似于IEC60747-5-5需求的全套型式測(cè)試。這個(gè)方案適用于數(shù)位隔離器，因?yàn)楣怦詈掀鳂?biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求乃是特別針對(duì)光耦合器的結(jié)構(gòu)所制訂。

　　至于加強(qiáng)型隔離等級(jí)的驗(yàn)證與維護(hù)則須分成三方面來(lái)實(shí)行。首先是材料與尺寸必須加以估算，而電氣測(cè)試也必須施行。測(cè)試項(xiàng)目包括會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱或是災(zāi)難性絕緣失效的熱循環(huán)、有限壽命測(cè)試，以及電氣過(guò)載等。隔離功能的整合性則是在每個(gè)環(huán)境或是測(cè)試之后以電壓承受測(cè)試進(jìn)行檢查。IEC60747型式測(cè)試的內(nèi)容總結(jié)于表 1當(dāng)中。

　　其次，當(dāng)元件依據(jù)其尺寸與型式測(cè)試而獲得驗(yàn)證之后，接著就會(huì)檢查每個(gè)元件的絕緣整合性，因?yàn)檫@些元件是根據(jù)電壓承受測(cè)試而生產(chǎn)。在IEC60747-5-5或是同類(lèi)型的認(rèn)證狀況中，部分的放電絕緣品質(zhì)測(cè)試也需要在每個(gè)元件上執(zhí)行。

　　最后由認(rèn)證機(jī)構(gòu)施行定期查核，以便確認(rèn)材料與尺寸沒(méi)有被修改，所有的組裝線測(cè)試都有利用校正過(guò)的設(shè)備適當(dāng)執(zhí)行。有些型式測(cè)試會(huì)以抽樣方式週期性的重復(fù)執(zhí)行，并且由審查員加以檢閱。

　　滿足各種隔離標(biāo)準(zhǔn)　加強(qiáng)型絕緣設(shè)計(jì)獲青睞

　　先前的討論都專(zhuān)注在最廣為應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于元件層級(jí)則可能會(huì)有不同的要求。這些要求甚至?xí)趩我粯?biāo)準(zhǔn)中隨版本的不同而改變。關(guān)于這點(diǎn)，隨著 IEC朝向統(tǒng)一方案的方向發(fā)展而已經(jīng)漸漸的不再是問(wèn)題。這很可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)成，因?yàn)楦鱾€(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)仍然存在有顯著的獨(dú)立性。

　　系統(tǒng)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的統(tǒng)一化趨勢(shì)，就是可供使用的元件層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC60747-5-5。如果有這樣一個(gè)因應(yīng)元件而存在的標(biāo)準(zhǔn)，那么它就能夠加以應(yīng)用，而非如同前述「元件層級(jí)的要求」中第二點(diǎn)所提到的系統(tǒng)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的特定要求。目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只適用于光耦合器，不能應(yīng)用在較新的數(shù)位隔離器；然而VDE已經(jīng)建立了VDE0884-10標(biāo)準(zhǔn)的草案，能夠?qū)EC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)的絕緣測(cè)試應(yīng)用在數(shù)位隔離器上。

　　新的標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)定了對(duì)于加強(qiáng)型絕緣的高標(biāo)準(zhǔn)，其中包括有在10kV或是更高位準(zhǔn)的浪涌測(cè)試?，F(xiàn)今非常薄的絕緣層都將無(wú)法通過(guò)這項(xiàng)測(cè)試，且對(duì)于許多的光耦合器與數(shù)位隔離器在加強(qiáng)型絕緣的驗(yàn)證上而言，此項(xiàng)測(cè)試已被證實(shí)是具有鑑別性的測(cè)試。無(wú)法符合這些要求的元件通常會(huì)倒煺回可以應(yīng)用在基本絕緣的 IEC60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)，如此一來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)將無(wú)法擴(kuò)大。對(duì)于隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)廠商而言，這又是一個(gè)令人感到混淆的問(wèn)題點(diǎn)，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為 IEC60747-5驗(yàn)證會(huì)自動(dòng)的提供加強(qiáng)型狀態(tài)。IEC委員會(huì)目前正在致力于修訂IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)，使其包含數(shù)位隔離器。下一個(gè)統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)在未來(lái)將能夠適用于所有的IEC系統(tǒng)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并有助于消除混亂的情況。

　　總結(jié)而言，在資料隔離器當(dāng)中的加強(qiáng)型絕緣，其設(shè)計(jì)與驗(yàn)證是為了要替雙重絕緣系統(tǒng)提供保護(hù)功能，同時(shí)以單一隔離屏障提供可達(dá)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(dāng)于基本絕緣需求的兩倍。在內(nèi)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(hù)狀態(tài)下接受廣泛的型式測(cè)試及組裝線測(cè)試。加強(qiáng)型絕緣等級(jí)是經(jīng)由測(cè)試而非詳細(xì)的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行驗(yàn)證而獲得，這樣將可使絕緣技術(shù)上的創(chuàng)新在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)不須針對(duì)每項(xiàng)新技術(shù)重新編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)。