电池充电系统提升触电防护，善用数字隔离器成关键（一）

　避免电子产品发生触电情形的主要设计塬则，就是在危险的带电电路与任何可能会被电子装置使用者所接触到的导体之间，必须要具有对等的两组独立绝缘系统。其中一组绝缘系统可以是安全接地的包覆与单层的内部绝缘，或者是设置两组绝缘系统以提供备援性的保护。随着电气系统的复杂度增加，在两个绝缘层之间进行直流电隔离通讯，但又不能失去讯号完整度的需求也日益提高，因而产生装置必须具有等效电气强度与可靠度的两组备援绝缘系统的要求。透过加强型隔离装置的结构、型式测试（Type Testing）以及对于保护功能持续监测等条件的相互结合，设计人员即可确保两组独立系统之间的对等安全性。

　　本文将说明如何在IEC60950以及相关的IEC60747-5-5与VDE-0884-10等标準制定与测试要求上，利用光耦合器与数位隔离器建立加强绝缘，另外也会针对这两种类型的隔离器与其他通过IEC标準认证的产品进行差异性比较。

　　确保系统安全性　数字隔离器扮要角

　　在现今的系统中，隔离器是绝对必要的。例如在电池充电系统、通讯系统中接地迴路的阻断、保护使用者免于危险的线路或二次电压，都须使用隔离器。隔离器的位準乃是取决于特定应用装置所需的安全程度。功能性的隔离器无法为使用者提供保护，只能够对元件提供所需要的绝缘以使其适当的运行。基础或是单一的绝缘具有一定程度的触电保护，则能为操作者提供足够的保护。

　　然而，隔离器为了要保护人们能避开危险的电压，依规则须具有两组独立的绝缘系统，一组基本系统做为触电保护之用，另一组则是补充层，如此一来假如有一组绝缘系统发生故障时，备援系统仍然可为操作者提供保护。此类型的安排称作「双重绝缘」。这种绝缘的主要要求是安全性而非电气功能，因此在评估时的故障準则就是在经过认证后，其隔离屏障是否完整，假如该元件仍然依照塬本的规格运作，那么这就是一个可用的元件。

　　在电源供应控制与回授应用装置当中，资料必须从交流对直流（AC-DC）转换器的安全超低电压（SELV）端流向电源供应的线路端。操作者可能会接触到电源供应的SELV端，因此在资料路径中必须要有两组独立的隔离系统，藉以保护操作者免于触电。像是电阻或是电容器之类的被动式元件能以串联方式运作，而不会有显着的功能降级，但是将两组资料隔离器放到路径当中则会有不切实际的问题，塬因有好几点。第一点是类比资料会失去保真度，而数位资料会具有较长的传播延迟与额外的抖动；其次则是需要中间电源供应，以便在隔离的两个层级之间运作耦合器介面。

　　将资料隔离元件加倍的不实际性，所衍生出来的是需要有能够穿越双重绝缘屏障而进行直接连结，又不会牺牲安全性的单一元件。这类型的元件（图1）被归类为具有加强型的绝缘功能。

　　图1 隔离器架构图

　　满足电压隔离标准　元件层级要求日益严苛

　　元件的加强型绝缘功能可以透过两种方式评估；元件的外形尺寸像是沿面距离（Creepage）、空隙与电痕指数（Tracking Index）以及内部电气性能等，内部与外部的需求在处理上所採用的方式大为不同。

　　外形尺寸必须要相当于双重绝缘系统基本层与补充层所提供的总距离。一般来说，加强型隔离元件所有的沿面距离与空隙需求都是基本/补充型等级元件需求的两倍。如图2所示，此为两组常见作业情况以及所需沿面距离与空隙的範例。採用这种方式是因为外部环境与表面属性会决定外部空间的需求。这些需求包括预期的污染量、空气压力以及元件外部表面受到表面放电所侵蚀的倾向─被称为电痕（Tracking）。

　　图2 沿面距离与空隙范例图

　　此外，对于元件内部属性的方案则是绝缘的品质远比所需的绝缘厚度更加重要。因此生产厂商可能会展示该元件具有能够承受长期与短期电压应力的所需电气属性。 IEC60950标準的要求乃是针对办公室与电信设备，以及很大的程度是针对医疗装置所设定。外形尺寸与材料可以很容易的经由微测计以及某些使用于电痕指数的散装材料测试加以验证。

　　对于外部的需求，目前有叁个方案可对元件进行验证。首先是该元件可以被当成只具有固态绝缘而进行评估，这是最简单的方案。因为其只需要所有穿透绝缘或是沿着胶合接点的内部距离大过0.4毫米（mm）即可。然而，想要建构一个可符合这些需求的高性能资料耦合器是很困难的，一般普遍认为0.4毫米的最小绝缘厚度可应用到所有的加强型隔离元件上；但其实并非如此，而且这是一个会让许多工程师感到混淆的问题点。

　　其次，假如该元件是光耦合器，那么就必须採用IEC60747-5-5标準。这是一项严苛的标準，专门针对加强型绝缘光耦合器的验证所设计，并且具有一系列的型式测试与寿命测试，而且在每个测试之后会接续隔离承受验证测试。

　　第三，隔离器可被当成是半导体元件。这个类别的元件具有类似于IEC60747-5-5需求的全套型式测试。这个方案适用于数位隔离器，因为光耦合器标準的测试需求乃是特别针对光耦合器的结构所制订。