通过引入加强型隔离器增强电池充电系统防触电保护

为避免消费者在使用电池供电的电子装置时发生触电情形，产品设计人员必须在危险的带电电路与任何可能被使用者接触的导体间，採用加强型隔离装置，设立对等的两组独立绝缘系统，以确保电池供电产品的安全性，同时兼顾电子讯号的完整度。　　

　　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等标准制定与测试要求上，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标准认证的产品进行差异性比较。

　　确保系统安全性　数位隔离器扮要角

　　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。隔离器的位准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准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 沿面距离与空隙範例图

　　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标准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标准。这是一项严苛的标准，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。

　　第叁，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，因为光耦合器标准的测试需求乃是特别针对光耦合器的结构所制订。

　　至于加强型隔离等级的验证与维护则须分成叁方面来实行。首先是材料与尺寸必须加以估算，而电气测试也必须施行。测试项目包括会导致过热或是灾难性绝缘失效的热循环、有限寿命测试，以及电气过载等。隔离功能的整合性则是在每个环境或是测试之后以电压承受测试进行检查。IEC60747型式测试的内容总结于表1当中。

　　其次，当元件依据其尺寸与型式测试而获得验证之后，接着就会检查每个元件的绝缘整合性，因为这些元件是根据电压承受测试而生产。在IEC60747-5-5或是同类型的认证状况中，部分的放电绝缘品质测试也需要在每个元件上执行。

　　最后由认证机构施行定期查核，以便确认材料与尺寸没有被修改，所有的组装线测试都有利用校正过的设备适当执行。有些型式测试会以抽样方式週期性的重复执行，并且由审查员加以检阅。

　　满足各种隔离标准　加强型绝缘设计获青睐

　　先前的讨论都专注在最广为应用的标准，不同的标准对于元件层级则可能会有不同的要求。这些要求甚至会在单一标准中随版本的不同而改变。关于这点，随着IEC朝向统一方案的方向发展而已经渐渐的不再是问题。这很可能需要很长的时间才能达成，因为各个独立的标准委员会仍然存在有显着的独立性。

　　系统层级标准应用的统一化趋势，就是可供使用的元件层级标准，例如IEC60747-5-5。如果有这样一个因应元件而存在的标准，那么它就能够加以应用，而非如同前述「元件层级的要求」中第二点所提到的系统层级标准的特定要求。目前这个标准只适用于光耦合器，不能应用在较新的数位隔离器；然而VDE已经建立了VDE0884-10标准的草案，能够将IEC60747-5-5标准的绝缘测试应用在数位隔离器上。

　　新的标准都设定了对于加强型绝缘的高标准，其中包括有在10kV或是更高位准的浪涌测试。现今非常薄的绝缘层都将无法通过这项测试，且对于许多的光耦合器与数位隔离器在加强型绝缘的验证上而言，此项测试已被证实是具有鑑别性的测试。无法符合这些要求的元件通常会倒煺回可以应用在基本绝缘的IEC60747-5-2标准，如此一来应用市场将无法扩大。对于隔离系统的设计厂商而言，这又是一个令人感到混淆的问题点，因为他们认为IEC60747-5验证会自动的提供加强型状态。IEC委员会目前正在致力于修订IEC60747-5-5标准，使其包含数位隔离器。下一个统一化的标准在未来将能够适用于所有的IEC系统层级标准，并有助于消除混乱的情况。

　　总结而言，在资料隔离器当中的加强型绝缘，其设计与验证是为了要替双重绝缘系统提供保护功能，同时以单一隔离屏障提供可达成的资料发送性能。在外部，元件的沿面距离与空隙需求必须相当于基本绝缘需求的两倍。在内部，绝缘功能须符合固态绝缘需求，包括穿越绝缘的最小距离，或在保护状态下接受广泛的型式测试及组装线测试。加强型绝缘等级是经由测试而非详细的结构要求进行验证而获得，这样将可使绝缘技术上的创新在进行验证时不须针对每项新技术重新编写标准。