讓電器與連網(wǎng)裝置的高壓電路設計更加安全

隨著(zhù)新的安全標準IEC60335的發(fā)布，對智慧電器和物聯(lián)網(wǎng)設備在家庭中的電源開(kāi)發(fā)工程師帶來(lái)了新的電源設計挑戰。這份最近公布的標準，對交流/直流電源的隔離電壓、沿面距離（Creepage）、間隙距離和漏電流進(jìn)行了嚴格的規范。

如此一來(lái)，期望設計出能滿(mǎn)足多項要求、且小型、高效的電源電路就變得有些困難，此外，必要的測試和認可程序更是增加了成本，并且上市時(shí)間將被迫延后。

而在各種應用中，我們會(huì )發(fā)現高電壓電路的設計存在著(zhù)有著(zhù)許多的挑戰。而這些挑戰，是許多工程師累積了多年來(lái)在現場(chǎng)的觀(guān)察，和本身的經(jīng)驗而整理出來(lái)的。包括了：定義出高壓模塊要求、高壓電源轉換器的精度、應用中的高壓電路設計、在終端應用中的處理和高度整合等。


 
圖一 : 期望設計出能滿(mǎn)足多項要求、且小型、高效的電源電路就變得有些困難（source：RAYMING）

定義出高壓模塊要求
在設計過(guò)程中，定義出需求是至關(guān)重要的。以下列出了在尋找高壓模塊時(shí)應考慮的幾個(gè)問(wèn)題。

輸入和輸出條件：了解高壓模塊的可用輸入和應用中的負載條件，是獲得正確解決方案的第一步。輸入電壓及其精度很重要，有助于確定電路模塊所需要的線(xiàn)路調節和保護的要求。在大多數應用中，較常遇到的負載是電阻和電容組件的混合。因此，了解負載和負載條件，對于確定高壓電源的電壓和電流要求就變得相當重要。

電壓和電流要求：根據高壓的工作范圍來(lái)定義出電壓、電流以及極性。這主要取決于負載的規格。例如，光電倍增管可能需要1200VDC和微安培的電流。

控制和監測信號：目前大多數應用都是由數字電路控制的，因此確認出應用中，可用來(lái)控制和監測高電壓模塊的信號，也是需要被重視的，尤其是在功能整合方面。

環(huán)境條件：根據不同的應用，可能需要考慮特定的環(huán)境條件，如工作溫度、濕度等。同時(shí)也應該注意方向性和高壓模塊的位置。

尺寸限制：這是高壓電源和整個(gè)應用的可用空間相對應。例如，在小型桌上或可攜式設備的應用中，尺寸就變得非常關(guān)鍵。例如半導體制造、檢測工具和分析儀器。重點(diǎn)是要使電路模塊盡可能縮小，以便在有限相同的空間中，加入更多的功能，或為下一代產(chǎn)品提供更多的空間。

機構核準：當終端應用產(chǎn)品必須受到特定機構核定的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域時(shí)，就不得不做更多的初期設計考慮。例如，分析儀器市場(chǎng)的UL/IEC/EN61010。

高壓電源轉換器的精度
高壓電源轉換器的精度會(huì )受到其他變量的影響，這些變量包括了輸入電壓的變化、負載條件、工作溫度和其他環(huán)境因素等。以下是在確定模塊的高電壓精度時(shí)，需要考慮的條件列表（如表一）。

表一:確定模塊的高電壓精度時(shí)，需要考慮的條件列表

這在質(zhì)譜（Mass Spectrometry）等應用中就變得非常重要，因為在這些應用中，儀器要保8個(gè)小時(shí)的連續運作時(shí)，要有能力在檢測相同的樣品下，能檢測出相同的結果。如果高壓電源不夠穩定的話(huà)，那么就會(huì )成為一個(gè)非常大的問(wèn)題。

應用中的高壓電路設計
設計高壓電路時(shí)，需要特別注意一些細節，而這些細節跟設計低壓或數字電路是無(wú)關(guān)的。在設計過(guò)程中，可能需要使用一些相關(guān)組件，這對高壓端是具有一些挑戰性。



 
圖二 : 設計高壓電路時(shí)，需要特別注意一些細節。

在終端應用中的處理和高度整合
當模塊和電氣、機械方面整合時(shí)，需要考慮操作和整合的容易度。如果在設計的模塊中，已經(jīng)包含了以下列項，那么在進(jìn)行高電壓整合時(shí)，就會(huì )變得更容易些。

輸入保護
具有輸入欠壓和過(guò)壓保護，可以保護單元不受輸入線(xiàn)路的干擾。

具有控制過(guò)壓保護，可以保護設備和應用不受程序設計影像出現高于默認的電壓。

輸出保護
具有電弧保護，使設備避免受到電弧影響。

具有過(guò)電流保護和短路保護，可為模塊和應用提供安全保障，以防設備超載或出現短路。

熱保護
具有過(guò)熱跳脫可保護模塊，以防處于超出工作溫度范圍。這種設計通常在過(guò)熱條件消除后，就會(huì )恢復運作。

IEC 60335的基本要求是什么？
此外，令設計面對更多挑戰的是，許多家用電器可能會(huì )在潮濕多水的環(huán)境中使用，但由于電源電路中內置高壓電源軌的關(guān)系，所以，這對設計工程來(lái)說(shuō)更是一項大挑戰。

IEC 60335規范了「家用和類(lèi)似電氣設備的安全」，其單相額定電壓不超過(guò)250V，多相電壓則不高于480V。而IEC 60335-1更包含所有家用電器的基本要求。因此對于電源開(kāi)發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，所面臨的挑戰之一是了解IEC 60335-1與之前早期IEC 60950-1之間的區別。包括在最大漏電流水平、絕緣電壓、間隙距離等的差異性和相似之處。

例如，在正常操作下，當進(jìn)行接地時(shí)，漏電流會(huì )流經(jīng)底盤(pán)和保護接地導體。如果接地因任何原因失效時(shí)，漏電流可能會(huì )流經(jīng)設備操作員的身體，帶來(lái)潛在的危險。對此IEC 60335-1定義了可攜式設備和固定式設備兩類(lèi)設備的規范。

而IEC 60950-1則有三種設備類(lèi)別：掌上型、移動(dòng)式和固定式。在IEC 60335中，對可攜式設備的漏電流被限制在0.75mA，雖然IEC 60950-1對掌上型設備也是如此，但對于可移動(dòng)的和固定的設備則是規范不得超過(guò)3.5 mA，這和IEC 60335-1中，固定設備的規定相同。也就是說(shuō)，對于IEC 60335-1而言，即使是可移動(dòng)式的設備，漏電流的上限只能有0.75mA。

此外，兩個(gè)標準對隔離電壓的要求也有不同的定義。所需的隔離級別將會(huì )取決于電路中兩點(diǎn)的相對位置（輸入到輸出，輸出到接地，輸入到接地）；在IEC 60950-1中，只定義了固定的數值，例如，輸入到輸出隔離為3000伏特。而IEC 60335-1則是規定2400伏特 + 2.4倍的工作電壓，這樣的變量性質(zhì)下，隔離電壓將會(huì )因為工作電壓而改變。

對于輸出到接地的隔離電壓。對于輸出到接地的隔離方面，IEC60950-1規定了500V的隔離電壓，但IEC60335-1卻沒(méi)有任何要求。

兩種標準在處理沿面距離和間隙距離方面的差異也很明顯。雖然兩個(gè)標準都是基于工作電壓，和絕緣類(lèi)型（基本型或加強型）來(lái)定義沿面和間隙，但在對IEC60950-1和IEC60335-1做比較時(shí)，會(huì )發(fā)現在條件下，其要求可能相同，也有可能更嚴格或更寬松。

兩個(gè)導電組件之間表面的最短距離被定義為沿面（圖三）。如果工作電壓在200和250伏之間，這兩個(gè)標準要求的絕緣距離都為5.0mm。但當工作電壓上升到250和300伏之間時(shí)，IEC60950-1所規定的沿面距離為6.4mm，而IEC60335-1的規范更為嚴格，要求絕緣沿面距離必須加強到8.0 mm。


 
圖三 : 在絕緣表面測量沿面距離。（source：CUI；智動(dòng)化整理）

間隙距離是兩個(gè)導電組件之間通過(guò)空氣的距離（圖四）。在IEC 60335-1中的間隙要求只有3.5毫米，而IEC 60950-1的限制性更強，當考慮到強化絕緣和150-300V的工作電壓時(shí)，則規定需要4.0mm。IEC 60335還要求電器需要滿(mǎn)足IEC60529中定義的保護（IP）等級。IP等級是根據電器的使用環(huán)境而定義，許多家用電器可能需要在潮濕或多水的環(huán)境中安全運行。因此IEC 60529規定了的保護等級，便取決于電器的分類(lèi)。



 
圖四 : 在空氣中測量間隙距離。（source：CUI；智動(dòng)化整理）

超越基本要求
構成目前智慧家庭的智慧電器，和物聯(lián)網(wǎng)連接設備比傳統電器要復雜得多。這些產(chǎn)品通常包括觸控式顯示器、軟件接口、數字控制、無(wú)線(xiàn)和/或有線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）連接，以及其他功能。由于這種復雜性的增加，IEC 60335不僅涵蓋了單一故障，同時(shí)也考慮到了兩個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的可能性。這與IEC 60950-1的安全標準形成鮮明對比，IEC 60950-1只要求在發(fā)生單一故障時(shí)還能安全運轉。

在IEC 60335-1要求必須預想兩個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的可能，這使得對于電力電子設備的測試就變得非常重要，這類(lèi)設備大多都包括了數字控制或監控功能，因此許多現階段的電路設計也就需要規劃出IEC 60335-1中定義的「保護性電子電路」（PEC）。在標準規定下，當PEC故障出現在另一個(gè)故障之前或之后，設備都必須能保持安全運作與安全。

也因為這樣，IEC 60335中有關(guān)PEC的概念，包括故障檢測軟件等各種軟件功能等都已經(jīng)超出了硬件層面。

多重故障的安全要求還包括了電磁兼容性 （EMC） 規格。IEC 60335要求在出現PEC故障后應執行EMC測試，以確保不會(huì )因為電磁干擾而進(jìn)入不安全的工作狀態(tài)。

而在單一故障狀況且有EMI的情況下，IEC 60355會(huì )要求韌體或軟件控制功能都能安全運作。除了系統控制功能外，此要求還延伸到具備數字控制的個(gè)別AC-DC 電源電路、DC-DC轉換電路和馬達驅動(dòng)電路等

IEC 60355
與IEC 60950不同的是，IEC 60335還有第2部分（IEC 60335-2），這包含了電器特定的要求，涵蓋范圍從烤面包機到空調系統的100多種不同家電類(lèi)型。因此電子工程師還必須熟悉第2部分。甚至在某些狀況下，第2部分要求會(huì )優(yōu)先于第1部分的基本要求。

第1部分和第2部分在美國和歐盟的處理方式不同。UL 60335-1在美國已經(jīng)過(guò)協(xié)調來(lái)符合IEC 60335-1，但UL標準并不認可第2部分的所有標準。而歐盟對于EN 60335-1也經(jīng)過(guò)協(xié)調，而與UL標準不同的是，歐盟是認同第2部分的所有標準。

結論
所以，隨著(zhù)智能家庭產(chǎn)品與IoT設備的數量與日俱增，高度復雜的電路設計及認證方式，極度增加了設計的限制和復雜性，因此，電源工程不但要要清楚各項標準的規范外，還要細心確認各個(gè)會(huì )影響高電壓電路運作的各種條件，才能確保設計出的電源電路具有高度的安全性與運作效率。