電池充電系統有效利用數字隔離器提升觸電防護

避免電子產(chǎn)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(huì )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。其中一組絕緣系統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以提供備援性的保護。隨著(zhù)電氣系統的復雜度增加，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度與可靠度的兩組備援絕緣系統的要求。透過(guò)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監測等條件的相互結合，設計人員即可確保兩組獨立系統之間的對等安全性。

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

確保系統安全性　數字隔離器扮要角

在現今的系統中，隔離器是絕對必要的。例如在電池充電系統、通訊系統中接地迴路的阻斷、保護使用者免于危險的線(xiàn)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(wú)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的運行?；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(kāi)危險的電壓，依規則須具有兩組獨立的絕緣系統，一組基本系統做為觸電保護之用，另一組則是補充層，如此一來(lái)假如有一組絕緣系統發(fā)生故障時(shí)，備援系統仍然可為操作者提供保護。此類(lèi)型的安排稱(chēng)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(shí)的故障準則就是在經(jīng)過(guò)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格運作，那么這就是一個(gè)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(xiàn)路端。操作者可能會(huì )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，藉以保護操作者免于觸電。像是電阻或是電容器之類(lèi)的被動(dòng)式元件能以串聯(lián)方式運作，而不會(huì )有顯著(zhù)的功能降級，但是將兩組資料隔離器放到路徑當中則會(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，而數位資料會(huì )具有較長(cháng)的傳播延遲與額外的抖動(dòng)；其次則是需要中間電源供應，以便在隔離的兩個(gè)層級之間運作耦合器介面。

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，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)為具有加強型的絕緣功能。

滿(mǎn)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(guò)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(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基本層與補充層所提供的總距離。一般來(lái)說(shuō)，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(jiàn)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(huì )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(chēng)為電痕(Tracking)。

　圖2 沿面距離與空隙范例圖

此外，對于元件內部屬性的方案則是絕緣的品質(zhì)遠比所需的絕緣厚度更加重要。因此生產(chǎn)廠(chǎng)商可能會(huì )展示該元件具有能夠承受長(cháng)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療裝置所設定。外形尺寸與材料可以很容易的經(jīng)由微測計以及某些使用于電痕指數的散裝材料測試加以驗證。對于外部的需求，目前有叁個(gè)方案可對元件進(jìn)行驗證。首先是該元件可以被當成只具有固態(tài)絕緣而進(jìn)行評估，這是最簡(jiǎn)單的方案。因為其只需要所有穿透絕緣或是沿著(zhù)膠合接點(diǎn)的內部距離大過(guò)0.4毫米(mm)即可。然而，想要建構一個(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(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，那么就必須採用IEC60747-5-5標準。這是一項嚴苛的標準，專(zhuān)門(mén)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(gè)測試之后會(huì )接續隔離承受驗證測試。

第三，