測試測量產(chǎn)品的安全性設計與認證

2004年7月A版

　　電子產(chǎn)品的安全性已越來(lái)越受到人們的關(guān)注，不僅僅局限于家用電器，測試與測量產(chǎn)品也要進(jìn)行安全性認證。如果公司不具備一流的安全性設計理念，就會(huì )重復地犯同樣的錯誤，延誤產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　家用電器和信息技術(shù)設備領(lǐng)域的用戶(hù)在長(cháng)期使用過(guò)程中形成了免受電氣傷害的安全意識。測試與測量產(chǎn)品安全性意識的增強，首先歸之于新的高壓測量分類(lèi)和安全操作的額外保護的需要，例如用戶(hù)在測量操作時(shí)，可能會(huì )接觸到高于1千伏的電壓。除了高壓潛在危險，測試與測量產(chǎn)品使用范圍的擴大也是個(gè)重要原因。產(chǎn)品要在商業(yè)企業(yè)、實(shí)驗室、工業(yè)領(lǐng)域和危險的場(chǎng)所使用，拓寬了工作條件，諸如高溫、污染或潛在易爆氣體的環(huán)境。因此，測試與測量產(chǎn)品需要專(zhuān)門(mén)的安裝過(guò)程、標記要求和操作說(shuō)明。

強制性認證標準

　　在著(zhù)手安全性設計與認證之前，了解起重要作用的標準和認證過(guò)程是至關(guān)重要的。標準是產(chǎn)品安全性設計和測試技術(shù)規則的基石。安全性標準涉及的領(lǐng)域包括：元件、機殼、接地、絕緣、分類(lèi)、溫度限制、標記與標識、說(shuō)明文件、易燃性，以及測試方法等。

　　國際技術(shù)委員會(huì )(TC)測試與測量產(chǎn)品分會(huì )(TC66)制訂了國際電工委員會(huì )(IEC)標準，提案主要來(lái)自工業(yè)企業(yè)、測試機構以及有關(guān)各方。IEC標準是世界各國制訂標準，包括北美CL/CSA和歐洲標準的基礎。

　　標準被認為是最低可接受的條件。測試與測量設備的IEC61010—1標準規定了旨在專(zhuān)業(yè)、工業(yè)過(guò)程和教育領(lǐng)域使用的電氣產(chǎn)品和附件的安全性要求。

國外主要認證機構和各種標識

　　認證是從權威的第三方取得合格證書(shū)的過(guò)程，它表示產(chǎn)品和元件已符合相關(guān)的標準。產(chǎn)品檢驗合格后允許在其顯著(zhù)的位置貼上合格性標識。

　　Under writers laboratories(UL)和CSA International (CSA)是北美獨立的產(chǎn)品安全性測試和認證機構。產(chǎn)品上UL和CSA標識表明，產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)測試并符合UL/CSA要求。組合的cULus或cCSAus標識則表示符合美國或加拿大安全性標準：諸如UL3111-1(UL61010B-1)、UL3121-1(UL61010C-1)以及CAN/CSA C22.2  NO.1010.1。

　　UL、CSA和FM標識證明產(chǎn)品可在含有易爆氣體的危險場(chǎng)所使用，它采用的標準是UL1604、IEC/UL60079-15、CSA C22.2 NO.142-M1987等。

　　美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)還頒布了各類(lèi)產(chǎn)品電磁干擾條例，產(chǎn)品涉及發(fā)射機、接收機、信息技術(shù)和類(lèi)似的微處理器基設備。FC是該機構認可的電磁干擾合格聲明。為了簡(jiǎn)化計算機及相關(guān)設備的授權過(guò)程，并使FCC要求與全球市場(chǎng)要求接軌，FCC修改了第2部分第15部分，允許生產(chǎn)廠(chǎng)家自己進(jìn)行授權。美國FCC和加拿大EMI Verification A類(lèi)數字設備要求包括FCC Part15和ICES-003。

　　Notified Bodies是歐洲認可的安全性測試和認證機構，它依據的是歐洲標準EN61010-1。該機構的主要目標是保護消費者的健康。為供應商CE標識提供獨立的第三方支持。標識的實(shí)例有VDE、TUV和DemKO。EX則是危險場(chǎng)合使用認證標識，它表示符合EU Directive 94/9/EC的基本要求。測試與測量產(chǎn)品的易爆氣體標準是EN50021，保護系統分類(lèi)：EExnC IIC T4。

　　當產(chǎn)品的輸入電壓在50~1,000VAC或75~1,500VDC時(shí)，或產(chǎn)品易產(chǎn)生電磁干擾或受電磁干擾影響，產(chǎn)品應具有European Conformity(CE)標識。CE標識表示產(chǎn)品符合公共使用要求，如Directive 89/336/EEC(EMC)和73/23/EEC。CE是生產(chǎn)廠(chǎng)家或供應商自己公告的，其測試標準有EN55011(EMC輻射)，EN61326(EMC抗擾度)和EN61010-1(產(chǎn)品安全性)。

　　盡管產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家或供應商最終應對產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性負責，安全性標識畢竟可以提高公司的信譽(yù)度，避免風(fēng)險，擴大銷(xiāo)量。乍一看，認證過(guò)程比較復雜，但一旦和測試與認證機構建立良好的合作關(guān)系，授與產(chǎn)品認證標識也是順理成章的。

產(chǎn)品分類(lèi)

　　測試與測量產(chǎn)品的安全性分類(lèi)與產(chǎn)品的工作電壓或額定功率以及工作環(huán)境有關(guān)。該分類(lèi)是國際通用的。

測量分類(lèi)

　　測量分類(lèi)也稱(chēng)安裝分類(lèi)，它確定配電系統中標準化的脈沖承受電壓電平。圖1表示建筑物各個(gè)部分與測量分類(lèi)的關(guān)系。較高級別測量分類(lèi)意味著(zhù)PCB較大的間距，通常元器件的體積也較大。下列是依據IEC61010-1的定義。

　　測量分類(lèi)I：是最底層的，瞬間電壓不高的分類(lèi)。CATI是對不和墻壁上交流電源插座直接連接的電路進(jìn)行測量，如帶保護的變壓器次級、信號電平和能量有限的電路。

　　測量分類(lèi)II：對直接和配電系統，比如墻壁插座(11S/230VAC)，相連接的電路進(jìn)行測量。測量的例子有家用電器和便攜式工具等。

　　測量分類(lèi)III：對建筑物的配電設備進(jìn)行測量，諸如固定設備和電路斷電器中的硬接線(xiàn)裝置。

　　測量分類(lèi)IV：對供電干線(xiàn)(<1,000V)進(jìn)行測量，諸如干線(xiàn)過(guò)流保護裝置、紋波控制單元或電表。

污染度

　　導電麈?；驖駳鈺?huì )減少材料的表面電阻和耐壓，增加潛在的電壓電弧放電。污染度是根據導電麈埃、電離氣體和濕氣的數量來(lái)測定彈性材料或絕緣體的絕緣能力。較高的污染度要求較寬的PCB間距和體積較大的元件。辦公室通常是2度污染環(huán)境。某些工業(yè)領(lǐng)域是3度污染環(huán)境。

　　1度污染：沒(méi)有污染，或無(wú)影響的小污染，非導電性污染。

　　2度污染：通常指僅為非導電性污染或因冷凝作用形成的暫時(shí)性導電污染。

　　3度污染：導電性污染，或小污染、非導電性污染因冷凝作用形成的導電性污染。

安全性設計步驟

　　從上面介紹可知，安全性并不涉及產(chǎn)品的性能或功能特性，而只表明產(chǎn)品符合安全性標準，不會(huì )傷及用戶(hù)。產(chǎn)品設計人員要考慮的因素很多，包括正常使用條件、可能出現的故障條件和由此引起的故障、可預見(jiàn)的不正確使用方法、以及溫度、高度、污染、濕氣、過(guò)壓等外部影響。這里推薦，在進(jìn)行安全性設計時(shí)應優(yōu)先考慮的步驟：

　　元器件：識別安全性關(guān)鍵元器件的安全性標識，確保它們符合US和EU標準。

　　結構與設計：滿(mǎn)足結構與設計的全部要求，包括絕緣性、PCB間距、機殼、標記與標識、接線(xiàn)、材料、以及用戶(hù)說(shuō)明書(shū)。

　　測試：產(chǎn)品應通過(guò)相關(guān)的全部安全性測試，包括介質(zhì)的耐壓性、接地連續性、溫度和異常條件。全部產(chǎn)品安全性評估與測試應由有資格的人員進(jìn)行，確保其可信度。

安全性原則

　　用戶(hù)在產(chǎn)品正常操作時(shí)或在單次故障后應受保護，避免電氣傷害。用戶(hù)可接近的元件是通過(guò)使用各種形式絕緣、機殼和其它手段進(jìn)行保護的。所謂元件是可接近的，如果它可以用手指或探針觸模的。

　　工作電壓大于42.4Vpk/60VDC時(shí)是危險的，容易造成觸電。工作電壓意指任何絕緣體上可能存在的AC電壓最大均方值或DC電壓值。IEC61010-1：1990中規定，正常條件下的安全電壓極限為30Vrms/42.4Vpk/60VDC；而IEC61010-1：2001則規定為33Vrms/46.7Vpk/70VDC。如果將危險的工作電壓橋接至安全極低電壓(SELV)時(shí)，會(huì )損壞產(chǎn)品，用戶(hù)有觸電或被燒傷的風(fēng)險。

　　SELV電路是工作電壓低于42.4Vpk/60VDC的電路，這類(lèi)電路隨處可見(jiàn)，包括打印、鍵盤(pán)和PC的連接器等，是沒(méi)有危險的，用戶(hù)是可接近的。因此，SELV電路應采取適當方式和危險工作電壓絕緣開(kāi)，以保護用戶(hù)。

　　絕緣有多種形式，諸如隔板、接地或一定的間隔距離?；窘^緣形式指單層絕緣體或間隔規定的距離，它是第一個(gè)保護層。輔助絕緣采用幾層絕緣體或兩倍于基本絕緣距離。當一層絕緣出現故障時(shí)，雙重絕緣仍能保護用戶(hù)。增強型絕緣是單個(gè)絕緣體，它的厚度相當于幾層絕緣體。圖2表示一種絕緣系統，其中危險工作電壓是采用雙重絕緣和無(wú)危險電壓隔離的，而機殼采用基本絕緣和危險工作電壓隔離的。要是機殼沒(méi)有安全接地，則需要雙重絕緣。

安全性關(guān)鍵元件

　　顧名思義，安全性關(guān)鍵元件特指嚴重影響產(chǎn)品或用戶(hù)安全的元件。這類(lèi)元件通常處于危險的工作電路中，尤其是橋接在雙重絕緣體/增強型絕緣體上，例如光隔離器、繼電器、保險絲以及插座、開(kāi)關(guān)、終端塊和電源一類(lèi)AC輸入元件。

　　安全性關(guān)鍵元件應符合相關(guān)的元件標準，且其額定值要按最終產(chǎn)品標準來(lái)選擇。UL和IEC元件標準對絕大多數元件是不兼容的，因此在美國和歐洲，需要驗證這兩種標準的一致性，認證標記是元件符合標記的證明。這里還要指出，CE標記是針對產(chǎn)品的，而不是針對元件的。

絕緣體

　　在導電部件間設計有絕緣體的產(chǎn)品能恰當地保護用戶(hù)，免受危險工作電壓的傷害。最小絕緣值(間距)與下列5個(gè)因素有關(guān)：

　　測量分類(lèi)；

　　污染程度；

　　工作電壓；

　　絕緣類(lèi)型：基本、輔助、雙重/增強；

　　相對漏電痕跡指數(CTI)。在實(shí)際操作中，我們還要區分：凈間距(clearance)是兩個(gè)導電部件通過(guò)空氣測量的最短距離；漏電間距(creepage)是兩個(gè)導電部件沿其表面測量的最短距離。漏電間距總是大于凈間距。在PCB上或部件內部，測量的是兩導體最接近導電部件(如PCB上焊盤(pán)邊沿)間的距離。部件內部距離意指連接器內部插針間或光隔離器引腳間的距離。CTI是確定PCB、連接器以及其它部件漏電間距的一個(gè)參數。供應商的產(chǎn)品規格中應提供CTI值，在未規定的場(chǎng)合，對PCB，CTI應大于175；對各類(lèi)部件，CTI應大于100?；谏鲜龅母拍詈蛥?，IEC61010-1:1990規定了相應的凈間距和漏電間距(見(jiàn)表1)。

電路間進(jìn)行絕緣通?？勺裱铝性瓌t：

　　危險工作電壓與SELV間采取雙重/增強型絕緣。

　　危險工作電壓與安全接地電路/機殼間可采取基本絕緣。

　　危險工作電壓與未接地的金屬機殼間應采取雙重/增強型絕緣。

　　在危險電壓電路內部，一般采取基本絕緣。

結語(yǔ)

　　隨著(zhù)國際標準成為全球通用的事實(shí)上法規以及用戶(hù)安全意識的增強，生產(chǎn)廠(chǎng)家采取正確的安全設計策略是義不容辭的責任，這就要求生產(chǎn)廠(chǎng)家了解安全性概念，熟知各種安全標準和標識。產(chǎn)品應嚴格按照元件、結構與設計、測量的步驟來(lái)進(jìn)行。凈間距和漏電間距則可參照IEC61010-1:1990的規定(表1)來(lái)執行?！?東華)