讓電器與連網(wǎng)裝置的高壓電路設(shè)計(jì)更加安全

隨著新的安全標(biāo)準(zhǔn)IEC60335的發(fā)布，對(duì)智慧電器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在家庭中的電源開發(fā)工程師帶來(lái)了新的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這份最近公布的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(yán)格的規(guī)范。

如此一來(lái)，期望設(shè)計(jì)出能滿足多項(xiàng)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(cè)試和認(rèn)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(yīng)用中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)高電壓電路的設(shè)計(jì)存在著有著許多的挑戰(zhàn)。而這些挑戰(zhàn)，是許多工程師累積了多年來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)的觀察，和本身的經(jīng)驗(yàn)而整理出來(lái)的。包括了：定義出高壓模塊要求、高壓電源轉(zhuǎn)換器的精度、應(yīng)用中的高壓電路設(shè)計(jì)、在終端應(yīng)用中的處理和高度整合等。


 
圖一 : 期望設(shè)計(jì)出能滿足多項(xiàng)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(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)用中的負(fù)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路調(diào)節(jié)和保護(hù)的要求。在大多數(shù)應(yīng)用中，較常遇到的負(fù)載是電阻和電容組件的混合。因此，了解負(fù)載和負(fù)載條件，對(duì)于確定高壓電源的電壓和電流要求就變得相當(dāng)重要。

電壓和電流要求：根據(jù)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(fù)載的規(guī)格。例如，光電倍增管可能需要1200VDC和微安培的電流。

控制和監(jiān)測(cè)信號(hào)：目前大多數(shù)應(yīng)用都是由數(shù)字電路控制的，因此確認(rèn)出應(yīng)用中，可用來(lái)控制和監(jiān)測(cè)高電壓模塊的信號(hào)，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(jù)不同的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用的可用空間相對(duì)應(yīng)。例如，在小型桌上或可攜式設(shè)備的應(yīng)用中，尺寸就變得非常關(guān)鍵。例如半導(dǎo)體制造、檢測(cè)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?yàn)橄乱淮a(chǎn)品提供更多的空間。

機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)：當(dāng)終端應(yīng)用產(chǎn)品必須受到特定機(jī)構(gòu)核定的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域時(shí)，就不得不做更多的初期設(shè)計(jì)考慮。例如，分析儀器市場(chǎng)的UL/IEC/EN61010。

高壓電源轉(zhuǎn)換器的精度
高壓電源轉(zhuǎn)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(fù)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(yīng)用中就變得非常重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，儀器要保8個(gè)小時(shí)的連續(xù)運(yùn)作時(shí)，要有能力在檢測(cè)相同的樣品下，能檢測(cè)出相同的結(jié)果。如果高壓電源不夠穩(wěn)定的話，那么就會(huì)成為一個(gè)非常大的問(wèn)題。

應(yīng)用中的高壓電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)高壓電路時(shí)，需要特別注意一些細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)跟設(shè)計(jì)低壓或數(shù)字電路是無(wú)關(guān)的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可能需要使用一些相關(guān)組件，這對(duì)高壓端是具有一些挑戰(zhàn)性。



 
圖二 : 設(shè)計(jì)高壓電路時(shí)，需要特別注意一些細(xì)節(jié)。

在終端應(yīng)用中的處理和高度整合
當(dāng)模塊和電氣、機(jī)械方面整合時(shí)，需要考慮操作和整合的容易度。如果在設(shè)計(jì)的模塊中，已經(jīng)包含了以下列項(xiàng)，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(hù)
具有輸入欠壓和過(guò)壓保護(hù)，可以保護(hù)單元不受輸入線路的干擾。

具有控制過(guò)壓保護(hù)，可以保護(hù)設(shè)備和應(yīng)用不受程序設(shè)計(jì)影像出現(xiàn)高于默認(rèn)的電壓。

輸出保護(hù)
具有電弧保護(hù)，使設(shè)備避免受到電弧影響。

具有過(guò)電流保護(hù)和短路保護(hù)，可為模塊和應(yīng)用提供安全保障，以防設(shè)備超載或出現(xiàn)短路。

熱保護(hù)
具有過(guò)熱跳脫可保護(hù)模塊，以防處于超出工作溫度范圍。這種設(shè)計(jì)通常在過(guò)熱條件消除后，就會(huì)恢復(fù)運(yùn)作。

IEC 60335的基本要求是什么？
此外，令設(shè)計(jì)面對(duì)更多挑戰(zhàn)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(nèi)置高壓電源軌的關(guān)系，所以，這對(duì)設(shè)計(jì)工程來(lái)說(shuō)更是一項(xiàng)大挑戰(zhàn)。

IEC 60335規(guī)范了「家用和類似電氣設(shè)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(duì)于電源開發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，所面臨的挑戰(zhàn)之一是了解IEC 60335-1與之前早期IEC 60950-1之間的區(qū)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(dāng)進(jìn)行接地時(shí)，漏電流會(huì)流經(jīng)底盤和保護(hù)接地導(dǎo)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(shè)備操作員的身體，帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。對(duì)此IEC 60335-1定義了可攜式設(shè)備和固定式設(shè)備兩類設(shè)備的規(guī)范。

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

此外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔離電壓的要求也有不同的定義。所需的隔離級(jí)別將會(huì)取決于電路中兩點(diǎn)的相對(duì)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(shù)值，例如，輸入到輸出隔離為3000伏特。而IEC 60335-1則是規(guī)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?yàn)楣ぷ麟妷憾淖儭?br/>
對(duì)于輸出到接地的隔離電壓。對(duì)于輸出到接地的隔離方面，IEC60950-1規(guī)定了500V的隔離電壓，但I(xiàn)EC60335-1卻沒(méi)有任何要求。

兩種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)都是基于工作電壓，和絕緣類型（基本型或加強(qiáng)型）來(lái)定義沿面和間隙，但在對(duì)IEC60950-1和IEC60335-1做比較時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在條件下，其要求可能相同，也有可能更嚴(yán)格或更寬松。

兩個(gè)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)要求的絕緣距離都為5.0mm。但當(dāng)工作電壓上升到250和300伏之間時(shí)，IEC60950-1所規(guī)定的沿面距離為6.4mm，而IEC60335-1的規(guī)范更為嚴(yán)格，要求絕緣沿面距離必須加強(qiáng)到8.0 mm。


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

間隙距離是兩個(gè)導(dǎo)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(qiáng)，當(dāng)考慮到強(qiáng)化絕緣和150-300V的工作電壓時(shí)，則規(guī)定需要4.0mm。IEC 60335還要求電器需要滿足IEC60529中定義的保護(hù)（IP）等級(jí)。IP等級(jí)是根據(jù)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(yùn)行。因此IEC 60529規(guī)定了的保護(hù)等級(jí)，便取決于電器的分類。



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

超越基本要求
構(gòu)成目前智慧家庭的智慧電器，和物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備比傳統(tǒng)電器要復(fù)雜得多。這些產(chǎn)品通常包括觸控式顯示器、軟件接口、數(shù)字控制、無(wú)線和/或有線聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）連接，以及其他功能。由于這種復(fù)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(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對(duì)比，IEC 60950-1只要求在發(fā)生單一故障時(shí)還能安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

在IEC 60335-1要求必須預(yù)想兩個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的可能，這使得對(duì)于電力電子設(shè)備的測(cè)試就變得非常重要，這類設(shè)備大多都包括了數(shù)字控制或監(jiān)控功能，因此許多現(xiàn)階段的電路設(shè)計(jì)也就需要規(guī)劃出IEC 60335-1中定義的「保護(hù)性電子電路」（PEC）。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下，當(dāng)PEC故障出現(xiàn)在另一個(gè)故障之前或之后，設(shè)備都必須能保持安全運(yùn)作與安全。

也因?yàn)檫@樣，IEC 60335中有關(guān)PEC的概念，包括故障檢測(cè)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(guī)格。IEC 60335要求在出現(xiàn)PEC故障后應(yīng)執(zhí)行EMC測(cè)試，以確保不會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_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(yùn)作。除了系統(tǒng)控制功能外，此要求還延伸到具備數(shù)字控制的個(gè)別AC-DC 電源電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路和馬達(dá)驅(qū)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(jī)到空調(diào)系統(tǒng)的100多種不同家電類型。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(guó)和歐盟的處理方式不同。UL 60335-1在美國(guó)已經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)來(lái)符合IEC 60335-1，但UL標(biāo)準(zhǔn)并不認(rèn)可第2部分的所有標(biāo)準(zhǔn)。而歐盟對(duì)于EN 60335-1也經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)，而與UL標(biāo)準(zhǔn)不同的是，歐盟是認(rèn)同第2部分的所有標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論
所以，隨著智能家庭產(chǎn)品與IoT設(shè)備的數(shù)量與日俱增，高度復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)及認(rèn)證方式，極度增加了設(shè)計(jì)的限制和復(fù)雜性，因此，電源工程不但要要清楚各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范外，還要細(xì)心確認(rèn)各個(gè)會(huì)影響高電壓電路運(yùn)作的各種條件，才能確保設(shè)計(jì)出的電源電路具有高度的安全性與運(yùn)作效率。