電池充電系統(tǒng)有效利用數(shù)字隔離器提升觸電防護(hù)

避免電子產(chǎn)品發(fā)生觸電情形的主要設(shè)計(jì)塬則，就是在危險(xiǎn)的帶電電路與任何可能會被電子裝置使用者所接觸到的導(dǎo)體之間，必須要具有對等的兩組獨(dú)立絕緣系統(tǒng)。其中一組絕緣系統(tǒng)可以是安全接地的包覆與單層的內(nèi)部絕緣，或者是設(shè)置兩組絕緣系統(tǒng)以提供備援性的保護(hù)。隨著電氣系統(tǒng)的復(fù)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(qiáng)度與可靠度的兩組備援絕緣系統(tǒng)的要求。透過加強(qiáng)型隔離裝置的結(jié)構(gòu)、型式測試(Type Testing)以及對于保護(hù)功能持續(xù)監(jiān)測等條件的相互結(jié)合，設(shè)計(jì)人員即可確保兩組獨(dú)立系統(tǒng)之間的對等安全性。

本文將說明如何在IEC60950以及相關(guān)的IEC60747-5-5與VDE-0884-10等標(biāo)準(zhǔn)制定與測試要求上，利用光耦合器與數(shù)位隔離器建立加強(qiáng)絕緣，另外也會針對這兩種類型的隔離器與其他通過IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品進(jìn)行差異性比較。

確保系統(tǒng)安全性　數(shù)字隔離器扮要角

在現(xiàn)今的系統(tǒng)中，隔離器是絕對必要的。例如在電池充電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)中接地迴路的阻斷、保護(hù)使用者免于危險(xiǎn)的線路或二次電壓，都須使用隔離器。隔離器的位準(zhǔn)乃是取決于特定應(yīng)用裝置所需的安全程度。功能性的隔離器無法為使用者提供保護(hù)，只能夠?qū)υ峁┧枰慕^緣以使其適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行?；A(chǔ)或是單一的絕緣具有一定程度的觸電保護(hù)，則能為操作者提供足夠的保護(hù)。

然而，隔離器為了要保護(hù)人們能避開危險(xiǎn)的電壓，依規(guī)則須具有兩組獨(dú)立的絕緣系統(tǒng)，一組基本系統(tǒng)做為觸電保護(hù)之用，另一組則是補(bǔ)充層，如此一來假如有一組絕緣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備援系統(tǒng)仍然可為操作者提供保護(hù)。此類型的安排稱作「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(zhǔn)則就是在經(jīng)過認(rèn)證后，其隔離屏障是否完整，假如該元件仍然依照塬本的規(guī)格運(yùn)作，那么這就是一個(gè)可用的元件。

在電源供應(yīng)控制與回授應(yīng)用裝置當(dāng)中，資料必須從交流對直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器的安全超低電壓(SELV)端流向電源供應(yīng)的線路端。操作者可能會接觸到電源供應(yīng)的SELV端，因此在資料路徑中必須要有兩組獨(dú)立的隔離系統(tǒng)，藉以保護(hù)操作者免于觸電。像是電阻或是電容器之類的被動式元件能以串聯(lián)方式運(yùn)作，而不會有顯著的功能降級，但是將兩組資料隔離器放到路徑當(dāng)中則會有不切實(shí)際的問題，塬因有好幾點(diǎn)。第一點(diǎn)是類比資料會失去保真度，而數(shù)位資料會具有較長的傳播延遲與額外的抖動；其次則是需要中間電源供應(yīng)，以便在隔離的兩個(gè)層級之間運(yùn)作耦合器介面。

將資料隔離元件加倍的不實(shí)際性，所衍生出來的是需要有能夠穿越雙重絕緣屏障而進(jìn)行直接連結(jié)，又不會犧牲安全性的單一元件。這類型的元件(圖1)被歸類為具有加強(qiáng)型的絕緣功能。

滿足電壓隔離標(biāo)準(zhǔn)　元件層級要求日益嚴(yán)苛

元件的加強(qiáng)型絕緣功能可以透過兩種方式評估；元件的外形尺寸像是沿面距離(Creepage)、空隙與電痕指數(shù)(Tracking Index)以及內(nèi)部電氣性能等，內(nèi)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(dāng)于雙重絕緣系統(tǒng)基本層與補(bǔ)充層所提供的總距離。一般來說，加強(qiáng)型隔離元件所有的沿面距離與空隙需求都是基本/補(bǔ)充型等級元件需求的兩倍。如圖2所示，此為兩組常見作業(yè)情況以及所需沿面距離與空隙的範(fàn)例。採用這種方式是因?yàn)橥獠凯h(huán)境與表面屬性會決定外部空間的需求。這些需求包括預(yù)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─被稱為電痕(Tracking)。

　圖2 沿面距離與空隙范例圖

此外，對于元件內(nèi)部屬性的方案則是絕緣的品質(zhì)遠(yuǎn)比所需的絕緣厚度更加重要。因此生產(chǎn)廠商可能會展示該元件具有能夠承受長期與短期電壓應(yīng)力的所需電氣屬性。 IEC60950標(biāo)準(zhǔn)的要求乃是針對辦公室與電信設(shè)備，以及很大的程度是針對醫(yī)療裝置所設(shè)定。外形尺寸與材料可以很容易的經(jīng)由微測計(jì)以及某些使用于電痕指數(shù)的散裝材料測試加以驗(yàn)證。對于外部的需求，目前有叁個(gè)方案可對元件進(jìn)行驗(yàn)證。首先是該元件可以被當(dāng)成只具有固態(tài)絕緣而進(jìn)行評估，這是最簡單的方案。因?yàn)槠渲恍枰写┩附^緣或是沿著膠合接點(diǎn)的內(nèi)部距離大過0.4毫米(mm)即可。然而，想要建構(gòu)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(rèn)為0.4毫米的最小絕緣厚度可應(yīng)用到所有的加強(qiáng)型隔離元件上；但其實(shí)并非如此，而且這是一個(gè)會讓許多工程師感到混淆的問題點(diǎn)。

其次，假如該元件是光耦合器，那么就必須採用IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，專門針對加強(qiáng)型絕緣光耦合器的驗(yàn)證所設(shè)計(jì)，并且具有一系列的型式測試與壽命測試，而且在每個(gè)測試之后會接續(xù)隔離承受驗(yàn)證測試。

第三，