挑战。这份最近公布的标准,对交流/直流电源的隔离电压、沿面距离(Creepage)、间隙距离和漏电流进行了严格的规范。如此一来,期望设计出能满足多项要求、且小型、高效的电源电路就变得有些困难,此外,必要的测试和认可程序更是增加了成本,并且上市时间将被迫延后。而在各种应用中,我们会发现高电压电路的设计存在着有着许多的挑战。而这些挑战,是许多工程师累积了多年来在现场的观察,和本身的经验而整理出来的。包括了:定义出高压模块要求、高压电源转换器的精度、应用中的图一 : 期望设计出能满足多项要求、且小型、高效的电源电路就变得有些困难(source:RAYMING)在设计过程中,定义出需求是至关重要的。以下列出了在寻找高压模块时应考虑的几个问题。输入和输出条件:了解高压模块的可用输入和应用中的负载条件,是获得正确解决方案的第一步。输入电压及其精度很重要,有助于确定电路模块所需要的线路调节和保护的要求。在大多数应用中,较常遇到的负载是电阻和电容组件的混合。因此,了解负载和负载条件,对于确定高压电源的电压和电流要求就变得很重要。电压和电流要求:根据高压的工作范围来定义出电压、电流以及极性。这主要根据负载的规格。例如,光电倍增管在大多数情况下要1200VDC和微安培的电流。控制和监测信号:目前大多数应用都是由数字电路控制的,因此确认出应用中,可用来控制和监测高电压模块的信号,同样是需要被重视的,尤其是在功能整合方面。环境条件:根据不同的应用,在大多数情况下要考虑特定的环境条件,如工作温度、湿度等。同时也应该注意方向性和高压模块的位置。尺寸限制:这是高压电源和整个应用的可用空间相对应。例如,在小型桌上或可携式设备的应用中,尺寸就变得非常关键。例如半导体制造、检测工具和分析仪器。重点是要使电路模块尽可能缩小,以便在有限相同的空间中,加入更多的功能,或为下一代产品提供更多的空间。机构核准:当终端应用产品必须受到特定机构核定的产业领域时,就不得不做更多的初期设计考虑。例如,分析仪器市场的UL/IEC/EN61010。高压电源转换器的精度会受到其他变量的影响,这些变量包括了输入电压的变化、负载条件、工作温度和其他环境因素等。以下是在确定模块的高电压精度时,需要仔细考虑的条件列表(如表一)。
这在质谱(Mass Spectrometry)等应用中就变得非常重要,因为在这些应用中,仪器要保8个小时的连续运作时,要有能力在检测相同的样品下,能检测出相同的结果。如果高压电源不够稳定的话,那么就会成为一个非常大的问题。设计高压电路时,需要特别注意一些细节,而这些细节跟设计低压或数字电路是无关的。在设计过程中,可能需要使用一些相关组件,这对高压端是具有一些挑战性。
当模块和电气、机械方面整合时,需要考虑操作和整合的容易度。如果在设计的模块中,已经包含了以下列项,那么在进行高电压整合时,就会变得更容易些。具有控制过压保护,可以保护设备和应用不受程序设计影像出现高于默认的电压。具有过电流保护和短路保护,可为模块和应用提供安全保障,以防设备超载或出现短路。具有过热跳脱可保护模块,以防处于超出工作时候的温度范围。这种设计通常在过热条件消除后,就会恢复运作。可能会在潮湿多水的环境中使用,但由于电源电路中内置高压电源轨的关系,所以,这对设计工程来说更是一项大挑战。IEC 60335规范了「家用和类似电气设备的安全」,其单相额定电压不超过250V,多相电压则不高于480V。而IEC 60335-1更包含所有家用的基本要求。因此对于电源开发工程师来说,所面临的挑战之一是了解IEC 60335-1与之前早期IEC 60950-1之间的区别。包括在最大漏电流水平、绝缘电压、间隙距离等的差异性和相似之处。例如,在正常操作下,当进行接地时,漏电流会流经底盘和保护接地导体。如果接地因任何原因失效时,漏电流可能会流经设备操作员的身体,带来潜在的危险。对此IEC 60335-1定义了可携式设备和固定式设备两类设备的规范。而IEC 60950-1则有三种设备类别:掌上型、移动式和固定式。在IEC 60335中,对可携式设备的漏电流被限制在0.75mA,虽然IEC 60950-1对掌上型设备也是如此,但对于可移动的和固定的设备则是规范不得超过3.5 mA,这和IEC 60335-1中,固定设备的规定相同。也就是说,对于IEC 60335-1而言,即使是可移动式的设备,漏电流的上限只能有0.75mA。此外,两个标准对隔离电压的要求也有不同的定义。所需的隔离级别将会取决于电路中两点的相对位置(输入到输出,输出到接地,输入到接地);在IEC 60950-1中,只定义了固定的数值,例如,输入到输出隔离为3000伏特。而IEC 60335-1则是规定2400伏特 + 2.4倍的工作电压,这样的变量性质下,隔离电压将会因为工作电压而改变。对于输出到接地的隔离电压。对于输出到接地的隔离方面,IEC60950-1规定了500V的隔离电压,但IEC60335-1却没有任何要求。两种标准在处理沿面距离和间隙距离方面的差异也很明显。虽然两个标准都是基于工作电压,和绝缘类型(基本型或加强型)来定义沿面和间隙,但在对IEC60950-1和IEC60335-1做比较时,会发现在条件下,其要求可能相同,也有可能更严格或更宽松。两个导电组件之间表面的最短距离被定义为沿面(图三)。如果工作电压在200和250伏之间,这两个标准要求的绝缘距离都为5.0mm。但当工作电压上升到250和300伏之间时,IEC60950-1所规定的沿面距离为6.4mm,而IEC60335-1的规范更为严格,要求绝缘沿面距离必须加强到8.0 mm。
图三 : 在绝缘表面测量沿面距离。(source:CUI;智动化整理)间隙距离是两个导电组件之间通过空气的距离(图四)。在IEC 60335-1中的间隙要求只有3.5毫米,而IEC 60950-1的限制性更强,当考虑到强化绝缘和150-300V的工作电压时,则规定需要4.0mm。IEC 60335还要求电器需要满足IEC60529中定义的保护(IP)等级。IP等级是根据电器的使用环境而定义,许多家用电器可能需要在潮湿或多水的环境中安全运行。因此IEC 60529规定了的保护等级,便取决于电器的分类。
构成目前智慧家庭的智慧电器,和物联网连接设备比传统电器要复杂得多。这些产品通常包括触控式显示器、软件接口、数字控制、无线和/或有线联网协议(IP)连接,以及其他功能。由于这种复杂性的增加,IEC 60335不仅涵盖了单一故障,同时也考虑到了两个故障同时发生的可能性。这与IEC 60950-1的安全标准形成鲜明对比,IEC 60950-1只要求在发生单一故障时还能安全运转。在IEC 60335-1要求必须预想两个故障同时发生的可能,这使得对于电力电子设备的测试就变得很重要,这类设备大多都包括了数字控制或监控功能,因此许多现阶段的电路设计也就需要规划出IEC 60335-1中定义的「保护性电子电路」(PEC)。在标准规定下,当PEC故障出现在另一个故障之前或之后,设备都必须能保持安全运作与安全。也因为这样,IEC 60335中有关PEC的概念,包括故障检测软件等各种软件功能等都已经超出了硬件层面。多重故障的安全要求还包括了电磁兼容性 (EMC) 规格。IEC 60335要求在出现PEC故障后应执行EMC测试,以确保不会因为电磁干扰而进入不安全的工作状态。而在单一故障状况且有EMI的情况下,IEC 60355会要求韧体或软件控制功能都能安全运作。除了系统控制功能外,此要求还延伸到具备数字控制的个别AC-DC 电源电路、DC-DC转换电路和马达驱动电路等与IEC 60950不同的是,IEC 60335还有第2部分(IEC 60335-2),这包含了电器特定的要求,涵盖范围从烤面包机到空调系统的100多种不同家电类型。因此电子工程师还必须熟悉第2部分。甚至在某些状况下,第2部分要求会优先于第1部分的基础要求。第1部分和第2部分在美国和欧盟的处理方式不同。UL 60335-1在美国已经过协调来符合IEC 60335-1,但UL标准并不认可第2部分的所有标准。而欧盟对于EN 60335-1也经过协调,而与UL标准不同的是,欧盟是认同第2部分的所有标准。所以,随只能家庭产品与IoT设备的数量与日俱增,高度复杂的电路设计及认证方式,极度增加了设计的限制和复杂性,因此,电源工程不但要要清楚各项标准的规范外,还要细心确认各个会影响高电压电路运作的各种条件,才能确保设计出的电源电路具有高度的安全性与运作效率。
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