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讓電器與連網裝置的高壓電路設計更加安全
從最新標準規範與元件係數下手

【作者: 盧傑瑞】   2022年07月26日 星期二

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隨著新的安全標準IEC60335的發佈,對智慧電器和物聯網設備在家庭中的電源開發工程師帶來了新的電源設計挑戰。這份最近公佈的標準,對交流/直流電源的隔離電壓、沿面距離(Creepage)、間隙距離和漏電流進行了嚴格的規範。


如此一來,期望設計出能滿足多項要求、且小型、高效的電源電路就變得有些困難,此外,必要的測試和認可程序更是增加了成本,並且上市時間將被迫延後。


而在各種應用中,我們會發現高電壓電路的設計存在著有著許多的挑戰。而這些挑戰,是許多工程師累積了多年來在現場的觀察,和本身的經驗而整理出來的。包括了:定義出高壓模組要求、高壓電源轉換器的精度、應用中的高壓電路設計、在終端應用中的處理和高度整合等。



圖一 : 期望設計出能滿足多項要求、且小型、高效的電源電路就變得有些困難(source:RAYMING)
圖一 : 期望設計出能滿足多項要求、且小型、高效的電源電路就變得有些困難(source:RAYMING)

定義出高壓模組要求

在設計過程中,定義出需求是至關重要的。以下列出了在尋找高壓模組時應考慮的幾個問題。


輸入和輸出條件:了解高壓模組的可用輸入和應用中的負載條件,是獲得正確解決方案的第一步。輸入電壓及其精度很重要,有助於確定電路模組所需要的線路調節和保護的要求。在大多數應用中,較常遇到的負載是電阻和電容元件的混合。因此,了解負載和負載條件,對於確定高壓電源的電壓和電流要求就變得相當重要。


電壓和電流要求:根據高壓的工作範圍來定義出電壓、電流以及極性。這主要取決於負載的規格。例如,光電倍增管可能需要1200VDC和微安培的電流。


控制和監測信號:目前大多數應用都是由數位電路控制的,因此確認出應用中,可用來控制和監測高電壓模組的信號,也是需要被重視的,尤其是在功能整合方面。


環境條件:根據不同的應用,可能需要考慮特定的環境條件,如工作溫度、濕度等。同時也應該注意方向性和高壓模組的位置。


尺寸限制:這是高壓電源和整個應用的可用空間相對應。例如,在小型桌上或可攜式設備的應用中,尺寸就變得非常關鍵。例如半導體製造、檢測工具和分析儀器。重點是要使電路模組盡可能縮小,以便在有限相同的空間中,加入更多的功能,或為下一代產品提供更多的空間。


機構核准:當終端應用產品必須受到特定機構核定的產業領域時,就不得不做更多的初期設計考量。例如,分析儀器市場的UL/IEC/EN61010。


高壓電源轉換器的精度

高壓電源轉換器的精度會受到其他變數的影響,這些變數包括了輸入電壓的變化、負載條件、工作溫度和其他環境因素等。以下是在確定模組的高電壓精度時,需要考慮的條件列表(如表一)。


表一:確定模組的高電壓精度時,需要考慮的條件列表

輸出電壓公差    

考慮與指定電壓的差異

設定點精度

電源使用控制電壓能否達到預設的能力

線路和負載調節

根據輸入電壓和負載的變化,輸出電能保持在調節規範內的能力

紋波和雜訊

在直流高壓電源上的殘餘交流信號

線性度的控制

輸出電壓相對於控制電壓的傳遞函數

溫度係數

每上升或降低一個攝氏度下,對於輸出電壓的相對溫度變化

隨時間改變的穩定性

特定時期內,高電壓還能維持在特定規格內的能力


這在質譜(Mass Spectrometry)等應用中就變得非常重要,因為在這些應用中,儀器要保8個小時的連續運作時,要有能力在檢測相同的樣品下,能檢測出相同的結果。如果高壓電源不夠穩定的話,那麼就會成為一個非常大的問題。


應用中的高壓電路設計

設計高壓電路時,需要特別注意一些細節,而這些細節跟設計低壓或數位電路是無關的。在設計過程中,可能需要使用一些相關元件,這對高壓端是具有一些挑戰性。



圖二 : 設計高壓電路時,需要特別注意一些細節。
圖二 : 設計高壓電路時,需要特別注意一些細節。

在終端應用中的處理和高度整合

當模組和電氣、機械方面整合時,需要考慮操作和整合的容易度。如果在設計的模組中,已經包含了以下列項,那麼在進行高電壓整合時,就會變得更容易些。


輸入保護

具有輸入欠壓和過壓保護,可以保護單元不受輸入線路的干擾。


具有控制過壓保護,可以保護設備和應用不受程式設計影像出現高於預設的電壓。


輸出保護

具有電弧保護,使設備避免受到電弧影響。


具有過電流保護和短路保護,可為模組和應用提供安全保障,以防設備超載或出現短路。


熱保護

具有過熱跳脫可保護模組,以防處於超出工作溫度範圍。這種設計通常在過熱條件消除後,就會恢復運作。


IEC 60335的基本要求是什麼?

此外,令設計面對更多挑戰的是,許多家用電器可能會在潮濕多水的環境中使用,但由於電源電路中內置高壓電源軌的關係,所以,這對設計工程來說更是一項大挑戰。


IEC 60335規範了「家用和類似電氣設備的安全」,其單相額定電壓不超過250V,多相電壓則不高於480V。而IEC 60335-1更包含所有家用電器的基本要求。因此對於電源開發工程師來說,所面臨的挑戰之一是了解IEC 60335-1與之前早期IEC 60950-1之間的區別。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,當進行接地時,漏電流會流經底盤和保護接地導體。如果接地因任何原因失效時,漏電流可能會流經設備操作員的身體,帶來潛在的危險。對此IEC 60335-1定義了可攜式設備和固定式設備兩類設備的規範。


而IEC 60950-1則有三種設備類別:掌上型、移動式和固定式。在IEC 60335中,對可攜式設備的漏電流被限制在0.75mA,雖然IEC 60950-1對掌上型設備也是如此,但對於可移動的和固定的設備則是規範不得超過3.5 mA,這和IEC 60335-1中,固定設備的規定相同。也就是說,對於IEC 60335-1而言,即使是可移動式的設備,漏電流的上限只能有0.75mA。


此外,兩個標準對隔離電壓的要求也有不同的定義。所需的隔離級別將會取決於電路中兩點的相對位置(輸入到輸出,輸出到接地,輸入到接地);在IEC 60950-1中,只定義了固定的數值,例如,輸入到輸出隔離為3000伏特。而IEC 60335-1則是規定2400伏特 + 2.4倍的工作電壓,這樣的變數性質下,隔離電壓將會因為工作電壓而改變。


對於輸出到接地的隔離電壓。對於輸出到接地的隔離方面,IEC60950-1規定了500V的隔離電壓,但IEC60335-1卻沒有任何要求。


兩種標準在處理沿面距離和間隙距離方面的差異也很明顯。雖然兩個標準都是基於工作電壓,和絕緣類型(基本型或加強型)來定義沿面和間隙,但在對IEC60950-1和IEC60335-1做比較時,會發現在條件下,其要求可能相同,也有可能更嚴格或更寬鬆。


兩個導電元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,這兩個標準要求的絕緣距離都為5.0mm。但當工作電壓上升到250和300伏之間時,IEC60950-1所規定的沿面距離為6.4mm,而IEC60335-1的規範更為嚴格,要求絕緣沿面距離必須加強到8.0 mm。



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

間隙距離是兩個導電元件之間通過空氣的距離(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,當考慮到強化絕緣和150-300V的工作電壓時,則規定需要4.0mm。IEC 60335還要求電器需要滿足IEC60529中定義的保護(IP)等級。IP等級是根據電器的使用環境而定義,許多家用電器可能需要在潮濕或多水的環境中安全運行。因此IEC 60529規定了的保護等級,便取決於電器的分類。



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

超越基本要求

構成目前智慧家庭的智慧電器,和物聯網連接設備比傳統電器要複雜得多。這些產品通常包括觸控式顯示器、軟體介面、數位控制、無線和/或有線聯網協定(IP)連接,以及其他功能。由於這種複雜性的增加,IEC 60335不僅涵蓋了單一故障,同時也考慮到了兩個故障同時發生的可能性。這與IEC 60950-1的安全標準形成鮮明對比,IEC 60950-1只要求在發生單一故障時還能安全運轉。


在IEC 60335-1要求必須預想兩個故障同時發生的可能,這使得對於電力電子設備的測試就變得非常重要,這類設備大多都包括了數位控制或監控功能,因此許多現階段的電路設計也就需要規劃出IEC 60335-1中定義的「保護性電子電路」(PEC)。在標準規定下,當PEC故障出現在另一個故障之前或之後,設備都必須能保持安全運作與安全。


也因為這樣,IEC 60335中有關PEC的概念,包括故障檢測軟體等各種軟體功能等都已經超出了硬體層面。


多重故障的安全要求還包括了電磁相容性 (EMC) 規格。IEC 60335要求在出現PEC故障後應執行EMC測試,以確保不會因為電磁干擾而進入不安全的工作狀態。


而在單一故障狀況且有EMI的情況下,IEC 60355會要求韌體或軟體控制功能都能安全運作。除了系統控制功能外,此要求還延伸到具備數位控制的個別AC-DC 電源電路、DC-DC轉換電路和馬達驅動電路等


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,涵蓋範圍從烤麵包機到空調系統的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部分要求會優先於第1部分的基本要求。


第1部分和第2部分在美國和歐盟的處理方式不同。UL 60335-1在美國已經過協調來符合IEC 60335-1,但UL標準並不認可第2部分的所有標準。而歐盟對於EN 60335-1也經過協調,而與UL標準不同的是,歐盟是認同第2部分的所有標準。


結論

所以,隨著智慧家庭產品與IoT設備的數量與日俱增,高度複雜的電路設計及認證方式,極度增加了設計的限制和複雜性,因此,電源工程不但要要清楚各項標準的規範外,還要細心確認各個會影響高電壓電路運作的各種條件,才能確保設計出的電源電路具有高度的安全性與運作效率。


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