让电器与连网装置的高压电路设计更加安全

随着新的安全标准IEC60335的发布，对智慧电器和物联网设备在家庭中的电源开发工程师带来了新的电源设计挑战。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、应用中的高压电路设计、在终端应用中的处理和高度整合等。


 
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）

定义出高压模块要求
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相当重要。

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。这主要取决于负载的规格。例如，光电倍增管可能需要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，也是需要被重视的，尤其是在功能整合方面。

环境条件：根据不同的应用，可能需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
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，需要考虑的条件列表（如表一）。

表一:确定模块的高电压精度时，需要考虑的条件列表

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。

应用中的高压电路设计
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。



 
图二 : 设计高压电路时，需要特别注意一些细节。

在终端应用中的处理和高度整合
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。

输入保护
具有输入欠压和过压保护，可以保护单元不受输入线路的干扰。

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。

输出保护
具有电弧保护，使设备避免受到电弧影响。

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。

热保护
具有过热跳脱可保护模块，以防处于超出工作温度范围。这种设计通常在过热条件消除后，就会恢复运作。

IEC 60335的基本要求是什么？
此外，令设计面对更多挑战的是，许多家用电器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更包含所有家用电器的基本要求。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。



 
图四 : 在空气中测量间隙距离。（source：CUI；智动化整理）

超越基本要求
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非常重要，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

IEC 60355
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部分的基本要求。

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。

结论
所以，随着智能家庭产品与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。