揭密開關電源中的絕緣設計
發布時間:2017-10-11 來源:華強電子網 責任編輯:lina
一 電擊危險:
電流流過人體會引起人體的生理反應,反應的強烈程度取決於電流的大小、持續時間、通過人體的路徑等。一般隻需要0.5mAdedianliu,jiunengduijiankangderentichanshengyingxiang,bingqiekenengzaochengjianjiexingweihai。gengdadedianliukenenghuiduirentizaochengzhijieshanghai,rushaoshanghuoxinshidexianweixingchandong。
一般而言,在幹燥的情況下,小於40V峰值或60Vzhiliudedianya,tongchangkeshiweimeiyouweixianxingdedianya。danshi,duishiyongshibixuchupengdehuozheshixuyaoyongshoucaozuodeluolulingjiandengdouyinggaijiedaobaohudihuozheshijiangqituoshandichuli。
為了防止人體(操作人員或者維修人員)受到電擊,需要在開關電源設計中,遵守相關行業安規設計標準,如IEC60950,國標G4943等;在這些標準中,對開關電源的不同位置的做了絕緣要求,來保證操作人員的安全。
二 絕緣類別
功能絕緣(Functional Insulation):功(gong)能(neng)絕(jue)緣(yuan)的(de)目(mu)的(de),隻(zhi)在(zai)維(wei)持(chi)產(chan)品(pin)能(neng)夠(gou)正(zheng)常(chang)操(cao)作(zuo),並(bing)不(bu)具(ju)備(bei)任(ren)何(he)安(an)全(quan)上(shang)的(de)功(gong)能(neng)。此(ci)類(lei)絕(jue)緣(yuan)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)於(yu)同(tong)一(yi)線(xian)路(lu)中(zhong)的(de)兩(liang)導(dao)體(ti)之(zhi)間(jian),即(ji)沒(mei)有(you)安(an)全(quan)隔(ge)離(li)要(yao)求(qiu)的(de)部(bu)分(fen)。例(li)如(ru)PWB上的綠油,電解電容的塑膠外殼都是功能絕緣。
基本絕緣(Basic Insulation):基(ji)本(ben)絕(jue)緣(yuan)的(de)目(mu)的(de)在(zai)於(yu)為(wei)防(fang)電(dian)擊(ji)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)的(de)保(bao)護(hu),以(yi)避(bi)免(mian)觸(chu)電(dian)的(de)危(wei)險(xian),不(bu)過(guo)此(ci)類(lei)絕(jue)緣(yuan)隻(zhi)能(neng)保(bao)證(zheng)正(zheng)常(chang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)安(an)全(quan),卻(que)無(wu)法(fa)保(bao)障(zhang)有(you)瞬(shun)變(bian)電(dian)壓(ya)出(chu)現(xian)時(shi)安(an)全(quan),換(huan)言(yan)之(zhi),當(dang)瞬(shun)變(bian)電(dian)壓(ya)發(fa)生(sheng)時(shi),基(ji)本(ben)絕(jue)緣(yuan)便(bian)會(hui)有(you)崩(beng)潰(kui)的(de)可(ke)能(neng)。
補充絕緣(Supplementary Insulation):zaijibenjueyuanyiwai,zaifujiadejueyuan,mudeshidangjibenjueyuanshixiaoshi,tigonglingyicengdejueyuangongneng。yibanlaishuo,duibuchongjueyuandeyaoqiuhejibenjueyuanshiyiyangde,yinciliangzhezhijiandejiaoseshikeyihuhuande。liruyitiaodianlanyouliangcengdejueyuan,womenkeyishuoneicengshijibenjueyuan,waicengshibuchongjueyuan,erfanguolaishuoyeshikeyide。
我們必須留意一點,那就是補充絕緣必定是於基本絕緣存在的情形下才成立的。
雙重絕緣(Double Insulation):這是指包含基本絕緣和補充絕緣兩者的絕緣。隻要使用的場所正確,這種絕緣可以提供足夠的安全保護,不會有觸電的危險。
加強絕緣(Reinforce Insulation):其(qi)提(ti)供(gong)的(de)絕(jue)緣(yuan)程(cheng)度(du)同(tong)於(yu)雙(shuang)重(zhong)絕(jue)緣(yuan),但(dan)和(he)雙(shuang)重(zhong)絕(jue)緣(yuan)不(bu)同(tong)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu),其(qi)不(bu)易(yi)被(bei)劃(hua)分(fen)為(wei)基(ji)本(ben)絕(jue)緣(yuan)和(he)補(bu)充(chong)絕(jue)緣(yuan)兩(liang)部(bu)分(fen),它(ta)可(ke)能(neng)是(shi)個(ge)一(yi)體(ti)成(cheng)形(xing)的(de)隔(ge)離(li)物(wu),或(huo)是(shi)由(you)許(xu)多(duo)隔(ge)離(li)物(wu)構(gou)成(cheng)的(de)絕(jue)緣(yuan)。
三 電氣間隙與爬電距離
電氣間隙:是shi指zhi兩liang個ge導dao電dian零ling部bu件jian之zhi間jian或huo導dao電dian零ling部bu件jian與yu設she備bei界jie麵mian之zhi間jian測ce得de的de最zui短duan空kong間jian距ju離li。此ci距ju離li的de量liang測ce並bing不bu限xian製zhi采cai用yong何he種zhong途tu徑jing。例li如ru某mou產chan品pin使shi用yong絕jue緣yuan材cai料liao當dang外wai殼ke,此ci外wai殼ke的de開kai孔kong或huo縫feng隙xi處chu都dou應ying當dang成cheng導dao體ti考kao慮lv,就jiu如ru有you層ceng鋁lv箔bo鋪pu於yu其qi上shang,依yi然ran須xu和he內nei部bu的de危wei險xian部bu件jian保bao持chi一yi定ding的de距ju離li,因yin為wei這zhe些xie地di方fang都dou是shi易yi於yu被bei使shi用yong者zhe觸chu及ji的de地di方fang。
爬電距離:是指沿絕緣表麵測得的兩人個導電零部件之間或導電零部件與設備防護界麵之間的最短距離。一般而言,如果不是汙染等級為1,爬電距離通常要大於電氣間隙。
電氣間隙與爬電距離與工作電壓、汙染等級、海拔高度、絕緣材料等有關。PCB上的實際設計電氣間隙與爬電距離的要求,需要根據絕緣等級要求、工作電壓、汙染等級、海拔高度、絕緣材料等具體細節,按標準要求進行查表計算。
海拔高度:genjubasichengdinglv,yigehexiedianchangdebengkuidianyayuqiyaheliangjijiandejulizhichengjichengzhengbide,dangliangjijiandejuliyidingshi,qiyayuexiao,bengkuidianyayejiuyuedi。erqiyayouyuhaibagaoduchengfanbi,yincihaibagaodushiyingxiangkongjianjulidezhongyaoyinsuzhiyi。
一般安全標準都將產品的最高海拔高度設為2000M,超過2000M就需要考慮一個修正因素,見下表:

汙染等級:若兩導體間的空間有了汙染物,也同樣會影響絕緣程度。一般標準將汙染劃分為四個等級:
汙染等級1: 沒有汙染物或隻有幹燥且非導電性的汙染物出現。可以用封閉外殼,或將電路板的表麵塗覆,便能符合此一程度的汙染
汙染等級2:是(shi)指(zhi)偶(ou)有(you)導(dao)電(dian)性(xing)汙(wu)染(ran)物(wu)出(chu)現(xian)的(de)汙(wu)染(ran),例(li)如(ru)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)的(de)冷(leng)凝(ning)。一(yi)般(ban)僅(jin)有(you)非(fei)導(dao)電(dian)性(xing)汙(wu)染(ran),但(dan)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)到(dao)偶(ou)然(ran)的(de)由(you)於(yu)凝(ning)露(lu)造(zao)成(cheng)的(de)短(duan)暫(zan)導(dao)電(dian)性(xing)汙(wu)染(ran)。
汙染等級3:有導電性汙染,或由於預期的凝露使非導電性汙染變為導電性的。
汙染等級4:造成持久性的導電性汙染,例如由於導電塵埃或雨雪所造成的汙染。除非有關產品標準另有規定,工業用電器一般選取用於汙染等級3級的環境,家用和類似用途的電器一般選取汙染等級為2級的環境。
如對於一次電路及一次電路與二次電路之間的電氣間隙要求,IEC60950-2001是這樣規定的。
四 範例
下圖是一個典型的AC-DC的開關電源關鍵部件結構示意圖,主要包括交流輸入部分、整流後的高壓直流部分、DCDC變換部分、人體操作可能接觸到的副邊電路、保護地等。下麵以此圖為例簡單介紹開關電源實際設計中,不同零部件之間電氣間隙與爬電距離的計算。

對於電路中各位置對大地,即交流輸入LN對地,整流後高壓直流對大地,原邊地對大地,副邊對大地等,全部需要采用基本絕緣;對於一次DC-DC線路內部器件,由於不存在電擊風險,隻需要采用功能絕緣,保證電路正常工作,降低擊穿、打火風險;而對於一次電路對二次電路,如圖中BC對E,必須要采用加強絕緣,防止人員在接觸到二次電路時,具有危險性的一次電路造成電擊。
查表得,示意圖中不同位置的零部件之間電氣間隙與安全距離的最小要求如下表所示。

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