電池充電系統有效利用數字隔離器提升觸電防護

避免電子產品發生觸電情形的主要設計塬則，就是在危險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體之間，非得要具有對等的兩組獨立絕緣系統。其中一組絕緣系統可以是安全接地的包覆與單層的內部絕緣，或者是設置兩組絕緣系統以提供備援性的保護。隨著電氣系統的復雜度增加，在兩個絕緣層之間進行直流電隔離通訊，但又不能失去訊號完整度的需求也日益提高，因而萌生裝置非得具有等效電氣強度與可靠度的兩組備援絕緣系統的要求。透過增強型隔離裝置的結構、型式探測(TypeTesting)以及對于保護功能繼續監測等條件的相互結合，設計人員即可確保兩組獨立系統之間的對等安全性。

本文將說明要怎么樣在IEC60950以及相關的IEC60747-5-5與VDE-0884-10等標準制定與探測要求上，利用光耦合器與數位隔離器建立增強絕緣，另外也會針對這兩種類型的隔離器與其他通過IEC標準認證的產品進行差異性比較。

確保系統安全性數字隔離器扮要角

在現今的系統中，隔離器是絕對必要的。例如在電池充電系統、通訊系統中接地迴路的阻斷、保護使用者免于危險的線路或二次電壓，都須使用隔離器。隔離器的位準乃是取決于特定使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，只能夠對元件提供所需要的絕緣以使其適當的運行。基礎或是單一的絕緣具有一定程度的觸電保護，則能為操作者提供足夠的保護。

然而，隔離器為了要保護人們能避開危險的電壓，依規矩須具有兩組獨立的絕緣系統，一組基本系統做為觸電保護之用，另一組則是補充層，如此一來倘若有一組絕緣系統發生故障時，備援系統依然可為操作者提供保護。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，因此在評估時的故障準則就是在經過認證后，其隔離屏障是不是完整，倘若該元件依然依照塬本的規格運作，那么這就是一個可用的元件。

在電源供應控制與回授使用裝置當中，資料非得從交流對直流(AC-DC)轉換器的安全超低電壓(SELV)端流向電源供應的線路端。操作者可能會接觸到電源供應的SELV端，因此在資料路徑中非得要有兩組獨立的隔離系統，藉以保護操作者免于觸電。像是電阻或是電容器之類的被動式元件能以串聯方式運作，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中則會有不切實際的問題，塬因有好幾點。第一點是類比資料會失去保真度，而數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，以便在隔離的兩個層級之間運作耦合器介面。

將資料隔離元件加倍的不實際性，所衍生出來的是需要有能夠穿越雙重絕緣屏障而進行筆直連結，又不會犧牲安全性的單一元件。這類型的元件(圖1)被歸類為具有增強型的絕緣功能。

滿足電壓隔離標準元件層級要求日益嚴苛

元件的增強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(TrackingIndex)以及內部電氣性能等，內部與外部的需求在解決上所採用的方式大為不同。

外形尺寸非得要相當于雙重絕緣系統基本層與補充層所提供的總距離。一般來說，增強型隔離元件所有的沿面距離與空隙需求都是基本/補充型等級元件需求的兩倍。如圖2所示，此為兩組常見作業情況以及所需沿面距離與空隙的範例。採用這種方式是因為外部環境與表面屬性會決定外部空間的需求。這些需求包括預期的污染量、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，對于元件內部屬性的方案則是絕緣的品質遠比所需的絕緣厚度更加緊要。因此加工廠商可能會展示該元件具有能夠承受長期與短期電壓應力的所需電氣屬性。IEC60950標準的要求乃是針對辦公室與電信設備，以及很大的程度是針對醫療裝置所設定。外形尺寸與材料可以很容易的經由微測計以及某些使用于電痕指數的散裝材料探測加以驗證。對于外部的需求，目前有叁個方案可對元件進行驗證。首先是該元件可以被當成只具有固態絕緣而進行評估，這是最簡單的方案。因為其只需要所有穿透絕緣或是沿著膠合接點的內部距離大過0.4毫米(mm)即可。然而，想要建構一個可符合這些需求的高性能資料耦合器是很困難的，一般普遍認為0.4毫米的最小絕緣厚度可使用到所有的增強型隔離元件上；但其實并非如此，而且這是一個會讓許多工程師感到混淆的問題點。

其次，倘若該元件是光耦合器，那么就非得採用IEC60747-5-5標準。這是一項嚴苛的標準，專門針對增強型絕緣光耦合器的驗證所設計，并且具有一系列的型式探測與壽命探測，而且在每個探測之后會接續隔離承受驗證探測。

第三，隔離器可被當成是半導體元件。這個類別的元件具有類似于IEC60747-5-5需求的全套型式探測。這個方案適用于數位隔離器，因為光耦合器標準的探測需求乃是特別針對光耦合器的結構所制訂。

至于增強型隔離等級的驗證與維護則須分成三方面來實施。首先是材料與尺寸非得加以估算，而電氣探測也非得施行。探測項目包括會導致過熱或是災難性絕緣失效的熱循環、有限壽命探測，以及電氣過載等。隔離功能的整合性則是在每個環境或是探測之后以電壓承受探測進行檢查。

其次，當元件根據其尺寸與型式探測而獲得驗證之后，接著就會檢查每個元件的絕緣整合性，因為這些元件是依據電壓承受探測而加工。在IEC60747-5-5或是同類型的認證狀況中，部分的放電絕緣品質探測也需要在每個元件上執行。

最后由認證機構施行定期查核，以便確認材料與尺寸沒有被修改，所有的組裝線探測都有利用校正過的設備適當執行。有些型式探測會以抽樣方式週期性的重復執行，并且由審查員加以檢閱。

滿足各種隔離標準增強型絕緣設計獲酷愛

先前的討論都專注在最廣為使用的標準，不同的標準對于元件層級則可能會有不同的要求。這些要求甚至會在單一標準中隨版本的不同而改變。關于這點，隨著IEC朝向統一方案的方向發展而已經漸漸的不再是問題。這很可能需要很長的時間才能達成，因為各個獨立的標準委員會依然存在有顯著的獨立性。

系統層級標準使用的統一化趨勢，就是可供使用的元件層級標準，例如IEC60747-5-5。如果有這樣一個因應元件而存在的標準，那么它就能夠加以使用，而非如同前述「元件層級的要求」中第二點所提到的系統層級標準的特定要求。目前這個標準只適用于光耦合器，不能使用在較新的數位隔離器；然而VDE已經建立了VDE0884-10標準的草案，能夠將IEC60747-5-5標準的絕緣探測使用在數位隔離器上。

新的標準都設定了對于增強型絕緣的高標準，其中包括有在10kV或是更高位準的浪涌探測。現今非常薄的絕緣層都將無法通過這項探測，且對于許多的光耦合器與數位隔離器在增強型絕緣的驗證上而言，此項探測已被證實是具有鑑別性的探測。無法符合這些要求的元件通常會倒煺回可以使用在基本絕緣的IEC60747-5-2標準，如此一來使用市場將無法張大。對于隔離系統的設計廠商而言，這又是一個令人感到混淆的問題點，因為他們認為IEC60747-5驗證會自動的提供增強型狀態。IEC委員會目前正在致力于修訂IEC60747-5-5標準，使其蘊含數位隔離器。下一個統一化的標準在將來將能夠適用于所有的IEC系統層級標準，并有助于消除雜亂的情況。

總結而言，在資料隔離器當中的增強型絕緣，其設計與驗證是為了要替雙重絕緣系統提供保護功能，同時以單一隔離屏障提供可達成的資料發送性能。在外部，元件的沿面距離與空隙需求非得相當于基本絕緣需求的兩倍。在內部，絕緣功能須符合固態絕緣需求，包括穿越絕緣的最小距離，或在保護狀態下接受廣泛的型式探測及組裝線探測。增強型絕緣等級是經由探測而非具體的結構要求進行驗證而獲得，這樣將可使絕緣技術上的創新在進行驗證時不須針對每項新技術重新編寫標準。

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