揭密開關電源中的絕緣設計

　　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于電流的大小、持續(xù)時間、通過人體的路徑等。一般只需要0.5mA的電流，就能對健康的人體產(chǎn)生影響，并且可能造成間接性危害。更大的電流可能會對人體造成直接傷害，如燒傷或心室的纖維性顫動。

　　一般而言，在干燥的情況下，小于40V峰值或60V直流的電壓，通?？梢暈闆]有危險性的電壓。但是，對使用時必須觸碰的或者是需要用手操作的裸露零件等都應該接到保護地或者是將其妥善地處理。

　　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(yè)安規(guī)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)：功能絕緣的目的，只在維持產(chǎn)品能夠正常操作，并不具備任何安全上的功能。此類絕緣通常使用于同一線路中的兩導體之間，即沒有安全隔離要求的部分。例如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)：基本絕緣的目的在于為防電擊提供一個基本的保護，以避免觸電的危險，不過此類絕緣只能保證正常狀態(tài)下的安全，卻無法保障有瞬變電壓出現(xiàn)時安全，換言之，當瞬變電壓發(fā)生時，基本絕緣便會有崩潰的可能。

　　補充絕緣(Supplementary Insulation)：在基本絕緣以外，再附加的絕緣，目的是當基本絕緣失效時，提供另一層的絕緣功能。一般來說，對補充絕緣的要求和基本絕緣是一樣的，因此兩者之間的角色是可以互換的。例如一條電纜有兩層的絕緣，我們可以說內層是基本絕緣，外層是補充絕緣，而反過來說也是可以的。

　　我們必須留意一點，那就是補充絕緣必定是于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。只要使用的場所正確，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)：其提供的絕緣程度同于雙重絕緣，但和雙重絕緣不同之處在于，其不易被劃分為基本絕緣和補充絕緣兩部分，它可能是個一體成形的隔離物，或是由許多隔離物構成的絕緣。

　　三 電氣間隙與爬電距離

　　電氣間隙：是指兩個導電零部件之間或導電零部件與設備界面之間測得的最短空間距離。此距離的量測并不限制采用何種途徑。例如某產(chǎn)品使用絕緣材料當外殼，此外殼的開孔或縫隙處都應當成導體考慮，就如有層鋁箔鋪于其上，依然須和內部的危險部件保持一定的距離，因為這些地方都是易于被使用者觸及的地方。

　　爬電距離：是指沿絕緣表面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面之間的最短距離。一般而言，如果不是污染等級為1，爬電距離通常要大于電氣間隙。

　　電氣間隙與爬電距離與工作電壓、污染等級、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(jù)絕緣等級要求、工作電壓、污染等級、海拔高度、絕緣材料等具體細節(jié)，按標準要求進行查表計算。

　　海拔高度：根據(jù)巴斯成定律，一個和諧電場的崩潰電壓與氣壓和兩極間的距離之乘積成正比的，當兩極間的距離一定時，氣壓越小，崩潰電壓也就越低。而氣壓又與海拔高度成反比，因此海拔高度是影響空間距離的重要因素之一。

　　一般安全標準都將產(chǎn)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：

　　污染等級：若兩導體間的空間有了污染物，也同樣會影響絕緣程度。一般標準將污染劃分為四個等級：

　　污染等級1: 沒有污染物或只有干燥且非導電性的污染物出現(xiàn)。可以用封閉外殼，或將電路板的表面涂覆，便能符合此一程度的污染

　　污染等級2：是指偶有導電性污染物出現(xiàn)的污染，例如水蒸氣的冷凝。一般僅有非導電性污染，但必須考慮到偶然的由于凝露造成的短暫導電性污染。

　　污染等級3：有導電性污染，或由于預期的凝露使非導電性污染變?yōu)閷щ娦缘摹?/p>

　　污染等級4：造成持久性的導電性污染，例如由于導電塵?；蛴暄┧斐傻奈廴?。除非有關產(chǎn)品標準另有規(guī)定，工業(yè)用電器一般選取用于污染等級3級的環(huán)境，家用和類似用途的電器一般選取污染等級為2級的環(huán)境。

　　如對于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(guī)定的。

　　對于二次電路之間的電氣間隙，IEC60950的規(guī)定如下：

　　對于爬電距離的要求，IEC60950的規(guī)定如下：

　　四 范例

　　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、整流后的高壓直流部分、DCDC變換部分、人體操作可能接觸到的副邊電路、保護地等。下面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。

　　對于電路中各位置對大地，即交流輸入LN對地，整流后高壓直流對大地，原邊地對大地，副邊對大地等，全部需要采用基本絕緣;對于一次DC-DC線路內部器件，由于不存在電擊風險，只需要采用功能絕緣，保證電路正常工作，降低擊穿、打火風險;而對于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。

　　圖中各位置的零部件的絕緣等級要求及不同位置間最大有效值、峰值電壓如下表所示。

　　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。