測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品的安全性設(shè)計(jì)與認(rèn)證

2004年7月A版

　　電子產(chǎn)品的安全性已越來越受到人們的關(guān)注，不僅僅局限于家用電器，測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品也要進(jìn)行安全性認(rèn)證。如果公司不具備一流的安全性設(shè)計(jì)理念，就會(huì)重復(fù)地犯同樣的錯(cuò)誤，延誤產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　家用電器和信息技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域的用戶在長(zhǎng)期使用過程中形成了免受電氣傷害的安全意識(shí)。測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品安全性意識(shí)的增強(qiáng)，首先歸之于新的高壓測(cè)量分類和安全操作的額外保護(hù)的需要，例如用戶在測(cè)量操作時(shí)，可能會(huì)接觸到高于1千伏的電壓。除了高壓潛在危險(xiǎn)，測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品使用范圍的擴(kuò)大也是個(gè)重要原因。產(chǎn)品要在商業(yè)企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)領(lǐng)域和危險(xiǎn)的場(chǎng)所使用，拓寬了工作條件，諸如高溫、污染或潛在易爆氣體的環(huán)境。因此，測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品需要專門的安裝過程、標(biāo)記要求和操作說明。

強(qiáng)制性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

　　在著手安全性設(shè)計(jì)與認(rèn)證之前，了解起重要作用的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證過程是至關(guān)重要的。標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)規(guī)則的基石。安全性標(biāo)準(zhǔn)涉及的領(lǐng)域包括：元件、機(jī)殼、接地、絕緣、分類、溫度限制、標(biāo)記與標(biāo)識(shí)、說明文件、易燃性，以及測(cè)試方法等。

　　國(guó)際技術(shù)委員會(huì)(TC)測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品分會(huì)(TC66)制訂了國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)，提案主要來自工業(yè)企業(yè)、測(cè)試機(jī)構(gòu)以及有關(guān)各方。IEC標(biāo)準(zhǔn)是世界各國(guó)制訂標(biāo)準(zhǔn)，包括北美CL/CSA和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

　　標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是最低可接受的條件。測(cè)試與測(cè)量設(shè)備的IEC61010—1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了旨在專業(yè)、工業(yè)過程和教育領(lǐng)域使用的電氣產(chǎn)品和附件的安全性要求。

國(guó)外主要認(rèn)證機(jī)構(gòu)和各種標(biāo)識(shí)

　　認(rèn)證是從權(quán)威的第三方取得合格證書的過程，它表示產(chǎn)品和元件已符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品檢驗(yàn)合格后允許在其顯著的位置貼上合格性標(biāo)識(shí)。

　　Under writers laboratories(UL)和CSA International (CSA)是北美獨(dú)立的產(chǎn)品安全性測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品上UL和CSA標(biāo)識(shí)表明，產(chǎn)品已經(jīng)過測(cè)試并符合UL/CSA要求。組合的cULus或cCSAus標(biāo)識(shí)則表示符合美國(guó)或加拿大安全性標(biāo)準(zhǔn)：諸如UL3111-1(UL61010B-1)、UL3121-1(UL61010C-1)以及CAN/CSA C22.2  NO.1010.1。

　　UL、CSA和FM標(biāo)識(shí)證明產(chǎn)品可在含有易爆氣體的危險(xiǎn)場(chǎng)所使用，它采用的標(biāo)準(zhǔn)是UL1604、IEC/UL60079-15、CSA C22.2 NO.142-M1987等。

　　美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)還頒布了各類產(chǎn)品電磁干擾條例，產(chǎn)品涉及發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信息技術(shù)和類似的微處理器基設(shè)備。FC是該機(jī)構(gòu)認(rèn)可的電磁干擾合格聲明。為了簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備的授權(quán)過程，并使FCC要求與全球市場(chǎng)要求接軌，F(xiàn)CC修改了第2部分第15部分，允許生產(chǎn)廠家自己進(jìn)行授權(quán)。美國(guó)FCC和加拿大EMI Verification A類數(shù)字設(shè)備要求包括FCC Part15和ICES-003。

　　Notified Bodies是歐洲認(rèn)可的安全性測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，它依據(jù)的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61010-1。該機(jī)構(gòu)的主要目標(biāo)是保護(hù)消費(fèi)者的健康。為供應(yīng)商CE標(biāo)識(shí)提供獨(dú)立的第三方支持。標(biāo)識(shí)的實(shí)例有VDE、TUV和DemKO。EX則是危險(xiǎn)場(chǎng)合使用認(rèn)證標(biāo)識(shí)，它表示符合EU Directive 94/9/EC的基本要求。測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品的易爆氣體標(biāo)準(zhǔn)是EN50021，保護(hù)系統(tǒng)分類：EExnC IIC T4。

　　當(dāng)產(chǎn)品的輸入電壓在50~1,000VAC或75~1,500VDC時(shí)，或產(chǎn)品易產(chǎn)生電磁干擾或受電磁干擾影響，產(chǎn)品應(yīng)具有European Conformity(CE)標(biāo)識(shí)。CE標(biāo)識(shí)表示產(chǎn)品符合公共使用要求，如Directive 89/336/EEC(EMC)和73/23/EEC。CE是生產(chǎn)廠家或供應(yīng)商自己公告的，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有EN55011(EMC輻射)，EN61326(EMC抗擾度)和EN61010-1(產(chǎn)品安全性)。

　　盡管產(chǎn)品生產(chǎn)廠家或供應(yīng)商最終應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性負(fù)責(zé)，安全性標(biāo)識(shí)畢竟可以提高公司的信譽(yù)度，避免風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大銷量。乍一看，認(rèn)證過程比較復(fù)雜，但一旦和測(cè)試與認(rèn)證機(jī)構(gòu)建立良好的合作關(guān)系，授與產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)識(shí)也是順理成章的。

產(chǎn)品分類

　　測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品的安全性分類與產(chǎn)品的工作電壓或額定功率以及工作環(huán)境有關(guān)。該分類是國(guó)際通用的。

測(cè)量分類

　　測(cè)量分類也稱安裝分類，它確定配電系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)化的脈沖承受電壓電平。圖1表示建筑物各個(gè)部分與測(cè)量分類的關(guān)系。較高級(jí)別測(cè)量分類意味著PCB較大的間距，通常元器件的體積也較大。下列是依據(jù)IEC61010-1的定義。

　　測(cè)量分類I：是最底層的，瞬間電壓不高的分類。CATI是對(duì)不和墻壁上交流電源插座直接連接的電路進(jìn)行測(cè)量，如帶保護(hù)的變壓器次級(jí)、信號(hào)電平和能量有限的電路。

　　測(cè)量分類II：對(duì)直接和配電系統(tǒng)，比如墻壁插座(11S/230VAC)，相連接的電路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的例子有家用電器和便攜式工具等。

　　測(cè)量分類III：對(duì)建筑物的配電設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，諸如固定設(shè)備和電路斷電器中的硬接線裝置。

　　測(cè)量分類IV：對(duì)供電干線(<1,000V)進(jìn)行測(cè)量，諸如干線過流保護(hù)裝置、紋波控制單元或電表。

污染度

　　導(dǎo)電麈?；驖駳鈺?huì)減少材料的表面電阻和耐壓，增加潛在的電壓電弧放電。污染度是根據(jù)導(dǎo)電麈埃、電離氣體和濕氣的數(shù)量來測(cè)定彈性材料或絕緣體的絕緣能力。較高的污染度要求較寬的PCB間距和體積較大的元件。辦公室通常是2度污染環(huán)境。某些工業(yè)領(lǐng)域是3度污染環(huán)境。

　　1度污染：沒有污染，或無影響的小污染，非導(dǎo)電性污染。

　　2度污染：通常指僅為非導(dǎo)電性污染或因冷凝作用形成的暫時(shí)性導(dǎo)電污染。

　　3度污染：導(dǎo)電性污染，或小污染、非導(dǎo)電性污染因冷凝作用形成的導(dǎo)電性污染。

安全性設(shè)計(jì)步驟

　　從上面介紹可知，安全性并不涉及產(chǎn)品的性能或功能特性，而只表明產(chǎn)品符合安全性標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)傷及用戶。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員要考慮的因素很多，包括正常使用條件、可能出現(xiàn)的故障條件和由此引起的故障、可預(yù)見的不正確使用方法、以及溫度、高度、污染、濕氣、過壓等外部影響。這里推薦，在進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮的步驟：

　　元器件：識(shí)別安全性關(guān)鍵元器件的安全性標(biāo)識(shí)，確保它們符合US和EU標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)：滿足結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的全部要求，包括絕緣性、PCB間距、機(jī)殼、標(biāo)記與標(biāo)識(shí)、接線、材料、以及用戶說明書。

　　測(cè)試：產(chǎn)品應(yīng)通過相關(guān)的全部安全性測(cè)試，包括介質(zhì)的耐壓性、接地連續(xù)性、溫度和異常條件。全部產(chǎn)品安全性評(píng)估與測(cè)試應(yīng)由有資格的人員進(jìn)行，確保其可信度。

安全性原則

　　用戶在產(chǎn)品正常操作時(shí)或在單次故障后應(yīng)受保護(hù)，避免電氣傷害。用戶可接近的元件是通過使用各種形式絕緣、機(jī)殼和其它手段進(jìn)行保護(hù)的。所謂元件是可接近的，如果它可以用手指或探針觸模的。

　　工作電壓大于42.4Vpk/60VDC時(shí)是危險(xiǎn)的，容易造成觸電。工作電壓意指任何絕緣體上可能存在的AC電壓最大均方值或DC電壓值。IEC61010-1：1990中規(guī)定，正常條件下的安全電壓極限為30Vrms/42.4Vpk/60VDC；而IEC61010-1：2001則規(guī)定為33Vrms/46.7Vpk/70VDC。如果將危險(xiǎn)的工作電壓橋接至安全極低電壓(SELV)時(shí)，會(huì)損壞產(chǎn)品，用戶有觸電或被燒傷的風(fēng)險(xiǎn)。

　　SELV電路是工作電壓低于42.4Vpk/60VDC的電路，這類電路隨處可見，包括打印、鍵盤和PC的連接器等，是沒有危險(xiǎn)的，用戶是可接近的。因此，SELV電路應(yīng)采取適當(dāng)方式和危險(xiǎn)工作電壓絕緣開，以保護(hù)用戶。

　　絕緣有多種形式，諸如隔板、接地或一定的間隔距離。基本絕緣形式指單層絕緣體或間隔規(guī)定的距離，它是第一個(gè)保護(hù)層。輔助絕緣采用幾層絕緣體或兩倍于基本絕緣距離。當(dāng)一層絕緣出現(xiàn)故障時(shí)，雙重絕緣仍能保護(hù)用戶。增強(qiáng)型絕緣是單個(gè)絕緣體，它的厚度相當(dāng)于幾層絕緣體。圖2表示一種絕緣系統(tǒng)，其中危險(xiǎn)工作電壓是采用雙重絕緣和無危險(xiǎn)電壓隔離的，而機(jī)殼采用基本絕緣和危險(xiǎn)工作電壓隔離的。要是機(jī)殼沒有安全接地，則需要雙重絕緣。

安全性關(guān)鍵元件

　　顧名思義，安全性關(guān)鍵元件特指嚴(yán)重影響產(chǎn)品或用戶安全的元件。這類元件通常處于危險(xiǎn)的工作電路中，尤其是橋接在雙重絕緣體/增強(qiáng)型絕緣體上，例如光隔離器、繼電器、保險(xiǎn)絲以及插座、開關(guān)、終端塊和電源一類AC輸入元件。

　　安全性關(guān)鍵元件應(yīng)符合相關(guān)的元件標(biāo)準(zhǔn)，且其額定值要按最終產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來選擇。UL和IEC元件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕大多數(shù)元件是不兼容的，因此在美國(guó)和歐洲，需要驗(yàn)證這兩種標(biāo)準(zhǔn)的一致性，認(rèn)證標(biāo)記是元件符合標(biāo)記的證明。這里還要指出，CE標(biāo)記是針對(duì)產(chǎn)品的，而不是針對(duì)元件的。

絕緣體

　　在導(dǎo)電部件間設(shè)計(jì)有絕緣體的產(chǎn)品能恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)用戶，免受危險(xiǎn)工作電壓的傷害。最小絕緣值(間距)與下列5個(gè)因素有關(guān)：

　　測(cè)量分類；

　　污染程度；

　　工作電壓；

　　絕緣類型：基本、輔助、雙重/增強(qiáng)；

　　相對(duì)漏電痕跡指數(shù)(CTI)。在實(shí)際操作中，我們還要區(qū)分：凈間距(clearance)是兩個(gè)導(dǎo)電部件通過空氣測(cè)量的最短距離；漏電間距(creepage)是兩個(gè)導(dǎo)電部件沿其表面測(cè)量的最短距離。漏電間距總是大于凈間距。在PCB上或部件內(nèi)部，測(cè)量的是兩導(dǎo)體最接近導(dǎo)電部件(如PCB上焊盤邊沿)間的距離。部件內(nèi)部距離意指連接器內(nèi)部插針間或光隔離器引腳間的距離。CTI是確定PCB、連接器以及其它部件漏電間距的一個(gè)參數(shù)。供應(yīng)商的產(chǎn)品規(guī)格中應(yīng)提供CTI值，在未規(guī)定的場(chǎng)合，對(duì)PCB，CTI應(yīng)大于175；對(duì)各類部件，CTI應(yīng)大于100?；谏鲜龅母拍詈蛥?shù)，IEC61010-1:1990規(guī)定了相應(yīng)的凈間距和漏電間距(見表1)。

電路間進(jìn)行絕緣通?？勺裱铝性瓌t：

　　危險(xiǎn)工作電壓與SELV間采取雙重/增強(qiáng)型絕緣。

　　危險(xiǎn)工作電壓與安全接地電路/機(jī)殼間可采取基本絕緣。

　　危險(xiǎn)工作電壓與未接地的金屬機(jī)殼間應(yīng)采取雙重/增強(qiáng)型絕緣。

　　在危險(xiǎn)電壓電路內(nèi)部，一般采取基本絕緣。

結(jié)語

　　隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)成為全球通用的事實(shí)上法規(guī)以及用戶安全意識(shí)的增強(qiáng)，生產(chǎn)廠家采取正確的安全設(shè)計(jì)策略是義不容辭的責(zé)任，這就要求生產(chǎn)廠家了解安全性概念，熟知各種安全標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)識(shí)。產(chǎn)品應(yīng)嚴(yán)格按照元件、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、測(cè)量的步驟來進(jìn)行。凈間距和漏電間距則可參照IEC61010-1:1990的規(guī)定(表1)來執(zhí)行?！?東華)