電源中的電氣隔離不僅關(guān)乎安全，更是性能和可靠性的基石。本文將探討隔離屏障的概念、工作電壓與測(cè)試電壓的差異，以及標(biāo)準(zhǔn)為何重要，幫助工程師設(shè)計(jì)符合當(dāng)今嚴(yán)苛法規(guī)和應(yīng)用需求的穩(wěn)健系統(tǒng)。

電源隔離裝置顯示混亂的電流被轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出，象征著工作電壓和測(cè)試電壓。

引言

在為任何應(yīng)用（醫(yī)療、電信、工業(yè)等）選擇電源時(shí)，工程師需考慮諸多因素。首要任務(wù)是確保電源能夠處理所需的交流和 / 或直流輸入電壓范圍，并提供必要的輸出功率。其他關(guān)鍵考量包括效率、熱管理、尺寸、法規(guī)合規(guī)性、電磁兼容性（EMC）和環(huán)境適應(yīng)性。

一個(gè)常被忽視的方面是適當(dāng)?shù)母綦x。選擇具有合適隔離特性的電源，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性、安全性和標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性至關(guān)重要。對(duì)于工業(yè)、醫(yī)療和自動(dòng)化應(yīng)用等關(guān)鍵任務(wù)和安全關(guān)鍵型應(yīng)用，了解測(cè)試電壓與工作電壓的差異是做出明智設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵。

什么是隔離屏障？

在電源中，隔離屏障是連接電源的輸入側(cè)（原邊）與為負(fù)載供電的輸出側(cè)（副邊）之間有意設(shè)置的電氣隔離。該屏障可防止電流在兩側(cè)之間直接流動(dòng)，同時(shí)仍允許安全有效地傳輸功率和數(shù)據(jù)。

這種隔離通常通過(guò)用于功率傳輸?shù)淖儔浩鲗?shí)現(xiàn)，并輔以用于控制信號(hào)反饋的光耦合器或數(shù)字隔離器。

什么是工作電壓和測(cè)試電壓？

工作電壓（又稱 “持續(xù)電壓”）是指在正常運(yùn)行期間，隔離屏障兩側(cè)的最大電壓差。該值對(duì)于確定電源的絕緣要求和安全等級(jí)至關(guān)重要，它不僅取決于輸入電壓，還取決于系統(tǒng)配置。

介電耐壓（又稱 “測(cè)試電壓”）是指絕緣材料（“電介質(zhì)”）能夠承受而不被擊穿的最大電壓。換句話說(shuō)，它是材料保持隔離且不允許電流通過(guò)從而危及安全的閾值。

介電耐壓測(cè)試（又稱 “高壓測(cè)試” 或 “耐壓測(cè)試”）即基于這一概念。在該測(cè)試中，會(huì)在隔離屏障上施加一個(gè)高電壓（通常遠(yuǎn)高于工作電壓），目的是確認(rèn)絕緣完好，無(wú)擊穿或過(guò)度泄漏，證明產(chǎn)品即使在瞬態(tài)或故障條件下也安全可靠。

在介電耐壓測(cè)試期間，高壓會(huì)施加一段特定時(shí)間，通常為 1 秒或 60 秒，以驗(yàn)證是否存在泄漏或擊穿。1 秒測(cè)試通常用于生產(chǎn)中以防止元件退化，而 60 秒測(cè)試則更為嚴(yán)格，通常用于型號(hào)批準(zhǔn)和認(rèn)證。不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工作電壓的不同倍數(shù)、測(cè)試持續(xù)時(shí)間，甚至測(cè)試波形，以驗(yàn)證絕緣完整性。

隔離的關(guān)鍵考量因素有哪些？

電源的安全性和可靠性需要關(guān)注電源的電氣特性和物理設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以下方面提出了要求：

工作電壓（屏障兩端的持續(xù)電壓）

介電耐壓（短時(shí)高壓測(cè)試）

絕緣類型（基本絕緣、附加絕緣、加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣）

電氣間隙

爬電距離

污染等級(jí)

過(guò)電壓類別（OVC）

海拔高度

交流與直流輸入（在交流設(shè)計(jì)中，峰值電壓和瞬態(tài)電壓更為嚴(yán)苛，需要更堅(jiān)固的絕緣和間距）

電氣間隙是兩個(gè)導(dǎo)電部件之間通過(guò)空氣的最短距離，其作用是防止 “閃絡(luò)”（空氣擊穿電?。Ｏ啾戎?，爬電距離是兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿表面的最短路徑，旨在防止 “電痕”（電流沿絕緣材料表面流動(dòng)）。所需距離取決于以下幾個(gè)因素：

工作電壓

過(guò)電壓類別

污染等級(jí)

材料組別（絕緣材料的抗電痕化性）

海拔高度

過(guò)電壓類別（OVC）表示電源預(yù)期工作的電源等級(jí)。類別越高，對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)電壓峰值越大，需要更大的電氣間隙和更高的測(cè)試電壓來(lái)確保安全。以下是這些類別的概述：

CAT I 受保護(hù)的電子電路（電池供電、有限能量的次級(jí)電路）

CAT II 本地電器（家用、便攜式工具）

CAT III 建筑設(shè)施（配電盤(pán)、固定線路）

CAT IV 設(shè)施電源端（引入線、一次配電）

污染等級(jí)（PD）描述了正常運(yùn)行期間可能積聚在電源絕緣上的導(dǎo)電污染物量。污染程度越高，需要的爬電距離越大，以保持安全隔離。以下是這些類別的概述：

PD 1（0.1 倍） 清潔、干燥（如密封電子設(shè)備、太空環(huán)境）

PD 2（1.0 倍） 通常不導(dǎo)電，偶爾有冷凝（典型室內(nèi)環(huán)境）

PD 3（1.5 倍） 導(dǎo)電污染或潮濕（如廚房、工廠）

PD 4（2.5 倍） 持續(xù)性導(dǎo)電污染（有大量鹽霧的戶外環(huán)境、化工廠）

每個(gè)污染等級(jí)都有一個(gè)相應(yīng)的乘數(shù)，應(yīng)用于每千伏工作電壓的基本爬電距離。例如，如果基本爬電距離為 2mm/kV，且電源適用于 PD 4 環(huán)境，則要求變?yōu)?2mm×2.5 = 5mm/kV 工作電壓。

此外，還必須考慮海拔的影響。隨著海拔升高，空氣密度降低，這會(huì)降低介電強(qiáng)度并增加電弧風(fēng)險(xiǎn)。IEC 60664-1 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海拔超過(guò) 2000 米的電氣間隙應(yīng)用降額系數(shù)。例如，在 5000 米海拔處，所需的電氣間隙可能比海平面高 50% 或更多。

繁多的標(biāo)準(zhǔn)

有一個(gè)古老的工程笑話：“標(biāo)準(zhǔn)很棒…… 每個(gè)人都該有一個(gè)。” 問(wèn)題在于，許多組織確實(shí)有自己的標(biāo)準(zhǔn)。就電源隔離而言，存在許多標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有不同的要求。以下是電源絕緣和安全方面的一些常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 60950-1 IT 和電信設(shè)備（現(xiàn)已被 IEC 62368-1 取代）

IEC 62368-1 音視頻、IT 和電信設(shè)備（IEC 60950-1 的現(xiàn)代替代標(biāo)準(zhǔn)）

IEC 60601-1 醫(yī)療設(shè)備（包括患者 / 用戶保護(hù)）

IEC 61010-1 實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)設(shè)備（側(cè)重于測(cè)試和測(cè)量設(shè)備）

IEC 60204-1 工業(yè)機(jī)械系統(tǒng)（通常與 IEC 61010 配合使用）

IEC 62109-1/-2 太陽(yáng)能逆變器和光伏設(shè)備（用于高壓太陽(yáng)能設(shè)備）

各種監(jiān)管和認(rèn)證機(jī)構(gòu)的存在進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都有自己的一套要求。主要機(jī)構(gòu)包括 UL（美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室）、CE（歐盟符合性認(rèn)證）、CCC（中國(guó)強(qiáng)制性認(rèn)證）和 PSE（日本電氣設(shè)備和材料安全法）。例如，CE 可能要求在特定電壓水平下進(jìn)行 1 秒測(cè)試，而 UL 可能要求在另一電壓水平下進(jìn)行 60 秒測(cè)試。這導(dǎo)致制造商必須應(yīng)對(duì)復(fù)雜的 “需求拼湊”，以實(shí)現(xiàn)全球合規(guī)。

RECOM 助力

RECOM 廣泛的電源產(chǎn)品組合可滿足各種應(yīng)用和市場(chǎng)的需求：從嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的微型轉(zhuǎn)換器，到工業(yè)和自動(dòng)化應(yīng)用中的重型轉(zhuǎn)換器。值得注意的是，最近因其用于工業(yè)和自動(dòng)化電源的 RACPRO1 DIN 導(dǎo)軌系列 RECOM獲得了 2025 年紅點(diǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。RECOM 還服務(wù)于許多其他市場(chǎng)，包括醫(yī)療、電信、網(wǎng)絡(luò)、鐵路和交通。

每個(gè) RECOM 電源都經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，以滿足其預(yù)期應(yīng)用的隔離、工作電壓與測(cè)試電壓要求。此外，RECOM 的專家可指導(dǎo)您應(yīng)對(duì)隔離法規(guī)的復(fù)雜性。

其他資源

RECOM 的《AC/DC、DC/DC 和 EMC 知識(shí)手冊(cè)》提供了實(shí)現(xiàn)高效 AC/DC 電源設(shè)計(jì)所需的大量見(jiàn)解和專業(yè)知識(shí)。

此外，RECOM 的《AC/DC 電源能效：基本要素快速指南》博客提供了生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)的有用介紹。這些法規(guī)是政府或監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)和指南，旨在確保產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期內(nèi)最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。其主要重點(diǎn)是通過(guò)減少浪費(fèi)、排放和資源消耗來(lái)提高能源效率和促進(jìn)可持續(xù)性。