電源中的電氣隔離不僅關乎安全，更是性能和可靠性的基石。本文將探討隔離屏障的概念、工作電壓與測試電壓的差異，以及標準為何重要，幫助工程師設計符合當今嚴苛法規(guī)和應用需求的穩(wěn)健系統(tǒng)。

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

引言

在為任何應用（醫(yī)療、電信、工業(yè)等）選擇電源時，工程師需考慮諸多因素。首要任務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)境適應性。

一個常被忽視的方面是適當的隔離。選擇具有合適隔離特性的電源，對系統(tǒng)的長期可靠性、安全性和標準合規(guī)性至關重要。對于工業(yè)、醫(yī)療和自動化應用等關鍵任務和安全關鍵型應用，了解測試電壓與工作電壓的差異是做出明智設計決策的關鍵。

什么是隔離屏障？

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

這種隔離通常通過用于功率傳輸的變壓器實現，并輔以用于控制信號反饋的光耦合器或數字隔離器。

什么是工作電壓和測試電壓？

工作電壓（又稱 “持續(xù)電壓”）是指在正常運行期間，隔離屏障兩側的最大電壓差。該值對于確定電源的絕緣要求和安全等級至關重要，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 “測試電壓”）是指絕緣材料（“電介質”）能夠承受而不被擊穿的最大電壓。換句話說，它是材料保持隔離且不允許電流通過從而危及安全的閾值。

介電耐壓測試（又稱 “高壓測試” 或 “耐壓測試”）即基于這一概念。在該測試中，會在隔離屏障上施加一個高電壓（通常遠高于工作電壓），目的是確認絕緣完好，無擊穿或過度泄漏，證明產品即使在瞬態(tài)或故障條件下也安全可靠。

在介電耐壓測試期間，高壓會施加一段特定時間，通常為 1 秒或 60 秒，以驗證是否存在泄漏或擊穿。1 秒測試通常用于生產中以防止元件退化，而 60 秒測試則更為嚴格，通常用于型號批準和認證。不同標準規(guī)定了工作電壓的不同倍數、測試持續(xù)時間，甚至測試波形，以驗證絕緣完整性。

隔離的關鍵考量因素有哪些？

電源的安全性和可靠性需要關注電源的電氣特性和物理設計。標準對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（短時高壓測試）

絕緣類型（基本絕緣、附加絕緣、加強絕緣或雙重絕緣）

電氣間隙

爬電距離

污染等級

過電壓類別（OVC）

海拔高度

交流與直流輸入（在交流設計中，峰值電壓和瞬態(tài)電壓更為嚴苛，需要更堅固的絕緣和間距）

電氣間隙是兩個導電部件之間通過空氣的最短距離，其作用是防止 “閃絡”（空氣擊穿電弧）。相比之下，爬電距離是兩個導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）。所需距離取決于以下幾個因素：

工作電壓

過電壓類別

污染等級

材料組別（絕緣材料的抗電痕化性）

海拔高度

過電壓類別（OVC）表示電源預期工作的電源等級。類別越高，對應的瞬態(tài)電壓峰值越大，需要更大的電氣間隙和更高的測試電壓來確保安全。以下是這些類別的概述：

CAT I 受保護的電子電路（電池供電、有限能量的次級電路）

CAT II 本地電器（家用、便攜式工具）

CAT III 建筑設施（配電盤、固定線路）

CAT IV 設施電源端（引入線、一次配電）

污染等級（PD）描述了正常運行期間可能積聚在電源絕緣上的導電污染物量。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（如密封電子設備、太空環(huán)境）

PD 2（1.0 倍） 通常不導電，偶爾有冷凝（典型室內環(huán)境）

PD 3（1.5 倍） 導電污染或潮濕（如廚房、工廠）

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

每個污染等級都有一個相應的乘數，應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，這會降低介電強度并增加電弧風險。IEC 60664-1 等標準對海拔超過 2000 米的電氣間隙應用降額系數。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。

繁多的標準

有一個古老的工程笑話：“標準很棒…… 每個人都該有一個?！?問題在于，許多組織確實有自己的標準。就電源隔離而言，存在許多標準，每個標準都有不同的要求。以下是電源絕緣和安全方面的一些常見標準：

IEC 60950-1 IT 和電信設備（現已被 IEC 62368-1 取代）

IEC 62368-1 音視頻、IT 和電信設備（IEC 60950-1 的現代替代標準）

IEC 60601-1 醫(yī)療設備（包括患者 / 用戶保護）

IEC 61010-1 實驗室和工業(yè)設備（側重于測試和測量設備）

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

IEC 62109-1/-2 太陽能逆變器和光伏設備（用于高壓太陽能設備）

各種監(jiān)管和認證機構的存在進一步加劇了這一挑戰(zhàn)，每個機構都有自己的一套要求。主要機構包括 UL（美國保險商實驗室）、CE（歐盟符合性認證）、CCC（中國強制性認證）和 PSE（日本電氣設備和材料安全法）。例如，CE 可能要求在特定電壓水平下進行 1 秒測試，而 UL 可能要求在另一電壓水平下進行 60 秒測試。這導致制造商必須應對復雜的 “需求拼湊”，以實現全球合規(guī)。

RECOM 助力

RECOM 廣泛的電源產品組合可滿足各種應用和市場的需求：從嵌入式和物聯網系統(tǒng)中使用的微型轉換器，到工業(yè)和自動化應用中的重型轉換器。值得注意的是，最近因其用于工業(yè)和自動化電源的 RACPRO1 DIN 導軌系列 RECOM獲得了 2025 年紅點產品設計獎。RECOM 還服務于許多其他市場，包括醫(yī)療、電信、網絡、鐵路和交通。

每個 RECOM 電源都經過專門設計，以滿足其預期應用的隔離、工作電壓與測試電壓要求。此外，RECOM 的專家可指導您應對隔離法規(guī)的復雜性。

其他資源

RECOM 的《AC/DC、DC/DC 和 EMC 知識手冊》提供了實現高效 AC/DC 電源設計所需的大量見解和專業(yè)知識。

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)設計法規(guī)的有用介紹。這些法規(guī)是政府或監(jiān)管機構制定的一系列標準和指南，旨在確保產品在其整個生命周期內最大限度地減少對環(huán)境的影響。其主要重點是通過減少浪費、排放和資源消耗來提高能源效率和促進可持續(xù)性。