隔离：快速入门指南
2020-5-20
虽然有不少关于隔离的网络资源、制造商提供的数据表和书籍，但隔离和绝缘等级仍是技术支持最常见的问题之一。这个主题因为牵扯到很多层次、标准和定义因此是复杂的，但却不难懂。本指南的目的是概述要点。如果仍有疑问，请随时联系 RECOM 技术或销售支持！
为何需要隔离？
隔离可预防不要的电流在系统的两个或多个部位之间流动。由于电源的地线之间的电位差该电流可能会流动（例如高压进线到低压板级电源），因为整个系统的接地不同（电源接地和信号接地可能在不同的电位），或者可能有外部电压加入系统（噪声干扰、故障或误用）。不要的电流可能危及生命（电击）、导致设备损坏（故障）或造成麻烦（不稳定的测量数据），因此不同的阶层都需要有预防措施。这些被称为隔离级别。
什么是隔离级别？
安全标准列出了四种隔离级别。
虽然功能隔离仅要求隔离壁垒能够承受高压测试的电压，但其他级别的隔离还需要在隔离壁垒之间有最小间距。这两个基本定义分别为：
行业标准的表格列出了最小爬电距离和电气间隙距离，根据特定的应用分类而定，例如工作电压、最大浪涌电压、使用环境类型以及最高海拔高度。这些因素都会影响电流沿着零件表面流动或在两点之间形成电弧的能力，因此最小间隔距离是在这些因素下最坏情况的距离。
此外，不同的标准是根据不同的应用定义限制。例如，AC/DC 电源可能符合所有在恶劣工业环境使用的安全要求，却无法满足在临床环境中使用的最小爬电距离和电气间隙。虽然医院的环境通常比工厂的环境好得多，但人员更容易受到伤害。
在尽量缩小电源或电路板与满足最小爬电距离和电气间隙的标准之间一直存在着争议。某些技术可能很有用，例如在 PCB 上铣槽以增加爬电距离或在组件周围缠绕胶带以增大两个导电点之间的有效间隙，但最好的方法是彻底了解应用、使用情况和预期环境才能设计出适当的PCB布局。
由谁决定所需的隔离等级？
一个系统的隔离等级要求是通过行业标准、政府法规和安全指令决定的，因此这些要求是针对应用和安全标准的。
产品安全法要求制造商在所有正常操作条件下保护用户免受电击危险，因此产品在正常使用、单一故障条件和可预见的误用状况下必须是安全的。表明符合法律法规的最简单方法是电源制造商根据公认的行业安全标准对产品进行认证。测试机构将针对被测器件的预期应用和额定电压来确定所需的隔离级别。
我们可以提供协助
了解设计所需的隔离级别是根据需要隔离的原因、预期应用的类型以及符合哪些安全标准而定的。虽然每次都会有追求最高隔离级别的冲动，但这并不总是最好的做法。低压电池供电的应用不会用来连接危险电压，若此时采用基本隔离部件其实是矫枉过正，只会徒增成本不会带来任何好处。在栅极驱动器电源应用使用增强隔离 DC/DC 转换器实际上是有害的，因为增强隔离的隔离电容高于功能隔离 DC/DC 转换器。另一方面，如果隔离级别与电源的预期用途不匹配，测试机构会将隔离部件判定为不合适，进而导致更高的重新设计和重新认证成本。
若遇到这种情况，请联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。RECOM 制造数以万计不同种类的 AC/DC 和 DC/DC 转换器以及 LED 驱动器，产品组合能够如此广泛的原因之一是因为我们的产品是针对不同的安全和性能标准而设计的，例如 LED 照明、铁路、工业、家庭或医疗等应用。
无论是板外还是板载的电源装置通常都是确保符合安全法律法规的主要部件。使用预认证的 AC/DC 电源并不能抵销设计安全系统时必须尽职调查的职责，但这种电源确实让符合性认证程序更简单、更快且成本更低。
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这一集快速讲解隔离主题，涵盖各种隔离级别以及哪些应用对应哪种隔离。
隔离可预防不要的电流在系统的两个或多个部位之间流动。由于电源的地线之间的电位差该电流可能会流动（例如高压进线到低压板级电源），因为整个系统的接地不同（电源接地和信号接地可能在不同的电位），或者可能有外部电压加入系统（噪声干扰、故障或误用）。不要的电流可能危及生命（电击）、导致设备损坏（故障）或造成麻烦（不稳定的测量数据），因此不同的阶层都需要有预防措施。这些被称为隔离级别。
什么是隔离级别？
安全标准列出了四种隔离级别。
- 功能隔离.
在系统的两个部分之间的电隔离。阻止接地环路电流和从一个电源轨到另一个电源轨的交叉干扰，并针对某些故障提供保护措施，例如输出短路。 电源通常使用变压器来达到功能隔离。输入和输出绕组因为电线涂层所以有电气隔离因此可以直接相互缠绕在一起。由于隔离不提供防电击保护，因此没有最小爬电距离或电气间隙的要求。
典型应用：避免接地环路、信号干扰隔离(将无噪声和有噪声的电源轨分开)、板级电源(将负载与电源隔离)、通过选择接地点和多通道或总线系统产生正电压或负电压(其中一个输出短路不会影响整个系统)。 - 基本隔离.
在功能隔离之上再加一个隔离层同时结合另一种保护措施以防止触电。
DC/DC 电源通常使用变压器来实现输入和输出之间的基本隔离，而变压器的输入和输出绕组是由一层固体绝缘区隔开来。对地的基本隔离则通常采用绝缘或物理隔离。
最小爬电距离或电气间隙取决于系统的电压差、电源的过压类别和环境的污染程度，而电气间隙也受海拔高度的影响而定。
典型应用: 具有潜在危险的直流电压系统（高于 60 VDC）或功能隔离应用需要额外的单一故障保护以提高可靠性。交流输入和未接地输出之间的基本隔离不适用于市电供电应用因为安全标准要求采用双重保护，而交流输入和外壳接地之间需要基本隔离。 - 双重隔离
具有功能隔离加上两个独立的绝缘层，每个绝缘层都能够防止触电(双重保护)。
电源通常从输入到输出之间使用变压器来实现双重隔离，其中输入和输出绕组由两个独立且极薄的固体绝缘层隔开。
最小爬电距离或电气间隙取决于系统的电压差、电源的过压类别和环境的污染程度，而电气间隙也受海拔高度的影响而定。
典型应用: 无地线的塑料外壳AC/DC电源供电系统以及需要双重故障保护的高可靠性DC/DC隔离应用。 - 加强隔离
具有功能隔离加上单绝缘层，相当于两个独立的防触电保护。
电源通常使用变压器来实现增强隔离，输入和输出绕组依设定的爬电距离和电气间隙距离以及一层厚的绝缘层分开，或者使用一层较薄的固体绝缘层以及一个使用三层绝缘线的绕组。后者的优点是与双重隔离的设计相比变压器的尺寸更加紧凑。最小爬电距离或电气间隙取决于系统的电压差、电源的过压类别和环境的污染程度，而电气间隙也受海拔高度的影响而定。
典型应用: AC/DC 市电供电系统、高可靠性和需要双重故障保护的医疗级 DC/DC 隔离应用。
虽然功能隔离仅要求隔离壁垒能够承受高压测试的电压，但其他级别的隔离还需要在隔离壁垒之间有最小间距。这两个基本定义分别为：
- 爬电距离
沿连接表面测得的穿过隔离壁垒的最短路径。例如在印刷电路板上，爬电距离是初级侧和次级侧走线之间沿绝缘表面最接近的距离。 - 电气间隙
电气间隙是指在两个导电零部件之间跨越隔离壁垒测得的空气间最短距离。例如在印刷电路板上，电气间隙距离是两个分别在初级侧和次级侧最相近的裸露金属组件之间的空气间最短距离。
行业标准的表格列出了最小爬电距离和电气间隙距离，根据特定的应用分类而定，例如工作电压、最大浪涌电压、使用环境类型以及最高海拔高度。这些因素都会影响电流沿着零件表面流动或在两点之间形成电弧的能力，因此最小间隔距离是在这些因素下最坏情况的距离。
此外，不同的标准是根据不同的应用定义限制。例如，AC/DC 电源可能符合所有在恶劣工业环境使用的安全要求，却无法满足在临床环境中使用的最小爬电距离和电气间隙。虽然医院的环境通常比工厂的环境好得多，但人员更容易受到伤害。
在尽量缩小电源或电路板与满足最小爬电距离和电气间隙的标准之间一直存在着争议。某些技术可能很有用，例如在 PCB 上铣槽以增加爬电距离或在组件周围缠绕胶带以增大两个导电点之间的有效间隙，但最好的方法是彻底了解应用、使用情况和预期环境才能设计出适当的PCB布局。
由谁决定所需的隔离等级？
一个系统的隔离等级要求是通过行业标准、政府法规和安全指令决定的，因此这些要求是针对应用和安全标准的。
产品安全法要求制造商在所有正常操作条件下保护用户免受电击危险，因此产品在正常使用、单一故障条件和可预见的误用状况下必须是安全的。表明符合法律法规的最简单方法是电源制造商根据公认的行业安全标准对产品进行认证。测试机构将针对被测器件的预期应用和额定电压来确定所需的隔离级别。
我们可以提供协助
了解设计所需的隔离级别是根据需要隔离的原因、预期应用的类型以及符合哪些安全标准而定的。虽然每次都会有追求最高隔离级别的冲动，但这并不总是最好的做法。低压电池供电的应用不会用来连接危险电压，若此时采用基本隔离部件其实是矫枉过正，只会徒增成本不会带来任何好处。在栅极驱动器电源应用使用增强隔离 DC/DC 转换器实际上是有害的，因为增强隔离的隔离电容高于功能隔离 DC/DC 转换器。另一方面，如果隔离级别与电源的预期用途不匹配，测试机构会将隔离部件判定为不合适，进而导致更高的重新设计和重新认证成本。
若遇到这种情况，请联系 RECOM 技术支持或向我们经验丰富的销售工程师寻求建议。RECOM 制造数以万计不同种类的 AC/DC 和 DC/DC 转换器以及 LED 驱动器，产品组合能够如此广泛的原因之一是因为我们的产品是针对不同的安全和性能标准而设计的，例如 LED 照明、铁路、工业、家庭或医疗等应用。
无论是板外还是板载的电源装置通常都是确保符合安全法律法规的主要部件。使用预认证的 AC/DC 电源并不能抵销设计安全系统时必须尽职调查的职责，但这种电源确实让符合性认证程序更简单、更快且成本更低。
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这一集快速讲解隔离主题，涵盖各种隔离级别以及哪些应用对应哪种隔离。
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