信息技術設備的安全隔離設計分析

信息技術設備的妾全隔寓設計分析AnalysisonSafetyIsolatingDesignDemandsforInformationTechnologyEquipment'珠海格力電器股份有限公川2空調(diào)設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家?guī)?點實驗室'吳洪清'廖常浩②萬今明摘要依據(jù)GB4943.1-2011對SELV電路和限流電路的要求,提出電路設計思路。以某信息技術設備供電電路為對象，從Y電容、安全隔離變壓溶、光耦、電阻器等方面詳細分析信息技術設備的安全隔離設計；并給出標準中電器間隙和能量危險的判定流程。關鍵詞信息技術設備；安全隔離設計；GB4943.1AbstractAccordingtotherecjiiirementsof(；B4943.1-2011forSELVcircuitandcurrentlimitingcircuit,thedesignideaofthecircuitisgiven.Then,takinganinformationtechnologyequipmentpowersupplycinuitasanobject,thesecurityisolationdesignofinfbnnationIrchnolcgye<|uipmentisanalyzetlindetailfromtheaspectsofYc<i|witor.s<iletyisolationtninsfrirnirr,o|)t(M-oupler,resistorantisoon.Andgiventhestandanlelectricalclearanceandenergyriskdecisionprocess.Keywordsinformaliontechnologyequipment：safetyisolatingdesigndemands;(；B4943.171V嶺值或120V直流值42.4、峰伉或60\I'［流值71V嶺值或120V直流值42.4、峰伉或60\I'［流值圖1單一故障條件下SELV電路的電壓1.1SELV電路設計要求在（；B4943-2011《信息技術設備的安全》（下文簡稱“標準”）中將安全特低電壓（SELV）電路定義為:“作「適當?shù)脑Oi|?和保護的二次電路，使得在正?！?作和單一故障條件下，它的電壓值均不會超過安全值”。從定義來看.SELV電路具有兩個主要特征。第一個特征是SELV電路是二次電路二次電路是指不與一次電路宜接連接，而是由設備內(nèi)部的變壓器、變換搟或等效的隔離裝置供電或由電池供電的電路因此SELV電路要求勺一次電路隔離；第二個特征是SELV電路在正常和單?故障條件下電壓值均不會超過安全值，單一故障包括任何絕緣（雙幣:絕緣或加強絕緣除外）或任何元器件（具有雙取絕緣或加強絕緣的元器件除外）的失效。正常丁?作條件下，SELV電路的電壓限值是交流峰值42.4V或直流60Vo單一故障條件下SELV電路的電壓在施加故障2（M）ms后不得超過上述限值（圖1中匕）,2（X）ms內(nèi)的電壓不超過71V交流峰值或120V直流值（圖1中r2）o對于故障后有雨復性的電壓，在下列條件允許有短暫超過V,的附加脈沖：4W20ms,r2應當大于1s;/,>20ms,t2應大于3s,且。不得超過200ms°為K保證SELV電路在單一故障下仍滿足安全電壓，那么其與一次電路危險電壓之間的隔離必須滿足二級保護原則。根據(jù)二級保護原則，SELV電路町采取如下措施與危險電壓電路進行隔離：方法一：在SELV電路和危險電壓電路之間采用雙重絕緣或加強絕緣進行隔離。?采用隔板、按規(guī)定路徑布線或使用固定件來確保提供永久性隔離的雙更絕緣或加強絕緣；?在需要隔離的'冬部件上或'零部件之間采用雙童絕緣或加強絕緣；?在需要隔離的一個零部件上采用基本絕緣和在另一個零部件上采用附加絕緣組成的雙重絕緣。圖2為某電源適配器內(nèi)部的電路板，由于電源適配器輸出端子屬于用戶可觸及，因此需要:滿足SELV電路要求。該適配器未接地，屬于II類設備，圖2中紅框內(nèi)的絕緣擋板在可觸及SELV電路與危險電壓電路之間構成加強絕緣以滿足隔離要求。方法二:采用基本絕緣+危險電壓電路接地將危險電/KljSEL\電路隔離：在帶危險電壓的零部件上采用基本絕緣，同時采用與電網(wǎng)電源保護接地端子相連的保護屏蔽層。圖2某電源適配器內(nèi)部電路方法三：采用基本絕緣+SELV電路接地將危險電壓與SELV電路隔離：在帶危險電壓的零部件上采用基本絕緣，同時還將其他'冬部件與電網(wǎng)電源的保護接地端了相連。圖3為某電源適配魅的原理簡圖,適配器為全封閉劾料外殼.僅宜流輸出端可觸及。由圖3可知可觸及電路部分與設備的保護接地端子可靠連接.這時可觸及電路與危險電壓電路只需要滿足基本絕緣即口L圖3接地的SELV電路1.2限流電路設計要求標準將限流電路定義為：?,作K適當設計和保護的電路,使得在正常工作條件下和單一故障條件下，能從該電路流出的電流是非危險電流，限流電路的決定因素是也流而不是電壓，如果將通過人體的電流限制在安全伉范圍內(nèi).即使電路電壓超過安全值，人體接觸到這類電路也是安全的'限流電路電流限值規(guī)定為：頻率不超過1kHz時,在限流電路中的任何兩個本部件之間或任何這樣的'零部件與地之間接一個2(XX)±1()%。的無感電阻，流過該電阻器的穩(wěn)態(tài)電流不超過0.7mA峰值或2mA宜流值。頻率高「1kHz時，則電流限值為0.7mA乘以kHz為單位的頻率值。對于帶有電容器的電路，為了防止電容麻放電對人體產(chǎn)生危險，判定限流電路時除了電流限值還有電容砒的要求：電壓U不超過450V峰值或直流值的零部件，其電路的電容憂不超過0.1piF；電壓U超過450V峰值或直流值，但不超過15kV峰值或直流值的零部件，其電路的電容僅不應超過45/U,nF,其中一U的單位為kV；電壓U超過15kV峰值或直流值的冬部件，其電路的電容ht不應超過700/%nF,其中U的單位為kVo限流電路作為可觸及電路的一種,在信息技術設備中的應用場合主要有：?如果可觸及導電零部件或電路與其他零部件是通過雙重絕緣或加強絕緣來隔離的.而這地絕緣上橋接有電容器或電阻器,則這些可觸及零部件或電路應符合限流電路的要求，同時應注意，在I類設備中.若橋接加強絕緣或加強絕緣的電阻電容器一端接保護地?則限流電路的保護要求并不適用，因為流過此處的電流會流入大地.應通過標準5.1的接觸電流進行考核，仍以圖3的電路為例，CY|跨接在隔離變壓器初級和次級之間，跨接絕緣類型屆于加強絕緣。由于電容跨接的可觸及電路部分可靠接地，應通過標準5.1的接觸電流來考核流過CY|的電流。如果可觸及電路部分并未接地.就應該按照標準1.5.6的要求.將2kQ的無感電阻串聯(lián)接ACY|?流過無感電阻的電流不應超過限流電路的限值。?某些含有逆變器的電路，例如液晶顯示器中逆變電路用「點亮液晶顯示解，其輸出端子一般有數(shù)「伏電壓，因此需要滿足限流電路的要求。2元器件的安全隔離設計分析為了達到安全隔離要求.需要從諸多方面進行嚴格的電路設計，本文以某信息技術設備供電電路(見圖4)為對象進行具體分析。圖4中，在一次電路和二次電路之間跨接多個元件，主要有Y電容、隔離變壓器、光荊、電阻。為了保證后端二次電路電壓不會產(chǎn)生電擊危險.以上元件應達到加強絕緣的要求，需要進行全面評估。2.1Y電容安規(guī)電容主要包括X電容和Y電容，適用于在電容器失效時不會導致電擊危險的場合。這地電容通常被橋接在一次電路與二次電路之間或者相線與保護地線之間。這些電容的安全特性直接影響器具的安全水平〉其中X電容一般被用于跨接功能絕緣,Y電容允許被用于跨接雙重絕緣或加強絕緣，如圖4所示。Y電容分為Yl、Y2、Y3、Y4四個等級吐表I給出了不同等級適用的跨接絕緣、額定電壓。

表1不同等級丫電容適用的跨接結緣類型及額定電壓等級跨接的絕緣類型額定電壓/V耐久性試驗前施加的峰值脈沖電壓/kVY1雙互絕緣或加強絕緣U<2508.0Y2基本絕緣或附加絕緣150WUW2505.0Y3基本絕緣或附加絕緣150W"W250—Y4基本絕緣或附加絕緣U<1502.5圖4某信息技術設備供電電路圖標準中也根據(jù)不同的絕緣要求，規(guī)定了橋接電容的具體類型及電容個數(shù)，見GB4943.1表1D。安全隔離設備應滿足雙重絕緣或加強絕緣的要求，以額定電壓220V為例，要求使用1個Y1電容或者2個相同的Y2電容串聯(lián)。電路板中電容安裝的引腳間的電氣間隙也要符合標準中雙重絕緣或加強絕緣的要求，且這些電路還應符合上述限流電路的要求。圖4某信息技術設備供電電路圖需要注意，依據(jù)CTL738決議對于Y1電容絕緣的考慮應針對電容的本體部分.電容引腳邊緣較薄的部位除外，如圖5。僅門色區(qū)域被作為加強絕緣號慮圖5電容絕緣的考慮范圍

2.2安全隔離變壓器安全隔離變壓器的絕緣等級達到雙重絕緣或加強絕緣的要求。需要從以下幾個方面評估：?初級、次級引腳間的電氣間隙和爬電距離：圖6中6、7、8、9、10腳為初級引腳，1、2、4、5腳是次級引腳;初、次級引腳分別位于變壓器兩側，初、次級引腳間的距離需要達到加強絕緣；同時需進行對應的抗電強度測試。NC,NC,10■DC310V/400mA9■NC,NC,10■DC310V/400mA9■圖6變壓器引腳分布?固體絕緣線的要求：圖7是某型砂變壓器結構圖，變壓器中初級銅線通常采用漆包線，而次級銅線普遍采用三重絕緣線。三重絕緣線是一種高性能絕緣導線，中間是導線芯，外面有-:層絕緣材料：最外層是玻璃纖維，中間層是擠出絕緣層，最內(nèi)層是有“黃金薄膜”之稱的聚酰胺薄膜°該絕緣層是不可分開的，要以整體的方式通過GB19212.1第26.3.2的卷軸試驗；絕緣層的貫通絕緣距離也需符合標準相關要求。變壓器各層線圈間分別采用1到3層黃色膠帶隔離，起到絕緣和隔熱的作用,由于次級線圈采用三電絕緣線，黃色膠帶僅需要滿足功能絕緣的要求，?由于初級引腳由內(nèi)部經(jīng)次級繞組穿出，兩繞組間接觸時成45。~90。，為了隔離的可靠性，繞蛆間需要

提供足夠機械應力防護，這是提供足夠機械應力防護，這是GB4943.1特別提出的要求，如圖7中在初級引腳端增加套管。提供足夠機械應力防護，這是GB4943.1特別提出的要求，如圖7中在初級引腳端增加套管。(a)提供足夠機械應力防護，這是GB4943.1特別提出的要求，如圖7中在初級引腳端增加套管。(a)變壓器結構(b)增加隔離膠帶(c)增加套管圖7變壓器結構及絕緣操作驗VinL如果試驗電壓Vinia與VinL達到標準要求的加強絕緣測試值.無最小絕緣穿透距離要求同時如果最小絕緣穿透距離能夠達到0.4mm或以上，且滿足污染等級1的環(huán)境和絕緣化合物試羚，也無電'〔間隙與爬電距離要求。此外-光耦選型時需要關注其絕緣性能，包括絕緣耐受電壓、絕緣電阻、絕緣厚度、電氣間隙等。2.4電阻器橋接在雙再絕緣或加強絕緣上的電阻器，應符合上述限流電路的要求。電阻器跨接端的爬電距離和電氣間隙需符合雙重絕緣或加強絕緣的要求,所使用的電阻器需通過電阻器試驗：樣品按2423.3《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Ca:恒定濕熱試驗方法》承受濕熱試驗后，每個樣品需承受的1.2/50的脈沖試驗。試收后，每個樣品的電阻值的變化量不得超過10%,且不允許失效。3其他方面的特殊要求針對安全隔離電路的設計，標準GB4943.1中還有以下幾點特殊要求。3.1爬電距離、電氣間隙和固體絕緣電路板設計中，一次電路與二次電路間的爬電距離與電氣間隙要達到加強絕緣的要求。對于電氣間隙判定方法，GB4943.1的規(guī)定有別于其他同類標準，提出了附加電氣間隙的要求，具體流程如圖7所示。電氣間隙判定光耦一般在開關電源電路中，用于橋接變壓器初級和次級電路，起到加強絕緣的作用,是隔離電路中的重要元件。圖8是某光耦的內(nèi)部結構圖，需要評估在元件內(nèi)部的發(fā)光二級管與三級管之間的透明硅膠，其最小絕緣穿透距離至少為0.Immo圖8光耦內(nèi)部結構圖光耦在生產(chǎn)時執(zhí)行IEC60747-5-5《電力變壓器、電源、電抗器和類似產(chǎn)品的安全第I部分：通用要求和試驗》⑵第5.2.6規(guī)定的例行試羚電壓Vini,和型式試

300V杓效值—星一＞呼(420V)(ft最小值為表2K否/峰值I..作電壓足否再.電T間隙、超過電源電用:峰信—；最小伉為表2K一、—L是電氣間隙最小值為表2K與2L的總和圖9電氣間隙判定流程如果器具適用于海拔2000m以上至5(XX)m,則最小電氣間隙值應乘以倍增系數(shù)1.48。需要注意的是由于我國地理條件的特殊性.GB4943.1的規(guī)定設備默認適用的海拔為500()m以下，對于僅適用于2(MX)m以下的設備，需要:標注“僅適用于海拔2000m以下地

區(qū)安全使用”標識后，最小電氣間隙值可不乘以倍增系數(shù),基于絕緣穿透距離進行設計，除非元器件另有要求，否則對F附加絕緣或加強絕緣，單層固體絕緣穿透距離應當是0.4mm或者更大。印刷板作為電路的載體，電路走線間的爬電距離要滿足加強絕緣的要求。同時對于雙面板或者多面板,不同的面上布有不同極性的電路，需要考慮印制板固體絕緣的穿透絕緣，對于加強絕緣，最小厚度至少為0.4inmo并在GB4943.1第2.10.8.4條耐劃痕測試后,其絕緣性能不應失效。3.2能量危險二次電路末端是操作人員可以觸及的部件，不應有因為能量而造成傷害的危險。首先在操作人員接觸區(qū)內(nèi),彼此之間存在危險能咕等級的兩個或兩個以上的裸露零部件不應當被金屆物體橋接；其次用試驗指來確定所考慮的零部件被橋接的可能性；最后通過輸出功率測量及電容能吊水平來確認是否存在危險能量。輸出功率在240VA能夠保持60s時,端電壓不超過2Vo電容電壓大等于?2V時，能峨水平不能超過20Jo能量危險的具體判定流程見圖l0o圖10能量危險判定流程4結語采用安全隔離設汁的電子產(chǎn)品，在用戶使用過程中具布?較高的安全性及便利性。本文對安全隔離電路中的具體元器件.包括Y電容、隔離變壓器、光耦、電阻等,依據(jù)標準并結合部分實例進行分析，希望能夠幫助相關開發(fā)人員在產(chǎn)品安全隔離設計時全面考慮，設計出符合標準要求的產(chǎn)品。參考文獻|1］工業(yè)和信息化部電子第四研究院?T.業(yè)和信息化部電子第四研究所，上海市質ht監(jiān)督檢騎研究院，等.GB4943.1-2011信息技術設備安全第1部分：通用耍求［S］.北京：中國標準出版社?2011.|2|1EC60747-5-5DeviceSetniconductors-Discretedevices-

Part5