电源模块中的绝缘设计

一：电击危险
　　电流流过人体会引起人体的生理反应，反应的强烈程度取决于电流的大小、持续时间、通过人体的路径等。一般只需要0.5mA的电流，就能对健康的人体产生影响，并且可能造成间接性危害。更大的电流可能会对人体造成直接伤害，如烧伤或心室的纤维性颤动。
　　一般而言，在干燥的情况下，小于40V峰值或60V直流的电压，通常可视为没有危险性的电压。但是，对使用时必须触碰的或者是需要用手操作的裸露零件等都应该接到保护地或者是将其妥善地处理。
为了防止人体(操作人员或者维修人员)受到电击，需要在开关电源设计中，遵守相关行业安规设计标准，如IEC60950，国标G4943等;在这些标准中，对开关电源的不同位置的做了绝缘要求，来保证操作人员的安全。
二：绝缘类别
2-1:功能绝缘(Functional Insulation)：功能绝缘的目的，只在维持产品能够正常操作，并不具备任何安全上的功能。此类绝缘通常使用于同一线路中的两导体之间，即没有安全隔离要求的部分。例如PWB上的绿油，电解电容的塑胶外壳都是功能绝缘。
2-2:基本绝缘(Basic Insulation)：基本绝缘的目的在于为防电击提供一个基本的保护，以避免触电的危险，不过此类绝缘只能保证正常状态下的安全，却无法保障有瞬变电压出现时安全，换言之，当瞬变电压发生时，基本绝缘便会有崩溃的可能。
2-3:补充绝缘(Supplementary Insulation)：在基本绝缘以外，再附加的绝缘，目的是当基本绝缘失效时，提供另一层的绝缘功能。一般来说，对补充绝缘的要求和基本绝缘是一样的，因此两者之间的角色是可以互换的。例如一条电缆有两层的绝缘，我们可以说内层是基本绝缘，外层是补充绝缘，而反过来说也是可以的。
　　我们必须留意一点，那就是补充绝缘必定是于基本绝缘存在的情形下才成立的。
2-4:双重绝缘(Double Insulation)：这是指包含基本绝缘和补充绝缘两者的绝缘。只要使用的场所正确，这种绝缘可以提供足够的安全保护，不会有触电的危险。
2-5:加强绝缘(Reinforce Insulation)：其提供的绝缘程度同于双重绝缘，但和双重绝缘不同之处在于，其不易被划分为基本绝缘和补充绝缘两部分，它可能是个一体成形的隔离物，或是由许多隔离物构成的绝缘。
2-6:Ⅰ类工具的防触电保护不仅依靠基本绝缘,而且还包括一个保护接零或接地措施,使外露可导电部分在基本绝缘损坏时不能变成带电体。此类器具则要接在备有有效接地端子的插座内使用，或者单独给外壳加接地线，即必须有接地装置的电器产品。
2-7:Ⅱ类工具的防触电保护不仅依靠基本绝缘,而且还包括附加的双重绝缘或加强绝缘,
(不提供保护接零或接地或不依赖设备条件,外壳具有"回"标志.)
(Ⅱ类工具又分为绝缘材料外壳Ⅱ类工具和金属材料外壳Ⅱ类工具二种.)
(“回”字标志是指双重绝缘或加强绝缘结构的II类器具，无需对外壳接地。)
2-8:Ⅲ类工具的防触电保护依靠安全特低电压供电,工具中不产生高于安全特低电压的电压。
三：电气间隙与爬电距离
3-1:电气间隙：是指两个导电零部件之间或导电零部件与设备界面之间测得的最短空间距离。此距离的量测并不限制采用何种途径。例如某产品使用绝缘材料当外壳，此外壳的开孔或缝隙处都应当成导体考虑，就如有层铝箔铺于其上，依然须和内部的危险部件保持一定的距离，因为这些地方都是易于被使用者触及的地方。
3-2:爬电距离：是指沿绝缘表面测得的两人个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短距离。一般而言，如果不是污染等级为1，爬电距离通常要大于电气间隙。
电气间隙与爬电距离与工作电压、污染等级、海拔高度、绝缘材料等有关。PCB上的实际设计电气间隙与爬电距离的要求，需要根据绝缘等级要求、工作电压、污染等级、海拔高度、绝缘材料等具体细节，按标准要求进行查表计算。
3-2:海拔高度：根据巴斯成定律，一个和谐电场的崩溃电压与气压和两极间的距离之乘积成正比的，当两极间的距离一定时，气压越小，崩溃电压也就越低。而气压又与海拔高度成反比，因此海拔高度是影响空间距离的重要因素之一。
一般安全标准都将产品的最高海拔高度设为2000m,超过2000m就需要考虑一个修正因素，见下表：

IEC60950-1和UL60950-1都是按照2000m海拔高度来要求，如果要满足5000m海拔高度，那么所有的电气间隙距离要求需要乘以系数1.48，比如原来2000m要求电气间隙和爬电距离分别为4mm和5mm，那么5000m海拔使用下就要求4*1.48=6mm，爬电距离要求必须等于或者大于对应的电气间隙要求，所以这种情况下电气间隙和爬电距离要求都是6mm。很多申请CCC的产品在铭牌上打一个警告标识“仅适用于2000m海拔以下”，就是因为满足不了5000m海拔的电气间隙要求。
四：污染等级：
若两导体间的空间有了污染物,也同样会影响绝缘程度.一般标准将污染划分为四个等级
　　污染等级1: 没有污染物或只有干燥且非导电性的污染物出现。可以用封闭外壳，或将电路板的表面涂覆，便能符合此一程度的污染
　　污染等级2：是指偶有导电性污染物出现的污染，例如水蒸气的冷凝。一般仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然的由于凝露造成的短暂导电性污染。
　　污染等级3：有导电性污染，或由于预期的凝露使非导电性污染变为导电性的。
　　污染等级4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。除非有关产品标准另有规定，工业用电器一般选取用于污染等级3级的环境，家用和类似用途的电器一般选取污染等级为2级的环境。
五：高频变压器的工作电压测试
将输入N线与输出GND连接起来，输入用额定最高电压，正常带载，用示波器直流耦合测量初次之间（如变压器1-7,1-8,2-7,2-8,3-7,3-8,4-7,4-8）的Peak值及RMS值，此项目测试比较危险。Peak值决定电气间隙，RMS值决定爬电距离。
光耦也要测试工作电压，测试四次，1-3，1-4，2-3，2-4 
电路测试方法图如下
 
六：电气间隙与爬电距离的计算及确认
  6-1:电气间隙确认
如对于一次电路及一次电路与二次电路之间的电气间隙要求，依EN/IEC60950标准决定.先测试出变压器的工作峰值电压在根据标准里面的Table2K与Table2L进行计算。
以下将说明如何针对上列的加强绝缘要求，算出最小的空间距离，参照Table2K与Table2L以进一步了解电源模块之空间距离要求。计算标准如下。
 
 
6-1-1：根据2.10.3.2条款规定，当电源模块的变压器工作电压（Peak）超过交流电源供电器的电压时，可采取两个步骤决定最小的电气间隙。
步骤1：查阅Table2K中初级电路以及初级电路次级电路之间绝缘所需的最小电气间隙。
如当测试电源模块变压器的工作电压（Peak）为420V时，从Table2K得出。
F功能绝缘的距离为：1.5mm
B/S基本绝缘与附加绝缘功能的距离为：2.0mm
R加强绝缘的距离为：4.0mm
6-1-2：按照 EN/IEC60950的规定，电源模块的变压器的工作电压不超过420V时，功能绝缘1.5mm，基本与附加绝缘2mm，加强绝缘4mm，如果工作电压超过420Vpeak，那么就要把Table2K和Table2L中的数值加起来，由于工作电压超过了420Vpeak，所以就要按步骤2进行计算距离.
步骤2：查阅Table2L中初级电路工作电压值超过额定交流电源供应电压值时，绝缘所需的额外电气间隙。
如当测试电源模块变压器的工作电压远远超过了420Vpeak，即实测为890Vpeak，就得从Table2L中找到2500V列的933Vpeak列，对应的最小电气间隙如下。
F功能绝缘的额外加距离为：0.7mm
B/S基本绝缘与附加绝缘功能额外加的距离为：0.7mm
R加强绝缘的额外加距离为：1.4mm
6-1-3：最小电气间隙最终得出：
功能绝缘（1.5mm+0.7mm）=2.3mm   基本绝缘（2.0mm+0.7mm）=2.7mm
 加强绝缘（4.0mm+1.4mm）=5.4mm
在Table2K和Table2L标准中大写字母F代表功能绝缘，B代表基本绝缘， S代表附加绝缘，R代表加强绝缘
  6-2:爬电距离确认
 
  6-2-1: 范例，
电源模块输入电压为：100V~240Vac
如实测电源模块的变压器工作电压365Vrms
污染等级：按2等级
材料类别：按IIIa或IIIb
  6-2-2: 如何计算基本绝缘需要的的爬电距离，
由于测得工作电压输入电压有效值为365V，在上图表2L中没有，所有需要计算。
A：先由上图表2L中得到300Vrms需要的爬电距离=3.2mm
B：再得到400Vrms需要的爬电距离=4.0mm
6-2-3:最终爬电距离计算
所需增加的距离：（4mm-3.2mm）/（400-300）X（365V-300V）=0.52mm
3.2mm+0.52mm=3.75mm
如需满足加强绝缘：（拿基本绝缘需要的爬电距离）X2倍，
即3.75mmX2=7.44mm，加强绝缘需要的最小爬电距离=7.44mm
七：范例
下图是一个典型的AC-DC的开关电源关键部件结构示意图，主要包括交流输入部分、整流后的高压直流部分、DCDC变换部分、人体操作可能接触到的副边电路、保护地等。下面以此图为例简单介绍开关电源实际设计中，不同零部件之间电气间隙与爬电距离的计算。
 
对于电路中各位置对大地，即交流输入L\N对地，整流后高压直流对大地，原边地对大地，副边对大地等，全部需要采用基本绝缘;对于一次DC-DC线路内部器件，由于不存在电击风险，只需要采用功能绝缘，保证电路正常工作，降低击穿、打火风险;而对于一次电路对二次电路，如图中B\C对E，必须要采用加强绝缘，防止人员在接触到二次电路时，具有危险性的一次电路造成电击。图中各位置的零部件的绝缘等级要求及不同位置间最大有效值、峰值电压如下表所示。
 
查表得，示意图中不同位置的零部件之间电气间隙与安全距离的最小要求如下表所示。