开关电源申请欧规的结构检查和测试要点

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开关电源是一种体积小、重量轻的高效节能电源.近年来被广泛地应用到计算机、通讯设备、控制设备及家用电器等设备中.作为一名合格的开关电源设计工程师,在进行产品设计时,除了应该尽可能地考虑如何满足产品的性能要求外,还必须熟悉开关电源的安规要求,否则就可能顾此失彼、事倍功半,造成开发进度的拖延和商机的流失.如今在越来越多的国家,电器产品取得相应的安规证书已经成为了市场的一种准入条件,如中国的CCC,欧盟的CE及美国的UL等等.

本文主要以申请德国GS认证并用于IT设备的开关电源(所适用的安规标准为EN 60950:2000)为例, 从结构检查和测试两个方面阐述开关电源的安规要求.

# ?8 {, X7 E. m! T4 x( h" K一． 结构检查
" F3 c% o9 o* D6 r* R
9 v! R' J# F% Y( c6 E) P8 R  y        生产厂家把样品送到认证公司之后,负责该项目的认证工程师首先会详细检查样品的结构,找出样品结构中所有不符合标准要求的地方,以便通知厂家及时更改,在对样品进行测试之前先解决所有结构方面存在的问题,避免在测试过程中或测试完成后才发现结构问题,影响测试结果的准确性和认证的进度.
0 N' D  u$ [: L" ~' o" i% c0 p
        那么,对于一个申请德国GS认证并用于IT设备的开关电源来说,比较常见的结构问题有哪些呢?
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- W, o% v( C0 V2 ]8 w       首先要检查的是样品的外观.其中最显眼的莫过于产品的标签了,根据EN 60950: 2000的要求,标签必须清楚地标识产品使用时的额定电压或额定电压范围、额定电流、频率、生产厂家的名称或商标、产品型号等,如果产品属于二类结构,还必须标识“ ”符号.生产厂家最容易犯的一个错误是产品标签上只标有产品的额定输入功率而没有额定输入电流.
4 g: C1 c! f( b
        其次,如果产品的外壳上有散热孔的话还必须检查散热孔的尺寸和具体的结构, 开关电源最常见的散热孔是长条形的,对于这种散热孔来说如果其宽度不大于1毫米,则长度可以不加以考虑;在任何方向上都不大于5毫米的孔也是合格的,如圆形孔或方形孔,对于圆形孔来说,其直径不能大于5毫米;而对于方形孔来说,其对角线不能大于5毫米.另外还必须考虑异物是否能够直接进入开关电源内部,结构上不能防止异物从散热孔垂直进入开关电源内部的产品同样被认为是不符合标准要求的.
0 I% K' i% Z( `1 g
        最后检查的是开关电源的内部结构.主要包括PCB上初次级电路之间、初次级的元器件之间、高频开关变压器的初次级线圈之间以及初级电路和元件到外壳可接触表面之间的爬电距离和电气间隙是否满足加强绝缘的要求.
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爬电距离和电气间隙的具体数值是由绝缘的类型即功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘和绝缘之间的工作电压共同来决定的,可以查阅标准中的表2H,2J,2L.对于一个最高输入电压为交流240V的开关电源来说,基本和附加绝缘的爬电距离和电气间隙一般分别为2.5毫米和2毫米,而对于加强绝缘来说这两个数值则一般为5毫米和4毫米.
5 p" z' g$ P0 c0 }3 y' ^
PCB上初次级电路之间的隔离由于比较直观,大多数厂家在进行产品设计时都考虑到了,出现的问题比较少.初次级元件之间在隔离时经常碰到的问题有:
$ N  q: r1 J" Z) R
1)高频变压器的铁芯和初次级元件之间没有足够的电气间隙,造成初次级元件之间总的电气间隙不能满足标准要求;

2)忽略了初级开关管的散热器或次级整流二极管的散热器分别到次级元件或初级元件之间的隔离;开关电源由于在设计时考虑到总的散热面积或EMC的需要,开关管的散热器经常延伸到次级侧,或是次级整流二极管的散热器延伸到初级侧,生产厂家往往会在散热器上缠上绝缘胶带或在元器件和散热器之间用麦拉片(Mylar)加以隔离,但是在工艺上却没有控制散热器外面所缠胶带的层数或麦拉片的厚度,有的只用一层绝缘胶带或不够0.4毫米厚的麦拉片,有的甚至完全没有隔离,而根据标准要求,至少必须使用两层胶带或0.4毫米厚的麦拉片,而且还必须经受耐电强度的测试;
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( Z& r. E0 i) Q  z+ _3)高频开关变压器作为开关电源结构检查的重要一环,也经常出现各种各样的问题,如线圈在绕制时在骨架两端没有使用magin tape, 初次级线圈引出线没有使用铁氟龙套管,绝缘骨架本身存在结构问题以及使用三层绝缘线时引出线弯折处没有用套管加以保护等.
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除此之外,在认证过程中我们还发现了一些其它常见的问题,如CB上保险丝两个引脚的焊点之间、保险丝之前的L,N线之间的爬电距离或电气间隙没有达到标准要求,初级输入线和次级输出线没有双重固定,仅仅存在基本绝缘的次级输出线在开关电源内部的那一部分线太长从而接触到初级元件等.

二、测试
8 F+ z% w; f9 ?9 B              样品的结构在经过检查和修改完全合格后,接下来的事情就是安排样品的测试了.EN 60950:2000中的主要测试项目有:输入电流,SELV(Safety Extra Low Voltage:安全特低电压)测试,LCC(Limited Current Circuit:限流电路)测试,LPS(Limited Power Supply:限流电源)测试,正常温升,接触电流,耐压强度和故障测试.

下面对这些测试一一加以阐述.
1 _6 W" p) A6 K& Y
1) 输入电流测量是测量样品在额定电压和频率下接上额定负载时的稳态输入电流.所测得的实际工作电流与标签上所标识的额定电流进行比较,标准要求产品的实际工作电流不能超出额定电流的10%.例如,对于输入参数为100-240V~,50/60Hz, 1A, 输出参数为12Vdc, 4A的开关电源, 测试时分别在100V~, 50/60Hz和240V~, 50/60Hz四种输入条件下,调节样品的输出至4A, 测得四个不同的输入电流值, 这四个数值都不能超过1.1A, 否则该测试项目就不合格.
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: D" M: F, v+ Q' p! H7 [' I2) 安全特低电压(SELV)测量: 对于开关电源来说,做该试验时我们主要是测试开关电源可触及的输出端子两端的电压在试品正常工作及单一故障情况下的电压值,根据标准要求,该电压值不能超过42.4V的交流峰值或60V的直流值.如果所持续的时间不超过0.2秒,则该限值可以适当放宽至71V交流峰值或120V直流值.

3) LCC(Limited Current Circuit: 限流电路)测试:测试时在开关电源的次级功能地和大地之间接上一个2KΩ的无感电阻,如果初次级之间桥接了两个Y2的电容,则短路其中一个电容.测试时必须综合考虑在空载和负载两种情况下所测得的通过2KΩ无感电阻的最大电流值,由于该电流中既有高频成分如开关电源的开关频率又有低频成分如输入电源的频率,而标准对不同的频率下的电流的限值存在差异,如在输入电源频率下的流经2KΩ的无感电阻的电流限值为0.7mA峰值,而对于开关频率为60KHz下电流的高频成分的限值为42mA(60x0.7mA),所以在测量时可以分别测试这两个频率下流经2KΩ无感电阻的电流值,与标准的限值进行比较.

. G# `) k* W4 Y5 B+ v4) LPS(Limited Power Supply: 限流电源):测试时分别考虑正常和故障两种状态,正常状态时直接调节开关电源所接负载,测得开关电源最大的输出电流和最大输出功率;故障时则使电压反馈或过电流保护回路失效,同样测量此时开关电源最大的输出电流和最大输出功率,和标准的限值进行比较.该测试不是强制必须通过的,生产厂家可以选择不做,但是如果样品通过了该测试,则可以在标签上标注LPS字样,表明该产品是限流电源,那么该开关电源如果用作其它产品如显示器的电源时,显示器内的连接器以及安装在防火等级为V-1级的PCB上的元器件可以不需要防火外壳.
* N5 H; [# X, T
5) 正常温升:该测试的主要目的是检验生产厂家所选用的安规材料在正常工作条件下的温升值是否超出了该材料本身的最高允许温升限值,以及试品是否会因为过热而危及到使用者或环境的安全.对于使用时直接连接到交流电网的开关电源,测试电压分别为0.9倍和1.06倍的额定电压,但是如果试品的额定输入电压为交流230V,那么这时的测试电压则分别为0.9倍和1.1倍的额定输入电压.例如,一个开关电源的额定输入为100-240V~, 测试电压为90V及254V;但是如果一个开关电源的额定输入为230V~时,测试电压则为203V和253V.

& r0 u- W7 s# f4 E% c6) 绝缘强度:主要用于检验试品中的绝缘可以耐受电压的程度.测试在正常温升达到稳态后立刻进行.测试电压的数值由绝缘的类型及所要测试的绝缘两端的工作电压两个因素来决定.如一个二类结构、输入电压为100-240V~的开关电源,其初级侧危险带电元件到塑胶外壳可触及表面之间的绝缘就属于加强绝缘,工作电压为354V峰值,在做该测试时绝缘两端所施加的电压值为4240V峰值,持续时间为1分钟.所施加电压的具体值可以查阅EN 60950:2000的表5B.

7) 故障测试:与正常工作条件不同,故障测试主要是测试被试品在模拟单一故障的情况下对于使用者和使用环境而言是否仍然是安全的.对于开关电源来说,这里的单一故障包括非认证电阻、非认证电容、二极管以及其它非认证元件的短路或开路,以及输出侧的短路或过载,这些故障条件不是同时进行的,而是逐次单个发生,所以称之为单一故障.如果某个故障引起了元器件着火,则火苗不能窜出被试品外面,被试品也不可以掉出熔化的金属颗粒;对于试品外壳来说,不能因为变形而影响到防触电的要求,也不能因此接触到危险运动部件.试验完成后,如果某处的爬电距离和电气间隙减小到小于标准在正常工作时的要求,或是绝缘存在明显的损坏痕迹,则可以通过绝缘强度测试来判别基本绝缘、附加绝缘或加强绝缘是否仍然是安全的.

至尊宝

请教:
+ S" `9 n0 u& R为什么要在次级功能地和大地之间接上一个2KΩ的无感电阻？
如果，真的要考核，按照标准应该是任何两个零部件之间都可以
, e6 z3 Z" \2 F我认为LCC不适用开关电源的输出

barry

引用第1楼至尊宝于2007-05-29 13:23发表的  :
请教:
为什么要在次级功能地和大地之间接上一个2KΩ的无感电阻？
' m0 N! E. i- g; Y9 p& O* U* B& r如果，真的要考核，按照标准应该是任何两个零部件之间都可以
$ o* w; r. t- K9 m2 _, D! `我认为LCC不适用开关电源的输出

7 R# C" v3 u# E# |EN 60950-1-2006原文
( u8 a, G: F9 |" T. U1 j
4 ]& g5 K4 i2 h, a( `If an accessible conductive part or circuit is separated from another part by DOUBLE INSULATION or REINFORCED INSULATION that is bridged by a capacitor or capacitors, the accessible part or circuit shall comply with the requirements for a LIMITED CURRENT CIRCUIT in 2.4. This requirement applies after electric strength testing of the insulation with the bridging capacitor or capacitors in place.

/ m" B% `$ k. ^纵观全文，标准仅在此提到需要用LCC考量。。。
3 m5 I$ t2 z& Y# G; V# [
- I3 O; Q& |; K: [! K, l对于开关电源（AC输入，SELV电路输出）来说，如果初极和次极用了Y电容（1个Y1或2个Y2）隔离，那么输出部分必须满足LCC的要求。

再来看下面。

For frequencies not exceeding 1 kHz, the steady-state current drawn through a non-inductive
- R- n, o7 t1 Eresistor of 2 000 Ω ± 10 % connected between any two parts of a LIMITED CURRENT CIRCUIT, or
between any such part and earth (see 1.4.9), shall not exceed 0,7 mA peak, or 2 mA d.c.
6 ~& s4 e1 i1 _0 f$ q7 G( G1 `9 f5 o
6 B! u! {9 B% ~/ @4 H. x% I% L1 T可以用次级任意元器件和大地之间接上一个2KΩ的无感电阻来测量。

至尊宝

引用第2楼barry于2007-05-29 14:32发表的  :

* ^+ Q- f. Z3 Y4 X
EN 60950-1-2006原文
  U3 i! X, @. b+ A1 x  l1 S+ ]
If an accessible conductive part or circuit is separated from another part by DOUBLE INSULATION or REINFORCED INSULATION that is bridged by a capacitor or capacitors, the accessible part or circuit shall comply with the requirements for a LIMITED CURRENT CIRCUIT in 2.4. This requirement applies after electric strength testing of the insulation with the bridging capacitor or capacitors in place.
2 {2 m5 v6 \9 ]6 @* P+ l.......

8 E1 O& c7 r. n9 z9 ?2 Z* T/ i在问：为什么只做次级功能地和大地的测试？
. O$ V( h9 {, ~" \2 T7 d+ }其他部位呢？不需要测试么？如果需要，如何测试？
' t" e; {. p) {7 n4 A9 j/ h0 i还有，如果用在整机（如LCD）中的开关电源，需要测试么？

barry

在问：为什么只做次级功能地和大地的测试？

答：他所说的是他的经验，也就是说他平时测LCC可能都是在次级功能地和大地的之间测量的。
   
5 a* F, X) D, X) C+ h1 J# e原则上，测量点应该为LCC电路的任意两个任意元器件之间或任意元器件和大地之间。
) e* ^. t* R) G
3 d/ h5 C% ~  T" U" t其他部位呢？不需要测试么？如果需要，如何测试？

答：其它部件也需要测试。测试条件见标准2.4.
; Q, }; s; d+ C; N# E) G, @
' b1 z+ k! S  v' x& T  ~0 w! c还有，如果用在整机（如LCD）中的开关电源，需要测试么？
. q; S7 P) C: }. K2 U* U: N. s! o
答：如果LCD中的开关电源已有IEC 60950-1的认证，则不必测试。如果没有，则需做随机测试（包括LCC测试）

至尊宝

引用第4楼barry于2007-05-30 14:17发表的  :
在问：为什么只做次级功能地和大地的测试？

答：他所说的是他的经验，也就是说他平时测LCC可能都是在次级功能地和大地的之间测量的。
2 H2 [5 D9 h5 g# ]   
$ m$ A" d' X  i; D原则上，测量点应该为LCC电路的任意两个任意元器件之间或任意元器件和大地之间。
; H' W: |0 `6 f; v; K6 @" n+ \7 ~.......

8 I" }5 \3 `3 K3 E+ b哈，仍在问：
如果测试次级的正极输出与地，如何测试？
还有，我看到很多的试验室多都不进行LCC

barry

引用第5楼至尊宝于2007-05-30 15:51发表的  :
1 q$ ~4 p1 P! W& U. Z/ n$ X
8 G: m* ~8 u8 N8 z6 Q3 j
哈，仍在问：
如果测试次级的正极输出与地，如何测试？
9 s: }+ `, [( h4 Y3 {4 K还有，我看到很多的试验室多都不进行LCC

) ?7 a# e4 S% Z1 T6 g7 p: f
标准2.4已经清清楚楚写明了测试方法。。。
; {- W) i: M% ~& P4 e0 o
8 Z4 {: M/ `$ D" [$ \8 k如果，初、次极间接有Y电容的话，LCC肯定是要测量的。。。

至尊宝

引用第6楼barry于2007-05-30 15:55发表的  :

! ~7 @7 y  b6 S& n
! |* @) B" I4 R; _7 p9 k; F  G" Z
+ o3 i" F7 g! g5 ], i标准2.4已经清清楚楚写明了测试方法。。。

8 P# ]  u' N" S! u: L1 D! D.......

马上就去做，然后请教
7 ^& u7 J1 l  b) k. I: ?哈哈

Jim-Guo

请问高频变压器的铁芯和初次级元件之间的电气间隙是多少,次级呢?
那铁芯与Y电容和光耦的电气间隙又是多少,我的开关电源送到澳洲去做LVD,他们说铁芯与Y电容和光耦的电气间隙最小3mm?请出处在哪!

barry

引用第8楼Jim-Guo于2007-06-01 00:51发表的  :
3 A6 P& b! _- r# d请问高频变压器的铁芯和初次级元件之间的电气间隙是多少,次级呢?
那铁芯与Y电容和光耦的电气间隙又是多少,我的开关电源送到澳洲去做LVD,他们说铁芯与Y电容和光耦的电气间隙最小3mm?请出处在哪!

铁心有三种处理方法：

: W! b! z. _0 O, f, Q" a1、铁心做初极的一部分：
   铁心和初极之间的电气间隙、爬电距离不做要求。
   铁心和次极之间的电气间隙、爬电距离为加强绝缘或双倍绝缘。
  T, r1 B/ h, a; u
- t) M; [' _/ E6 K2 S$ |1 n2、铁心做次极的一部分：
   铁心和次极之间的电气间隙、爬电距离不做要求。
   铁心和初极之间的电气间隙、爬电距离为加强绝缘或双倍绝缘。

3、铁心做中间导体：
. ~% A2 E% ?) u2 n   铁心和初极之间的电气间隙、爬电距离为基本绝缘。
   铁心和次极之间的电气间隙、爬电距离为基本绝缘。


从澳洲方面的要求和处理来看，他们是把铁心当做了中间导体。
) j) ~$ D. H/ J" T/ ^则铁心和初极、次极（包括初、极的所有元器件）之间要求为基本绝缘。
# D) l0 y) h# Q最小电气间隙3mm要求比较严格。一般要求为2mm-2.5mm。
4 g/ [0 _2 R5 l6 p! ^6 m
& ~" X3 P% v( q, d+ T; D6 C* K清楚了吗？