隔离的重要性（工作电压与测试电压）

电源中的电气隔离不仅关乎安全，更是性能和可靠性的基石。本文将探讨隔离屏障的概念、工作电压与测试电压的差异，以及标准为何重要，帮助工程师设计符合当今严苛法规和应用需求的稳健系统。

电源隔离装置显示混乱的电流被转换为稳定的输出，象征着工作电压和测试电压。

引言

在为任何应用（医疗、电信、工业等）选择电源时，工程师需考虑诸多因素。首要任务是确保电源能够处理所需的交流和 / 或直流输入电压范围，并提供必要的输出功率。其他关键考量包括效率、热管理、尺寸、法规合规性、电磁兼容性（EMC）和环境适应性。

一个常被忽视的方面是适当的隔离。选择具有合适隔离特性的电源，对系统的长期可靠性、安全性和标准合规性至关重要。对于工业、医疗和自动化应用等关键任务和安全关键型应用，了解测试电压与工作电压的差异是做出明智设计决策的关键。

什么是隔离屏障？

在电源中，隔离屏障是连接电源的输入侧（原边）与为负载供电的输出侧（副边）之间有意设置的电气隔离。该屏障可防止电流在两侧之间直接流动，同时仍允许安全有效地传输功率和数据。

这种隔离通常通过用于功率传输的变压器实现，并辅以用于控制信号反馈的光耦合器或数字隔离器。

什么是工作电压和测试电压？

工作电压（又称 “持续电压”）是指在正常运行期间，隔离屏障两侧的最大电压差。该值对于确定电源的绝缘要求和安全等级至关重要，它不仅取决于输入电压，还取决于系统配置。

介电耐压（又称 “测试电压”）是指绝缘材料（“电介质”）能够承受而不被击穿的最大电压。换句话说，它是材料保持隔离且不允许电流通过从而危及安全的阈值。

介电耐压测试（又称 “高压测试” 或 “耐压测试”）即基于这一概念。在该测试中，会在隔离屏障上施加一个高电压（通常远高于工作电压），目的是确认绝缘完好，无击穿或过度泄漏，证明产品即使在瞬态或故障条件下也安全可靠。

在介电耐压测试期间，高压会施加一段特定时间，通常为 1 秒或 60 秒，以验证是否存在泄漏或击穿。1 秒测试通常用于生产中以防止元件退化，而 60 秒测试则更为严格，通常用于型号批准和认证。不同标准规定了工作电压的不同倍数、测试持续时间，甚至测试波形，以验证绝缘完整性。

隔离的关键考量因素有哪些？

电源的安全性和可靠性需要关注电源的电气特性和物理设计。标准对以下方面提出了要求：

工作电压（屏障两端的持续电压）

介电耐压（短时高压测试）

绝缘类型（基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘或双重绝缘）

电气间隙

爬电距离

污染等级

过电压类别（OVC）

海拔高度

交流与直流输入（在交流设计中，峰值电压和瞬态电压更为严苛，需要更坚固的绝缘和间距）

电气间隙是两个导电部件之间通过空气的最短距离，其作用是防止 “闪络”（空气击穿电弧）。相比之下，爬电距离是两个导电部件之间沿表面的最短路径，旨在防止 “电痕”（电流沿绝缘材料表面流动）。所需距离取决于以下几个因素：

工作电压

过电压类别

污染等级

材料组别（绝缘材料的抗电痕化性）

海拔高度

过电压类别（OVC）表示电源预期工作的电源等级。类别越高，对应的瞬态电压峰值越大，需要更大的电气间隙和更高的测试电压来确保安全。以下是这些类别的概述：

CAT I 受保护的电子电路（电池供电、有限能量的次级电路）

CAT II 本地电器（家用、便携式工具）

CAT III 建筑设施（配电盘、固定线路）

CAT IV 设施电源端（引入线、一次配电）

污染等级（PD）描述了正常运行期间可能积聚在电源绝缘上的导电污染物量。污染程度越高，需要的爬电距离越大，以保持安全隔离。以下是这些类别的概述：

PD 1（0.1 倍） 清洁、干燥（如密封电子设备、太空环境）

PD 2（1.0 倍） 通常不导电，偶尔有冷凝（典型室内环境）

PD 3（1.5 倍） 导电污染或潮湿（如厨房、工厂）

PD 4（2.5 倍） 持续性导电污染（有大量盐雾的户外环境、化工厂）

每个污染等级都有一个相应的乘数，应用于每千伏工作电压的基本爬电距离。例如，如果基本爬电距离为 2mm/kV，且电源适用于 PD 4 环境，则要求变为 2mm×2.5 = 5mm/kV 工作电压。

此外，还必须考虑海拔的影响。随着海拔升高，空气密度降低，这会降低介电强度并增加电弧风险。IEC 60664-1 等标准对海拔超过 2000 米的电气间隙应用降额系数。例如，在 5000 米海拔处，所需的电气间隙可能比海平面高 50% 或更多。

繁多的标准

有一个古老的工程笑话：“标准很棒…… 每个人都该有一个。” 问题在于，许多组织确实有自己的标准。就电源隔离而言，存在许多标准，每个标准都有不同的要求。以下是电源绝缘和安全方面的一些常见标准：

IEC 60950-1 IT 和电信设备（现已被 IEC 62368-1 取代）

IEC 62368-1 音视频、IT 和电信设备（IEC 60950-1 的现代替代标准）

IEC 60601-1 医疗设备（包括患者 / 用户保护）

IEC 61010-1 实验室和工业设备（侧重于测试和测量设备）

IEC 60204-1 工业机械系统（通常与 IEC 61010 配合使用）

IEC 62109-1/-2 太阳能逆变器和光伏设备（用于高压太阳能设备）

各种监管和认证机构的存在进一步加剧了这一挑战，每个机构都有自己的一套要求。主要机构包括 UL（美国保险商实验室）、CE（欧盟符合性认证）、CCC（中国强制性认证）和 PSE（日本电气设备和材料安全法）。例如，CE 可能要求在特定电压水平下进行 1 秒测试，而 UL 可能要求在另一电压水平下进行 60 秒测试。这导致制造商必须应对复杂的 “需求拼凑”，以实现全球合规。

RECOM 助力

RECOM 广泛的电源产品组合可满足各种应用和市场的需求：从嵌入式和物联网系统中使用的微型转换器，到工业和自动化应用中的重型转换器。值得注意的是，最近因其用于工业和自动化电源的 RACPRO1 DIN 导轨系列 RECOM获得了 2025 年红点产品设计奖。RECOM 还服务于许多其他市场，包括医疗、电信、网络、铁路和交通。

每个 RECOM 电源都经过专门设计，以满足其预期应用的隔离、工作电压与测试电压要求。此外，RECOM 的专家可指导您应对隔离法规的复杂性。

其他资源

RECOM 的《AC/DC、DC/DC 和 EMC 知识手册》提供了实现高效 AC/DC 电源设计所需的大量见解和专业知识。

此外，RECOM 的《AC/DC 电源能效：基本要素快速指南》博客提供了生态设计法规的有用介绍。这些法规是政府或监管机构制定的一系列标准和指南，旨在确保产品在其整个生命周期内最大限度地减少对环境的影响。其主要重点是通过减少浪费、排放和资源消耗来提高能源效率和促进可持续性。