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开关电源安规认证

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开关电源安规认证

一. 安规申请

本文仅适用于信息设备用开关电源。

1.为什么要申请安规认证?

●许多国家都要求出口到其国家的特定产品应通过安全认证且印有相应的安全标记,如欧洲的CE Mark 认证,中国从2002 年5 月1 日起强制实行的3C 认证等。另外,欧洲国家的许多消费者认为仅仅只有CE Mark 是不够的(因为厂商可以自我宣称CE Mark),还必须有一个标记如TUVGS、NEMKO 等,以确认此产品已经公认的认证机构认证过。可以看出,申请安规认证是进入上述市场所必须的。另外,认证分强制型认证和非强制型认证。强制型认证有CE、3C、PSE(日本)等,非强制型认证有TUVGS、UL 等,非强制型认证没有强制的认证要求,但出于保障消费者的信心等原因而申请此认证。

2. 安规申请途径

许多国家有相应的安规机构或实验室来受理安规认证

USA UL, CSA (NRTL/C), ETL, TuV USA…

Canada CSA, UL (cUL)

Germany TuV Rheinland, TuV Product Service, VDE

Netherland Kema

Switszerland SEV

Norway Nemko

Sweden Semko

Finland Fimko

Denmark Demko

UK BSI

Japan MITI

China CCIB

Singapore PSB (Product Safety Bureau)

Australia DFT (Department of Fair Trading)

也可以通过代理机构来进行安规认证,如ETS、ITS、AUDIX 等。

3.适用的安规标准

对于通信用开关电源来说CE,适用的安规标准是LVD 指令和EMC 指令;

TUV ,适用的安规标准是IEC60950 或EN60950;

UL 和cUL,适用的安规标准是UL1950 或UL60950。

4.安规申请步骤

安规申请可分为以下三个步骤:

(1)申请前:

Ø 确认产品需要哪种认证、适用哪种安规标准;

Ø 研究相应的安规标准并通过相应的测试和评估来确保产品能够符合此标准;

Ø 联系信用、声誉佳的安规测试机构或实验室;

Ø 从安规测试机构或实验室取得申请表和报价单,商讨认证费用和其它认证事宜;

Ø 准备充足的测试样品、材料和充分的文件;

(2)申请中:

Ø 提交申请表、初期费用、测试样品、材料及文件,开始认证程序;

Ø 监测认证进程,出现较小的问题时和测试机构讨论、协商解决;

Ø 出现较大的问题后,需要修改结构或设计时,应立即修改,且相应的文件和测试样品也应立即提交。

Ø 测试通过后,安规机构首次工厂检查;

Ø 交清所余申请费用,取得测试报告和证书,检查,存档;

(3)申请后:

Ø 在产品上打上该认证标记;

Ø 安规机构每年不定期工厂检查;

Ø 当设计有改动时,不管是小改动还是大改动,均须通知安规测试机构并得到其认可,当有大改动时,安规机构会可能要求补做测试。

5.安规申请需准备的文件有:

公司与产品的说明文件及产品说明书(如果有);

简单的性能测试文件与产品规格书;

重要的元器件与材料的认证书;

元器件清单(编号、规格、供应商、UL 认证文件)

原理图、PCB 板图(插件图、焊盘图、走线图);

火牛与线圈的结构图;

外壳外观图(如果有),铭牌图(标签图);

6.安规申请需准备的材料有:

开关电源的认证申请需准备的材料有:

8-12 个完整的样品;

易损坏的元器件(如保险丝、整流二极管、开关管等)若干(可能);

浸漆的火牛二个、未浸漆的火牛二个、空白PCB 板一张、铭牌图样一张;

输入、输出端子,输入、输出线各二套;

插头和外壳(塑胶)所用绝缘材料一小块;

注:不同的认证机构所需的文件和材料会有所差异。

7.有哪些元器件需要安规证书?

对于开关电源产品,一般来说,有下列元器件需要安规证书,它们同时也是安全关键性元器件。

塑胶外壳、铭牌;

压敏电阻、放电管;

电感、变压器(包括bobbin、绝缘线、胶纸、挡墙等);

光耦、X 电容、Y 电容;

插座、线材;

硅胶、热缩管、套管、PVC 片;

风扇、继电器、开关、温度开关

注:对于具体机型和所用的场合,关键元器件的判定有所不同。

8.如何判定关键性元器件?

原则上涉及安全的元器件都是关键性元器件,从开关电源的角度来说,例如Bulk 电容、开关管等。可以从隔离、防火方面来判定,如隔离用的变压器、Y 电容、光耦等,各种应防火的塑胶件、电感等。

9.为什么关键性元器件大多需要认证证书?

一般来说,关键性元器件都是涉及安全的元器件。EN60950 里指出:在涉及安全的情况下,元器件应符合该标准的要求,或者符合有关的IEC 元器件标准安全方面的要求。元器件的评定和试验应按下列规定进行:

1 当元器件已由公认的试验机构认证,符合与有关的IEC 元器件标准相协调的某一标准时,应检查该元器件是否按其额定值正确应用和使用,该元器件还应作为设备的一个组成部分,承受本标准规定的有关试验,但不承受有关的IEC 元器件标准中规定的那部分试验。

2 当元器件未经认证,不知其是否符合上述的有关标准时,应检查该元器件是否按规定的额定值正确应用和使用。该元器件还应作为设备的一个组成部分,承受本标准规定的有关试验,而且还要按设备中实际存在的条件,承受该元器件标准规定的有关试验。注:为了检验元器件是否符合某个元器件的标准,通常单独对元器件进行有关试验。

3 当没有IEC 元器件标准,或元器件在电路中不按它们规定的额定值使用,则该元器件应按设备中实际存在的条件进行试验。从以上可以看出,如果我们使用了一个未经认证的关键性元器件,安规认证机构会对此元器

件单独进行有关试验,从而延长了我们的认证时间,增加了我们的认证费用和风险。另外有些认证机构是不接受未经认证的关键性元器件的。Bulk 电容、整流管、开关管不需要认证书的原因是因为在安规测试中会对它们进行各种测试来检验。

二.安规概述

1.安规的实施是为了避免下列可能会造成人身伤害和财产损失的危险。

电击的危险。高于60VDC 或42.4VAC 的电压或高于0.5mA 电流被认为具有电击的危险,对于危险电压或电流应进行隔离保护,通常需要两级保护,即设备在正常工作条件下和单一故障(包括随之引起的其他故障)状态下运行都不会引起电击的危险。热的危险。

操作者接触烫热的可触及部件而引起烫伤;因热的影响,绝缘的绝缘等级下降或安全元器件性能降低;可燃液体、气体被引燃等。

着火的危险。

能量危险。当电容存储着能量时,可能会有电击和着火的危险。

机械危险。尖锐的棱缘和拐角、运动的零部件、不稳定的设备、内爆的阴极射线管、高压灯的爆裂等可能会引起机械危险。

化学危险。

辐射危险。设备产生的某种形式的辐射可能会对使用人员和维修人员造成危害。

设计者不仅应考虑产品的正常工作条件,还应考虑可能的故障条件、可预见的误用的影响(如输入接反、输出短接等)。

2.一些术语的定义。

一类设备:采用基本绝缘和保护接地来进行防电击保护的设备。(外壳接地的开关电源属于此类设备)

二类设备:采用不仅仅依靠基本绝缘的其它方式(如采用双重绝缘或加强绝缘)来进行防电击保护的设备。

三类设备:不会产生电击的危险的设备。

一次电路:直接与电网电源连接的电路。

二次电路:不与一次电路直接连接,而是由位于设备内的变压器、变换器或等效的隔离装置供电或由电池供电的一种电路。

SELV 电路(Safety Extra Low Voltage circuit):作了适当的设计和保护的二次电路,使得在正常工作条件下和单一故障条件下,它的电压值均不会超过安全值。(60VDC 或42.4VAC)

限流电路:作了适当的设计和保护的电路,使得在正常条件下和单一故障条件下,从该电路流出的电流是非危险的电流。

危险电压电路:既不符合限流电路的要求也不符合SELV 电路和TNV 电路的要求的电路,其电路中存在着交流峰值超过42.4V 或直流值超过60V 的电压。

功能绝缘:设备正常工作仅需要的绝缘。功能绝缘并不起防电击的作用,但它可用来防火。

基本绝缘:对防电击提供基本保护的绝缘。

附加绝缘:除基本绝缘以外施加的独立绝缘,其防电击等级相当于基本绝缘。

双重绝缘:由基本绝缘加上附加绝缘构成的绝缘。

加强绝缘:一种单一的绝缘结构,其防电击等级相当于双重绝缘。

工作电压:当设备在正常工作时,所考虑的绝缘或元器件上所承受到的或能够承受到的最高电压。

可燃等级:可根据EN60950 的附录A 的试验来鉴定材料的可燃等级。一般来说其等级的从高往低依次为HF-1 级、HF-2 级、HB 级、HBF 级(对于泡沫材料)和V-0 级、V-1 级、V-2级、5V 级(对于非泡沫材料)

保护接地:用于安全目的的接地。

功能接地:设备或系统中用于安全目的以外的接地。

接触电流:接触一个或多个可触及件时通过人体的电流。

三.产品的安规预检

1.安规预检的目的

在设计和生产过程中,不可避免的有着不符合安规要求的标识和其它现象.

2.安规预检的项目

安规预检包括:规格书、铭牌标签、PCB 板和整机、元器件清单等。

(1)规格书:包括产品规格书、变压器规格书、电感规格书等。产品规格书主要检查涉及安规的内容,如抗电强度的描述、输入输出线与端子的描述、安全性的警告语等。变压器和电感规格书主要检查其材料、结构等。

(2)铭牌标签:铭牌标签通常应包括:

额定电压或额定电压范围。以V 为单位,电压范围用“-”隔开,多个额定电压和多种额定电压范围用“/”分开,如100-120V/200-240V,交流供电还应用“~”指明。额定频率或额定频率范围。(直流供电除外)额定电流或额定电流范围。以mA 或A 为单位,电流范围用“-”隔开。

制造商名称、商标。

制造商的型号或参考类型。

如果是2 类(Class 2)设备,应有2 类设备符号“ 回”。

如果已通过了认证,则应有认证标志。

(3)PCB 板和整机:主要检查输入、输出的标识,开关、保险丝的标识,其它安全关键元器件的标识和警告标识;输入对输出、输入对大地、输出对大地(可能)的电气间隙、爬电距离;元器件的固定等。

(4)元器件清单:主要检查关键性元器件有元安规认证书,还检查其名称、规格和其它信息有无错误。

四.安规测试

1.为什么要建立安规实验室进行安规检查、安规预测试和安规测试?

安规认证是一个很复杂、高风险的过程。如果在正式认证过程中出现了检查不合格、测试失败的情况,不仅会增加认证时间和费用,甚至有可能导致认证失败,损失大量的人力、物力、财力。进行安规检查、安规预测试可以预先检查出各种不符合安规要求的隐患,极大地降低风险,使得认证可以顺利地完成。建立安规实验室进行安规测试则可以降低费用、减少认证的测试时间(在认证机构认证时,需等待安排测试时间)、提高效率(可随时和开发工程师商讨并解决测试中的问题)。

2.对于开关电源产品来说,其安规测试的项目有:

外壳应力消除测试(仅对塑胶外壳)

输入电流测试

温升测试

抗电强度测试(整机、变压器)

放电测试(一次电路的X 电容)

接触电流测试(有一部分与漏电流测试相同)

接地电阻测试

工作电压的测量

危险电压的测试

危险能量等级测试(当输出大于2V 时,输出的持续功率大于240VA)

限流电源测试

输入电压不匹配测试(指有多个输入电压或输入电压范围)

电动机堵转测试(对风扇)

风扇故障测试

输入反向测试

球压测试

绝缘材料和元件的抗电强度测试

撞击测试

通风孔堵塞测试

标贴耐擦测试

跌落测试

稳固性测试

异常测试

潮湿处理测试

变压器过载测试

拉力测试

过载测试

短路测试

限流电路测试

注:对于不同的产品、机型,以及不同的认证机构,其测试项目有着许多差异。

3.重要的安规测试及对策

(1)温升测试;

开关电源产品主要有下列的元器件可能会通不过温升测试:

变压器、电感:可以通过重新合理的布板、改进线路、提高效率、使用温度保险丝或温度继电器、使用风扇等方法来减小其温度。另外,还可以提高绕线的等级。

开关管、整流管:增加或加大散热片、重新设计其散热方式、重新合理地布板、改进线路、提高效率、使用温度保险丝、温度继电器、使用风扇等方法来减小其温度。

外壳(如果有):使用警告语。

温度保险丝(温度继电器):温度保险丝(温度继电器)在正常工作时是不能动作的,而因为工作温度的影响,而使得温度保险丝(温度继电器)的使用有着很大的风险,例如:产品的工作温度是从0-50℃,温度保险丝的工作温度是100℃,在常温(25℃)下的温升测试测得的温度保险丝的温度则不得超过75℃,温度断电器也同理。这需要设计者优异的设计和多次的调试。

(2)输出过载测试;

对策:设计良好、可靠的过流保护电路。如果变压器或电感的温度不能通过,则可使用温度保险丝或温度继电器,还可提高其绕线的等级。

(3)输出短路测试;

对策:设计良好、可靠的输出短路保护电路。变压器和电感的对策如上。

(4)变压器短路测试;

对策:设计良好的功率限定电路。变压器和电感的对策如上。

(5)抗电强度测试;

对策:不能通过的原因比较多,可在实际中解决。

(6)接触电流测试;

对策:减小Y 电容的容量。

(7)风扇故障测试;

对策:使用温度保险丝或温度继电器,提高变压器和电感的绕线的等级等。

(8)异常测试。

对策:比较复杂,在实际中解决。

五.工厂检查

工厂审查属于安规认证的一部分,在认证测试顺利结束后,认证机构会对生产地进行首次工厂审查,首次工厂审查结束后才会颁发证书。

1.工厂审查的原因

认证机构要求对生产地进行至少每年一次周期性地跟踪审查(TUVPS 是每年一次,UL 是每季度一次),以此来保证实际生产的产品与经测试过的样品相一致。

2.工厂审查的内容

工厂审查主要包括:

(1)原材料的控制;

(2)生产的控制;

(3)生产线的安规控制(耐压测试、接地测试、漏电流);

(4)生产线员工的培训;

(5)体系文件(包括质量手册);

(6)仪器的准确性(仪器的维护和校准)。

3.工厂审查的过程

(1)来料进厂审查;

(2)货仓;

(3)零部件的生产;

(4)生产线;

(5)100%的成品出厂测试;

(6)一致性测试;

(7)抽样测试;

(8)校准。

4.工厂审查的结果

(1)通过

(2)有待整改:如果工厂的状态有待整改,工厂有一段时间进行整改报告,时间期限写在年度工厂审查报告上(最长四个星期)。如果四星期临近而仍然没有收到整改报告,认证机构会给工厂一封信提醒并延长两个星期。如果仍没有整改报告,以此工厂为生产商的证书将被取消。

(3)需要重审:如果工厂的状态是需要重审,工厂有四个星期进行整改,然后进行重审,重审后工厂有两个星期做进一步整改,如果两个星期临近而工厂仍没有达到要求,以此工厂为生产商的证书将被取消。

无论上述程序进行到哪个阶段,只要工厂的状态符合了要求,工厂审查即宣布结束而工厂获得工厂审查合格证书。

六.安规的应用

1.安规电气隔离距离值

(1)术语解释。

电气间隙:导电体间测得的最短空间距离。

爬电距离:导电体间测得的最短表面距离。

注:一般来说,爬电距离要求的数值比电气间隙要求的数值要大,布线时须同时满足这两者的要求,开槽只能增加表面距离即爬电距离而不能增加电气间隙,所以当电气间隙不够时,开槽是不能解决这个问题的。

(2)PCB 板的电气隔离距离(电气隔离距离指电气间隙和爬电距离的综合考虑)

对于一类的开关电源产品,AC—DC(输入电压为100V-240V~)在PCB 板上的最小隔离距离如下(开槽的数值实际上是电气间隙值,不开槽的数值是爬电距离值):

L 线-N 线(保险丝之前) 2.0mm(开槽)  2.5mm(不开槽)

输入-地2.0mm(开槽)  2.5mm(不开槽)

输入-输出(变压器) 4.4mm(开槽)  6.0mm(开槽至少值) 6.4 mm 以上(开槽建议值)

输入-输出(除变压器外) 4.0mm(开槽)  5.0mm(不开槽)

输入-磁心、输出-磁心2.0mm(电气间隙)

DC—DC{输入电压为(-36V)-(-76V)}的隔离距离如下:

(DC+)-(DC-)(保险丝之前) 0.7mm(开槽)  1.4mm(不开槽)

输入-地0.7mm(开槽)  1.4mm(不开槽)

输入-输出1.4mm(开槽)  2.8mm(不开槽)

输入-磁心、输出-磁心0.7mm(电气间隙)

注:以上AC-DC 和DC-DC 的隔离距离为理想值,在布线时应考虑裕量。例如,要求2.0mm,

可考虑布成2.5mm。另外,以上的数值是基于一般情况得出的,特殊情况下的数值可询问安规工程师。另外,二类的开关电源除了输入-地的隔离距离的值增加一倍外,其它隔离距离值一致。

(3)变压器内部的电气隔离距离。

认证机构认可的变压器内部的电气隔离距离值是指变压器的两边的挡墙宽度的总和,如果变压器的挡墙的宽度为3mm,那么变压器的电气隔离距离值为6mm。如果变压器没有挡墙,那么变压器的隔离距离值就等于所用胶纸的厚度。

AC—DC(输入电压为100V-240V~) 6.0mm(要求的隔离距离) 3.0mm(挡墙的最小宽度)

DC—DC{输入电压为(-36V)-(-76V)} 3.0mm(要求的隔离距离 1.5mm(挡墙的最小宽度)

注:变压器的引脚如果没有套上铁弗龙套管,那么在引脚处的隔离距离可能也仅为胶纸的厚度,所以变压器的引脚需要套上铁弗龙套管。

2.变压器绕线的温度等级

A 级材料100℃(正常工作时的最大温度) 150℃异常工作时的最大温度

E 级材料115℃正常工作时的最大温度 165℃异常工作时的最大温度

B 级材料120℃正常工作时的最大温度 175℃异常工作时的最大温度

F 级材料140℃正常工作时的最大温度 190℃异常工作时的最大温度

H 级材料175℃正常工作时的最大温度 210℃异常工作时的最大温度

如果用热电偶测量绕组的温升,上述的温度限值应该减少10℃。

3.安规抗电强度值

绝缘的抗电强度值实际是通过测量绝缘的工作电压来确定的,经过“工作电压的测量”这个测试测得的工作电压一般为:AC-DC(输入电压100V-240V~)电源的输入-输出为540Vp;DC-DC{输入电压为(-36V)-(-76V)}电源的输入-输出一般为200Vp。当然,不同的机型会有所差异。下面是一类的电源的抗电强度的数值:(AC-DC 以540Vp 来计算,DC-DC以200Vp 来计算)

AC-DC 电源的抗电强度值

输入-输出3000Vac 或4242Vdc 1800Vac 或2545Vdc

输入-大地1800Vac 或2545Vdc 1000Vac 或1414Vdc

输出-大地500Vac 或2545Vdc 1000Vac 或1414Vdc

DC-DC 电源的抗电强度值

输入-输出1800Vac 或2545Vdc

输入-大地1000Vac 或1414Vdc

输出-大地1000Vac 或1414Vdc