การแยกทางไฟฟ้าเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ปลอดภัยและแข็งแรงทนทาน ช่วยให้วงจรสามารถแลกเปลี่ยนสัญญาณหรือพลังงานได้โดยไม่ทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไหลผ่านระหว่างกัน มันสร้างกำแพงความปลอดภัยระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตรายกับผู้ใช้งาน และแยกส่วนกราวด์เพื่อลดการรบกวนและวงจรลูปกราวด์

บทความนี้อ้างอิงจาก วิดีโอสัมมนาออนไลน์ของ Würth Elektronikเรื่อง “การควบคุมการแยกทางไฟฟ้าอย่างเชี่ยวชาญ: การรับรองความปลอดภัยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังด้วยผลิตภัณฑ์ของ Würth Elektronik” ซึ่งอธิบายถึงมาตรฐานพื้นฐาน กำหนดตัวชี้วัดการแยกทางไฟฟ้าที่สำคัญ และเปรียบเทียบเทคโนโลยีการแยกทางไฟฟ้าหลักๆ เช่น ออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกทาง ไฟฟ้าแบบดิจิทัล หม้อแปลง โมดูลกำลัง และตัวเก็บประจุ

วัตถุประสงค์คือเพื่อให้วิศวกรออกแบบมีกรอบการตัดสินใจที่ใช้งานได้จริง: เมื่อใดที่ฉนวนประเภทใดเหมาะสม มาตรฐานใดที่ใช้บังคับ วิธีการจัดการระยะห่างและการคืบคลาน และวิธีการรวมส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IEC 62368-1

ประเด็นสำคัญ

• การแยกทางไฟฟ้าด้วยฉนวน (Galvanic Isolation) แยกวงจรเพื่อป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์และป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย
• แรงจูงใจหลัก ได้แก่ ความปลอดภัยของผู้ใช้ การแยกวงจรลูปกราวด์ และการส่งข้อมูลที่ปราศจากสัญญาณรบกวน
• การใช้งานที่ได้รับความนิยม ได้แก่ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ระบบจ่ายไฟ และระบบวัดมิเตอร์อัจฉริยะ
• ฉนวนกันไฟฟ้ามีหลายประเภท ได้แก่ แบบใช้งานได้ทั่วไป แบบพื้นฐาน แบบสองชั้น และแบบเสริมแรง ซึ่งแต่ละประเภทมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยเฉพาะของตนเอง
• การบูรณาการเข้ากับมาตรฐาน IEC 62368-1 จำเป็นต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับส่วนประกอบฉนวนและมาตรฐานที่เกี่ยวข้องสำหรับการรับรองอุปกรณ์

ประเด็นสำคัญ

• การแยกทางไฟฟ้าด้วยกระแสไฟฟ้า (Galvanic isolation) คือการแยกวงจรไฟฟ้าออกจากกัน เพื่อไม่ให้กระแสไฟฟ้าโดยตรงหรือกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไหลผ่านระหว่างวงจรเหล่านั้น ในขณะที่ยังคงสามารถแลกเปลี่ยนสัญญาณหรือพลังงานได้
• แรงจูงใจหลักๆ ได้แก่ การปกป้องผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย การแยกวงจรลูปกราวด์ การลดการรบกวนแบบคอมมอนโหมด และการส่งข้อมูลที่ปราศจากการรบกวน
• กลุ่มแอปพลิเคชันหลัก ได้แก่ อินเทอร์เฟซระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม (CAN, SPI, RS-232, RS-485), แหล่งจ่ายไฟและตัวแปลง (UPS, อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์, ระบบไฟส่องสว่าง) และระบบวัดมิเตอร์อัจฉริยะ/สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า
• มาตรฐานต่างๆ แบ่งออกเป็นเอกสารด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน (เช่น IEC 60664-1) มาตรฐานส่วนประกอบ (ออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล หม้อแปลง ตัวเก็บประจุ) และมาตรฐานอุปกรณ์ เช่น IEC 62368-1
• ประเภทของฉนวนประกอบด้วย แบบใช้งานได้ (ไม่มีระบบป้องกันไฟฟ้าช็อต), แบบพื้นฐาน (มีชั้นกั้นเดียว), แบบสองชั้น (แบบพื้นฐานบวกกับชั้นกั้นอิสระอีกชั้นหนึ่ง) และแบบเสริมแรง (มีชั้นกั้นแข็งแรงชั้นเดียวเทียบเท่ากับแบบสองชั้นในด้านการป้องกัน)
• ตัวชี้วัดทางเรขาคณิตที่สำคัญ ได้แก่ ระยะห่าง (เส้นทางอากาศที่สั้นที่สุด), การคืบคลาน (เส้นทางพื้นผิวที่สั้นที่สุด) และระยะทางผ่านฉนวน (ความหนาของไดอิเล็กทริก) ซึ่งทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและสภาวะมลภาวะ
• วิธีการแยกสัญญาณที่ใช้งานได้จริง: ทางแสง (ออปโตคัปเปลอร์), ทางความจุ (ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลและตัวเก็บประจุ) และทางเหนี่ยวนำ (หม้อแปลงและโมดูลกำลังไฟฟ้าแบบแยกสัญญาณ)
• ออปโตคัปเปลอร์เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่มีช่องสัญญาณน้อยและอัตราการส่งข้อมูลต่ำ เช่น การป้อนกลับในตัวแปลงสัญญาณแบบแยกส่วน ในขณะที่ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลมุ่งเป้าไปที่อินเทอร์เฟซความเร็วสูงหลายช่องสัญญาณที่มีพื้นที่จำกัด
• โมดูลจ่ายไฟแบบแยกส่วนที่ใช้ในที่นี้ มีการแยกส่วนการทำงานและไม่เหมาะสมสำหรับการใช้เป็นฉนวนความปลอดภัยเพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าอันตราย
• มาตรฐาน IEC 60747‑17 ถูกนำมาใช้กับอุปกรณ์แยกสัญญาณดิจิทัลของ Würth Elektronik เนื่องจากให้การทดสอบการแยกสัญญาณขั้นพื้นฐานและเสริมความเข้มงวดสูงสุด รวมถึงการรับประกันการแยกสัญญาณเสริมความเข้มงวดในระยะยาว (30 ปี)

ภูมิหลังและแรงจูงใจ

นิยามที่ใช้ในการทำงานอธิบายว่า การแยกทางไฟฟ้าด้วยไฟฟ้า (galvanic isolation) คือการแยกวงจรไฟฟ้าออกจากกัน เพื่อไม่ให้กระแสไฟฟ้าโดยตรงหรือกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไหลผ่านระหว่างวงจรเหล่านั้น ในขณะที่ยังคงมีการแลกเปลี่ยนสัญญาณหรือพลังงานได้ การแยกนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในกรณีที่มีแรงดันไฟฟ้าอันตราย หรือในกรณีที่ต้องป้องกันไม่ให้ศักย์ไฟฟ้ากราวด์ที่แตกต่างกันและการรบกวนที่รุนแรงแพร่กระจายผ่านระบบ

แรงจูงใจหลัก:

• อุปกรณ์กั้นเพื่อความปลอดภัยระหว่างแรงดันไฟฟ้าอันตรายกับผู้ใช้งาน
• การแยกวงจรลูปกราวด์ระหว่างวงจรที่กระจายตัวอยู่ในพื้นที่ต่างกัน
• ลดการรบกวนแบบ common-mode ให้เหลือน้อยที่สุด
• การส่งข้อมูลข้ามโดเมนโดยปราศจากการรบกวน

แผนภาพบล็อกแบบง่ายแสดงให้เห็นอุปกรณ์สองชิ้นที่เชื่อมต่อกันผ่านตัวแยกสัญญาณ: ข้อมูลจะผ่านตัวกั้นสัญญาณ ในขณะที่สัญญาณรบกวนและกระแสปรับสมดุลที่อาจเกิดขึ้นจะถูกบล็อก แนวคิดนามธรรมนี้สามารถนำไปใช้กับระบบจริงได้หลายระบบ ตั้งแต่ฟิลด์บัสในอุตสาหกรรมไปจนถึงวงจรป้อนกลับของตัวแปลงพลังงาน

โดเมนแอปพลิเคชัน

มีการเน้นกลุ่มการใช้งานหลักสามกลุ่ม ได้แก่:

• ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม:อินเทอร์เฟซต่างๆ เช่น CAN, SPI, RS‑232 และ RS‑485 ซึ่งโหนดเซ็นเซอร์ แอคชูเอเตอร์ และตัวควบคุมมักทำงานที่ศักย์ไฟฟ้าต่างกัน
• แหล่งจ่ายไฟและตัวแปลงไฟ:ระบบ UPS, แหล่งจ่ายไฟสำหรับโทรคมนาคม, อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ และแหล่งจ่ายไฟสำหรับแสงสว่าง ซึ่งต้องปกป้องผู้ใช้และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแรงดันต่ำจากไฟหลักและแรงดันสูง
• ระบบมิเตอร์อัจฉริยะและเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า:ระบบที่ผสานรวมการวัด การสื่อสาร และขั้นตอนการจ่ายพลังงาน โดยมีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและ EMC ที่เข้มงวด

ในแต่ละโดเมน โซลูชันการแยกส่วนจะต้องตอบสนองความต้องการด้านความปลอดภัยทางไฟฟ้า ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และเป้าหมายด้าน EMC ระดับระบบไปพร้อมกัน

ภูมิทัศน์มาตรฐาน

การสัมมนาออนไลน์นี้จะแบ่งโครงสร้างมาตรฐานออกเป็นสามระดับ ได้แก่ เอกสารด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน มาตรฐานส่วนประกอบ และมาตรฐานอุปกรณ์

• เอกสารด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน – ตัวอย่างเช่น IEC 60664‑1 – รวบรวมหลักการและแนวทางด้านความปลอดภัยทั่วไปไว้ในขอบเขตการใช้งานที่กว้างขวาง โดยกำหนดพารามิเตอร์หลัก เช่น ระยะห่างที่จำเป็นและระยะคืบคลานสำหรับแรงดันไฟฟ้าใช้งานและระดับมลพิษที่กำหนด
• มาตรฐานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์นั้นมีความเฉพาะเจาะจงสำหรับชิ้นส่วนแต่ละประเภท เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลง ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล และออปโตคัปเปลอร์ แต่ละประเภทจะมีเอกสารเฉพาะของตนเอง ซึ่งระบุถึงแรงดันไฟฟ้าทดสอบความเป็นฉนวน การจำแนกประเภทของระบบฉนวน และข้อจำกัดทางกล
• มาตรฐานอุปกรณ์เช่น IEC 62368‑1 ครอบคลุมอุปกรณ์ที่สมบูรณ์หรือชุดประกอบย่อยที่ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง อุปกรณ์จะต้องได้รับการประเมินและรับรองในระดับนี้ในที่สุด

มาตรฐาน IEC 60664‑1 เป็นพื้นฐานที่อ้างอิงโดยทั้งมาตรฐานส่วนประกอบและอุปกรณ์ โดยมาตรฐานนี้ประสานการตีความแนวคิดต่างๆ เช่น ระยะห่าง (clearance), ระยะคืบคลาน (creepage) และระยะทางผ่านฉนวน (distance through insulation) และกำหนดข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าฉนวนขั้นพื้นฐาน

ประเภทของการแยกตัว

เพื่อลดความซับซ้อนของคำศัพท์มาตรฐานที่ใช้ในงานออกแบบ จึงแบ่งประเภทของฉนวนออกเป็น 4 ประเภทหลัก

• การแยกส่วนการทำงาน:ช่วยให้มั่นใจได้ว่าวงจรทำงานได้อย่างถูกต้อง แต่ไม่ให้การป้องกันไฟฟ้าช็อต ผู้ใช้ต้องไม่สามารถสัมผัสจุดแยกส่วนการทำงานได้เด็ดขาด
• การแยกส่วนพื้นฐาน:ประกอบด้วยฉนวนเพียงชั้นเดียวที่เพียงพอต่อการป้องกันไฟฟ้าช็อตภายใต้การทำงานปกติ
• การแยกสองชั้น:ผสมผสานการแยกพื้นฐานเข้ากับชั้นฉนวนเพิ่มเติมที่เป็นอิสระ เพื่อให้ความผิดพลาดเพียงจุดเดียวไม่ทำให้การป้องกันหายไป
• ฉนวนเสริมความแข็งแรง:ออกแบบเป็นระบบฉนวนที่แข็งแรงทนทาน เทียบเท่าระบบฉนวนสองชั้นในด้านประสิทธิภาพการป้องกัน เช่น บล็อกพลาสติกขนาดใหญ่ที่หุ้มรอบขาปลั๊กไฟ

เหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้การแยกส่วนพื้นฐานมักไม่เพียงพอคือ การวิเคราะห์ความเสียหายเพียงจุดเดียว: รอยแตกหรือความบกพร่องในชั้นกั้นพื้นฐานเพียงชั้นเดียวอาจทำให้การป้องกันหายไป ส่งผลให้จำเป็นต้องใช้การแยกส่วนแบบสองชั้นหรือเสริมแรงสำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยหลายประเภท

ระยะห่าง การคืบคลาน และระยะทางผ่านฉนวน

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตสามประการเป็นตัวกำหนดการสร้างฉนวนในเชิงกายภาพ:

• ระยะห่าง (Clearance)คือระยะทางที่สั้นที่สุดในอากาศระหว่างชิ้นส่วนนำไฟฟ้าสองชิ้น เช่น ลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ระยะห่างนี้เป็นตัวกำหนดว่าสามารถทนต่อความต่างศักย์ได้มากแค่ไหนก่อนที่อากาศจะแตกตัวและเกิดการปล่อยประจุวาบไฟขึ้น
• การคืบคลาน (Creepage)คือระยะทางที่สั้นที่สุดตามพื้นผิวของวัสดุฉนวนระหว่างชิ้นส่วนนำไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากหลายสาเหตุ เช่น การเสื่อมสภาพของพื้นผิว การปนเปื้อน ความชื้น และร่องรอยการลัดวงจร
• ระยะห่างผ่านฉนวนคือความหนาขั้นต่ำของวัสดุฉนวนระหว่างชิ้นส่วนนำไฟฟ้า ซึ่งมักจะเป็นความหนาของฉนวนภายในไอซีหรือหม้อแปลงไฟฟ้า

การเว้นระยะห่างไม่เพียงพออาจทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอากาศและเกิดเส้นทางนำไฟฟ้าข้ามช่องว่าง ในขณะที่การเว้นระยะห่างไม่เพียงพออาจทำให้เกิดร่องรอยบนพื้นผิว โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษหรือชื้น

การเปรียบเทียบวิธีการแยกเชื้อ

การแยกทางไฟฟ้าด้วยกระแสไฟฟ้าสามารถทำได้โดยใช้แสง ตัวเก็บประจุ หรือตัวเหนี่ยวนำ แต่ละวิธีมีลักษณะเฉพาะ ข้อดีข้อเสีย และมาตรฐานที่ใช้ได้แตกต่างกัน

ตารางเปรียบเทียบ: เทคโนโลยีการแยกส่วน

ออปโตคัปเปลอร์

ออปโตคัปเปลอร์ประกอบด้วย LED ภายในที่ด้านอินพุตและโฟโตดีเทคเตอร์ที่ด้านเอาต์พุต โดยมีช่องว่างทางแสงคั่นอยู่ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวน เมื่อ LED ได้รับพลังงาน มันจะปล่อยแสงอินฟราเรดออกมา ซึ่งโฟโตดีเทคเตอร์จะแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ด้านที่แยกออกจากกัน

ตัวอย่างการใช้งานที่สำคัญคือการควบคุมแรงดันเอาต์พุตอย่างแม่นยำในตัวแปลงแบบแยกส่วน แรงดันเอาต์พุตแบบอนาล็อกทางด้านรองจะถูกสุ่มตัวอย่างโดยตัวแบ่งแรงดันและตัวขยายสัญญาณผิดพลาด จากนั้นส่งผ่านตัวกั้นโดยใช้ตัวเชื่อมต่อแบบออปโตไปยังตัวควบคุมด้านหลักเพื่อควบคุมการปรับความกว้างพัลส์

ด้วยการออกแบบของมัน ออปโตคัปเปลอร์จึงสามารถ:

• จัดให้มีอุปกรณ์กั้นเพื่อความปลอดภัยระหว่างแรงดันไฟฟ้าอันตรายกับผู้ใช้งาน
• แยกวงจรลูปกราวด์ระหว่างวงจรเชิงพื้นที่แต่ละวงออกจากกัน
• ลดการรบกวนแบบคอมมอนโหมดและรองรับการส่งข้อมูลที่ปราศจากการรบกวน

นอกจากนี้ยังรองรับการส่งสัญญาณแบบอนาล็อกด้วย ดังแสดงในตัวอย่างการป้อนกลับ

ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล

ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลใช้แผงกั้นแยกสัญญาณแบบคาปาซิทีฟที่ผลิตด้วยกระบวนการ CMOS ตัวปรับสัญญาณจะแปลงสัญญาณอินพุตให้เป็นคลื่นพาหะความถี่สูงที่ผ่านตัวเก็บประจุ ตัวรับสัญญาณอีกด้านหนึ่งจะถอดรหัสสัญญาณนั้นกลับเป็นสัญญาณลอจิกที่เอาต์พุต A และ B

ตัวอย่างการใช้งานทั่วไปคือการแยกส่วนต่อประสาน SPI ระหว่าง ADC ที่อยู่ ณ จุดวัดแรงดันสูงและไมโครคอนโทรลเลอร์แรงดันต่ำ ตัวแยกสัญญาณจะอยู่ระหว่าง ADC และ MCU ทำหน้าที่เป็นกำแพงสัญญาณในขณะที่ยังคงอนุญาตให้มีการสื่อสารแบบซิงโครนัสที่รวดเร็ว

เช่นเดียวกับออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลสามารถให้คุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• อุปกรณ์กั้นเพื่อความปลอดภัยระหว่างแรงดันไฟฟ้าอันตรายกับผู้ใช้งาน
• การแยกวงจรสายดิน
• ลดการรบกวนแบบ common-mode ให้เหลือน้อยที่สุด และส่งข้อมูลโดยปราศจากการรบกวน

อุปกรณ์แยกสัญญาณดิจิทัลของ Würth Elektronik ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IEC 60747‑17 ซึ่งทางผู้ผลิตระบุว่าเป็นมาตรฐานการทดสอบที่เข้มงวดที่สุดสำหรับการแยกสัญญาณพื้นฐานและการแยกสัญญาณเสริมแรง มาตรฐานนี้กำหนดให้มีการทดสอบแบบทำลายและสุ่มตัวอย่างอย่างต่อเนื่องจากกระบวนการผลิตเพื่อทดสอบซ้ำจนกว่าจะเกิดความเสียหาย และมีความโดดเด่นตรงที่รับประกันประสิทธิภาพการแยกสัญญาณเสริมแรงเป็นเวลา 30 ปี ซึ่งเป็นการรับประกันที่โดยทั่วไปไม่ได้ระบุไว้ในมาตรฐานอื่นๆ

ควรเลือกใช้ออปโตคัปเปลอร์หรือดิจิทัลไอโซเลเตอร์เมื่อใด

หลักเกณฑ์ง่ายๆ ในการเลือก:

⬢ ควรเลือกใช้ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลในกรณีต่อไปนี้:

     ⬢ พื้นที่ในบอร์ดมีจำกัด

     ⬢ จำเป็นต้องมีจำนวนช่องสัญญาณสูง

     ⬢ จำเป็นต้องใช้ความเร็วในการรับส่งข้อมูลสูง (เช่น หลายสิบถึงหลายร้อยเมกะบิตต่อวินาที) youtube+1

⬢ ควรเลือกใช้ออปโตคัปเปลอร์ในกรณีต่อไปนี้:

     ⬢ พื้นที่ไม่ใช่ปัญหาสำคัญ

     ⬢ อัตราการรับส่งข้อมูลต่ำ

     ⬢ จำเป็นต้องมีเพียงหนึ่งหรือสองช่องเท่านั้น youtube+1

มีพื้นที่ทับซ้อนกันซึ่งเทคโนโลยีทั้งสองอาจใช้งานได้ ในกรณีเหล่านั้น ต้องพิจารณาข้อกำหนดของระบบทั้งหมดอย่างรอบด้าน รวมถึง EMC, การส่งสัญญาณแบบอนาล็อกหรือดิจิทัล, อายุการใช้งาน และต้นทุน

โมดูลพลังงานแบบแยกส่วน

โมดูลจ่ายไฟแบบแยกส่วนเป็นตัวแปลง DC/DC ที่รวมทุกอย่างไว้ในตัว ซึ่งถ่ายโอนพลังงานข้ามกำแพงไฟฟ้าโดยใช้หม้อแปลงความถี่สูง ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิมีการเชื่อมต่อทางแม่เหล็ก แต่แยกจากกันทางไฟฟ้า

ตัวอย่างทั่วไปคืออินเทอร์เฟซ RS-485 แบบแยกส่วน: ออปโตคัปเปลอร์อาจแยกเส้นทางข้อมูล ในขณะที่โมดูลจ่ายไฟแบบแยกส่วนจะให้แหล่งจ่ายไฟแบบแยกส่วนสำหรับตัวรับส่งสัญญาณ ดังนั้นทั้งพลังงานและสัญญาณจึงถูกแยกออกจากโดเมนของไมโครคอนโทรลเลอร์ทางไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม โมดูลจ่ายไฟของ Würth Elektronik ที่กล่าวถึงนั้น มีการแยกการทำงานเพียงบางส่วนเท่านั้น จึงไม่เหมาะสมสำหรับการให้ความปลอดภัยทางไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย โมดูลเหล่านี้สามารถแยกวงจรลูปกราวด์และลดการรบกวนแบบคอมมอนโหมดได้ แต่ไม่ควรนำมาใช้เป็นฉนวนพื้นฐานหรือฉนวนเสริมเพื่อป้องกันไฟเมน

ทรานส์ฟอร์เมอร์ส

หม้อแปลงไฟฟ้าให้การแยกทางไฟฟ้าโดยการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าระหว่างวงจรผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก โดยที่ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิถูกแยกออกจากกันทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์โดยระบบแยกทางไฟฟ้า ในตัวอย่างของตัวแปลงกระแสไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าไม่เพียงแต่ถ่ายโอนพลังงานเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดการแยกพลังงานระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิอีกด้วย

หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถออกแบบและรับรองเพื่อให้ใช้งานได้ดังนี้:

• แผงกั้นเพื่อความปลอดภัยระหว่างแรงดันไฟฟ้าอันตรายกับผู้ใช้งาน
• การแยกวงจรลูปกราวด์
• ลดการรบกวนแบบโหมดร่วมให้น้อยที่สุด
• รองรับการส่งข้อมูลที่ปราศจากสัญญาณรบกวน เมื่อใช้งานร่วมกับวงจรที่เหมาะสม

ในมาตรฐาน IEC 62368‑1 หม้อแปลงไฟฟ้าจะมีข้อมูลที่ระบุอย่างชัดเจนเกี่ยวกับประเภทของฉนวน (พื้นฐาน เสริม หรือสองชั้น) ผู้ออกแบบสามารถใช้ข้อกำหนด 5.4 ของ IEC 62368‑1 ซึ่งครอบคลุมวัสดุฉนวนและข้อกำหนดต่างๆ เพื่อบูรณาการข้อมูลฉนวนของหม้อแปลงไฟฟ้าเข้ากับการประเมินอุปกรณ์โดยรวมได้

ตัวเก็บประจุและความจุการเย็บ

ตัวเก็บประจุช่วยให้เกิดการแยกทางไฟฟ้าโดยการยอมให้สัญญาณกระแสสลับหรือสัญญาณชั่วคราวผ่านไปได้ ในขณะที่บล็อกกระแสตรง ด้วยแผ่นตัวนำสองแผ่นที่คั่นด้วยฉนวน ในบริบทของการแยกทางไฟฟ้าตัวเก็บประจุเพื่อความปลอดภัย แบบ X และ Y จะถูกใช้ในด้านปฐมภูมิของแหล่งจ่ายไฟ—ระหว่างสายไฟและสายกลาง และระหว่างสายไฟหรือสายกลางและสายดินป้องกัน—เพื่อกรองสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)

ในแง่ของความปลอดภัย ตัวเก็บประจุแบบ Y สามารถเชื่อมต่อฉนวนกั้นระหว่างสายไฟและสายดินได้ และมาตรฐานต่างๆ เช่น IEC 62368-1 กำหนดกรณีที่ต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบ Y อย่างน้อยสองตัวต่ออนุกรมกันเพื่อให้ได้ฉนวนกั้นที่แข็งแรงขึ้น ตัวเก็บประจุยังมีบทบาทในฐานะส่วนประกอบที่รวมอยู่ในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้วย โดยตัวเก็บประจุแบบต่อเชื่อมจะทำได้โดยการซ้อนทับชั้นของแผงวงจรพิมพ์ที่จัดเรียงเป็นแผ่นตัวเก็บประจุ

แตกต่างจากหม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเก็บประจุเองมักไม่มีป้ายกำกับ "ประเภทการแยก" ที่ชัดเจน เช่น แบบพื้นฐานหรือแบบเสริมแรง แต่มาตรฐาน IEC 62368‑1 มีภาคผนวก (เรียกว่าภาคผนวก G ในการสัมมนาออนไลน์) ที่อธิบายวิธีการประเมินและบูรณาการส่วนประกอบดังกล่าวเข้ากับการประเมินการแยกในระดับอุปกรณ์ youtube+1

การบูรณาการเข้ากับอุปกรณ์ตามมาตรฐาน IEC 62368‑1

งานออกแบบที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการบูรณาการส่วนประกอบแยกส่วนต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุ หม้อแปลง ออปโตคัปเปลอร์ และตัวแยกสัญญาณดิจิทัล เข้าไว้ในอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IEC 62368‑1

ประเด็นสำคัญ:

• ตัวเก็บประจุและออปโตคัปเปลอร์สามารถพิจารณาได้ในลักษณะเดียวกัน: เนื่องจากมาตรฐานของพวกมันอาจไม่ได้ระบุอย่างชัดเจนถึงการแยก "การทำงาน/พื้นฐาน/เสริมแรง" ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องใช้ภาคผนวก IEC 62368‑1 เกี่ยวกับส่วนประกอบ (เรียกว่าภาคผนวก G) ร่วมกับข้อมูลระยะห่าง การคืบคลาน และแรงดันไฟฟ้าทดสอบ เพื่อกำหนดประเภทการแยกในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
• โดยทั่วไป หม้อแปลงไฟฟ้ามักมีข้อมูลที่ระบุประเภทฉนวนไว้อย่างชัดเจน นักออกแบบสามารถเชื่อมโยงข้อมูลหม้อแปลงไฟฟ้ากับข้อกำหนด IEC 62368‑1 ได้โดยตรงผ่านข้อกำหนดเกี่ยวกับวัสดุฉนวนและการทดสอบความแข็งแรงทางไฟฟ้า
• อุปกรณ์แยกสัญญาณดิจิทัลที่ใช้งานในรูปแบบอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถบูรณาการได้โดยใช้ข้อกำหนด IEC 62368‑1 ที่เกี่ยวข้องกับฉนวนแข็งในเซมิคอนดักเตอร์และการทดสอบความแข็งแรงทางไฟฟ้า ควบคู่ไปกับมาตรฐานของอุปกรณ์แยกสัญญาณเอง (IEC 60747‑17) สำหรับ CMTI และความแข็งแรงทางไฟฟ้า

สไลด์การบูรณาการที่นำเสนอแสดงให้เห็นว่า สำหรับส่วนประกอบ ISO ทุกตระกูลของ Würth Elektronik มีเส้นทางที่ชัดเจนในการนำคุณลักษณะการแยกส่วนประกอบมาใช้ในการประเมินแบบรวมตามมาตรฐาน IEC 62368‑1 ของแอปพลิเคชันทั้งหมด

ตารางเปรียบเทียบที่แนะนำ: ประเภทการแยกส่วนเทียบกับกรณีการใช้งาน

ขั้นตอนการตัดสินใจที่แนะนำสำหรับการเลือกใช้เครื่องแยกเชื้อ

1. จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้าอันตรายหรือไม่?

    ⬢ ถ้าไม่ใช้วิธีดังกล่าว การแยกการทำงาน (เช่น โมดูลพลังงานบางส่วน ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ) อาจเพียงพอแล้ว

2. จำเป็นต้องใช้ความเร็วในการรับส่งข้อมูลสูงและ/หรือจำนวนช่องสัญญาณสูงหรือไม่?

    ⬢ ถ้าใช่: ลองพิจารณาใช้ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลดู

3. จำเป็นต้องใช้การส่งสัญญาณแบบอนาล็อกหรือการป้อนกลับแบบ SMPS แบบดั้งเดิมหรือไม่?

    ⬢ ถ้าใช่: แนะนำให้ใช้ตัวเชื่อมต่อแบบออปโตคัปเปลอร์

    ⬢ ถ้าไม่ใช้ตัวแปลงสัญญาณ: อาจใช้ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลและหม้อแปลงไฟฟ้าร่วมกันได้

บทสรุป

บทความนี้ได้อธิบายถึงบทบาทของการแยกทางไฟฟ้าในการปกป้องผู้ใช้และระบบจากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย ลดการรบกวน และช่วยให้การส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยได้เชื่อมโยงขอบเขตการใช้งานจริงเข้ากับมาตรฐาน IEC พื้นฐานและตัวชี้วัดทางกายภาพที่สำคัญ ได้แก่ ระยะห่าง การคืบคลาน และระยะทางผ่านฉนวน

ปัจจุบันวิศวกรสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างการแยกแบบฟังก์ชัน การแยกแบบพื้นฐาน การแยกแบบสองชั้น และการแยกแบบเสริมแรงได้แล้ว รวมถึงสามารถเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม เช่น ออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกแบบดิจิทัล หม้อแปลง โมดูลกำลัง และตัวเก็บประจุ และเข้าใจวิธีการรวมส่วนประกอบเหล่านี้เข้ากับอุปกรณ์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IEC 62368‑1 ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป ได้แก่ การป้อนกลับแบบแยกส่วนในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด อินเทอร์เฟซฟิลด์บัสอุตสาหกรรมแบบแยกส่วน และการแยกส่วนปฐมภูมิ-ทุติยภูมิอย่างปลอดภัยในโครงสร้างพื้นฐานการวัดและการชาร์จอัจฉริยะ

การแยกทางไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง – คำถามที่พบบ่อย

การแยกทางไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคืออะไร?

➲ การแยกทางไฟฟ้าแบบกัลวานิก คือการแยกวงจรไฟฟ้าออกจากกัน เพื่อไม่ให้กระแสไฟฟ้าโดยตรงหรือกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไหลผ่านระหว่างกัน ในขณะที่สัญญาณหรือพลังงานยังคงสามารถแลกเปลี่ยนกันได้ผ่านฉนวนกั้น การแยกทางไฟฟ้าแบบนี้ช่วยปกป้องผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย และป้องกันวงจรลูปกราวด์และการรบกวนแบบคอมมอนโหมดในระบบไฟฟ้าและระบบควบคุมที่ซับซ้อน

เหตุใดการแยกทางไฟฟ้าจึงมีความสำคัญต่อความปลอดภัย?

➲ การแยกทางไฟฟ้าด้วยกระแสไฟฟ้า (Galvanic isolation) คือการสร้างฉนวนกั้นระหว่างวงจรไฟฟ้าที่เป็นอันตรายและวงจรไฟฟ้าที่สัมผัสได้ ช่วยป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าช็อตและไฟไหม้ทั้งในสภาวะการทำงานปกติและสภาวะเกิดความผิดพลาดเพียงครั้งเดียว ในมาตรฐานต่างๆ เช่น IEC 62368-1 จะมีการใช้ระดับการแยกทางไฟฟ้าแบบพื้นฐาน แบบสองชั้น และแบบเสริมแรง เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ยังคงปลอดภัยแม้ว่าชั้นฉนวนชั้นใดชั้นหนึ่งจะเสียหายก็ตาม

ฉนวนกันเสียงมีกี่ประเภทหลัก ๆ (แบบใช้งานได้ทั่วไป, แบบพื้นฐาน, แบบสองชั้น, แบบเสริมแรง)?

➲ การแยกวงจรตามหน้าที่ช่วยให้วงจรทำงานได้อย่างถูกต้อง แต่ไม่ได้มีจุดประสงค์เพื่อป้องกันผู้ใช้จากไฟฟ้าช็อต การแยกวงจรพื้นฐานคือฉนวนชั้นเดียวที่ให้การป้องกันไฟฟ้าช็อตในการทำงานปกติ การแยกวงจรสองชั้นเป็นการรวมฉนวนพื้นฐานเข้ากับชั้นที่สองที่เป็นอิสระเพื่อให้ปลอดภัยภายใต้ความผิดพลาดเพียงจุดเดียว การแยกวงจรเสริมแรงคือระบบฉนวนที่แข็งแรงทนทานเพียงชั้นเดียวซึ่งให้การป้องกันเทียบเท่ากับการแยกวงจรสองชั้น มักใช้ที่จุดเชื่อมต่อกับไฟหลักและในอุปกรณ์ที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงได้

มาตรฐานใดมีความเกี่ยวข้องมากที่สุดกับการออกแบบฉนวนไฟฟ้า?

➲ มาตรฐาน IEC 60664-1 กำหนดแนวคิดด้านความปลอดภัยพื้นฐาน เช่น ระยะห่าง การคืบคลาน และระยะห่างผ่านฉนวน สำหรับแรงดันไฟฟ้าและระดับมลพิษที่กำหนด มาตรฐานระดับส่วนประกอบครอบคลุมถึงออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล หม้อแปลง และตัวเก็บประจุ ในขณะที่ IEC 62368-1 ควบคุมอุปกรณ์และเครื่องมือที่สมบูรณ์ ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลจาก Würth Elektronik เป็นต้น ได้รับการทดสอบตามมาตรฐาน IEC 60747-17 ซึ่งระบุข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการแยกสัญญาณพื้นฐานและเสริมความแข็งแรงตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนาน

ออปโตคัปเปลอร์และดิจิทัลไอโซเลเตอร์แตกต่างกันอย่างไร?

➲ ออปโตคัปเปลอร์ใช้ LED ภายในและโฟโตดีเทคเตอร์ที่คั่นด้วยช่องว่างทางแสง และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการป้อนกลับแบบอนาล็อกและการใช้งานที่มีอัตราข้อมูลต่ำและจำนวนช่องสัญญาณน้อย เช่น การป้อนกลับ SMPS แบบแยกส่วน ส่วนดิจิทัลไอโซเลเตอร์ใช้การมอดูเลตความถี่สูงผ่านตัวกั้นแบบคาปาซิทีฟ และได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับอัตราข้อมูลสูง หลายช่องสัญญาณ และรูปแบบที่กะทัดรัด ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแยก SPI, ADC และอินเทอร์เฟซดิจิทัลความเร็วสูงอื่นๆ

สามารถใช้โมดูลจ่ายไฟแบบแยกส่วนเป็นเกราะป้องกันความปลอดภัยได้หรือไม่?

➲ โมดูลจ่ายไฟแบบแยกส่วนที่กล่าวถึงในบทความนี้ คือตัวแปลง DC/DC ที่แยกการทำงานออกจากกัน ซึ่งแยกโดเมนกราวด์และลดการรบกวน แต่ไม่ได้จัดอยู่ในประเภทการแยกพื้นฐานหรือการแยกเสริมเพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าอันตราย สามารถใช้สร้างรางจ่ายไฟแบบแยกส่วนได้ เช่น ในอินเทอร์เฟซ RS-485 แต่ไม่ควรพึ่งพาเป็นระบบป้องกันความปลอดภัยทางไฟฟ้าหลัก

ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้ากับวัสดุ (clearance), การคืบคลานของอิเล็กตรอน (creeping) และระยะห่างผ่านฉนวน (distance through insulation) มีผลต่อการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างไร?

➲ ระยะห่าง (Clearance) คือระยะทางที่สั้นที่สุดในอากาศระหว่างชิ้นส่วนนำไฟฟ้า และเป็นตัวกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่อากาศสามารถทำให้เกิดการแตกตัวและเกิดการวาบไฟได้ ระยะคืบ (Creepage) คือเส้นทางที่สั้นที่สุดตามพื้นผิวของวัสดุฉนวน และต้องคำนึงถึงสิ่งปนเปื้อน ความชื้น และการเกิดรอยร้าว ระยะห่างผ่านฉนวน (Distance through isolation) คือความหนาขั้นต่ำของฉนวนแข็งระหว่างตัวนำ ทั้งสามค่านี้ต้องกำหนดขนาดตามพิกัดแรงดันไฟฟ้า ระดับมลภาวะ และชนิดของฉนวนที่ใช้ได้ ซึ่งกำหนดไว้ในมาตรฐานความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง

วิธีการเลือกและใช้งานการแยกทางไฟฟ้าในงานออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

ขั้นตอนที่ 1 – กำหนดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและการแยกส่วน

➠ พิจารณาว่าการออกแบบของคุณต้องปกป้องผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตรายหรือเพียงแค่แยกส่วนการทำงานเท่านั้น ระบุประเภทฉนวนที่ต้องการ (แบบใช้งาน แบบพื้นฐาน แบบสองชั้น หรือแบบเสริมแรง) แรงดันไฟฟ้าใช้งาน ประเภทแรงดันเกิน และระดับมลภาวะตามมาตรฐาน IEC 60664-1 และมาตรฐานผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง เช่น IEC 62368-1

ขั้นตอนที่ 2 – ระบุอินเทอร์เฟซและเส้นทางพลังงานที่ข้ามผ่านฉนวนกั้น

➠ ระบุอินเทอร์เฟซสัญญาณทั้งหมด (เช่น SPI, CAN, RS-485, อินพุต ADC) และเส้นทางพลังงานที่ต้องผ่านแผงกั้นแยกส่วน กำหนดว่าด้านใดเป็นอันตราย (หลัก) และด้านใดเป็น SELV หรือเข้าถึงได้โดยผู้ใช้ (รอง) และบันทึกอัตราการส่งข้อมูล จำนวนช่องสัญญาณ และลักษณะเฉพาะของสัญญาณอนาล็อกและดิจิทัลที่ต้องการทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 3 – เลือกเทคโนโลยีการแยกส่วนที่เหมาะสม

➠ ใช้หลักการตัดสินใจ: หากคุณต้องการระบบป้องกันความปลอดภัยและอัตราการส่งข้อมูลสูงหรือมีช่องสัญญาณจำนวนมาก ควรเลือกใช้ตัวแยกสัญญาณดิจิทัล หากอัตราการส่งข้อมูลต่ำและมีช่องสัญญาณน้อย หรือต้องการการป้อนกลับแบบอนาล็อก ตัวแยกสัญญาณแบบออปโตคัปเปลอร์มักจะเหมาะสมกว่า ใช้หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับการถ่ายโอนพลังงานและการแยกความปลอดภัยที่ขอบเขตระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ และใช้โมดูลพลังงานที่แยกการทำงานเมื่อต้องการเพียงการแยกกราวด์และประโยชน์ด้าน EMC เท่านั้น

ขั้นตอนที่ 4 – การกำหนดขนาดช่องว่าง การคืบคลาน และระยะห่างของฉนวน

➠ สำหรับส่วนประกอบที่เลือก ให้ตรวจสอบระยะห่างที่ต้องการ ระยะคืบคลาน และระยะห่างผ่านฉนวน โดยใช้ตาราง IEC 60664-1 และแรงดันไฟฟ้าใช้งานและระดับมลภาวะของคุณ ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อให้ช่องว่างอากาศและระยะห่างระหว่างตัวนำมีค่าเท่ากับหรือมากกว่าค่าเหล่านี้ และต้องคำนึงถึงระยะห่างขั้นต่ำและแรงดันไฟฟ้าทดสอบฉนวนที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของส่วนประกอบด้วย

ขั้นตอนที่ 5 – ติดตั้งส่วนประกอบฉนวนตามมาตรฐาน IEC 62368-1

➠ จับคู่ส่วนประกอบฉนวนแต่ละชิ้นกับข้อกำหนดที่ถูกต้องใน IEC 62368-1 ใช้ภาคผนวก G สำหรับการรวมตัวเก็บประจุและออปโตคัปเปลอร์ที่ไม่ได้ระบุประเภทฉนวนไว้อย่างชัดเจน และข้อกำหนด 5.4 สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีฉนวนพื้นฐาน ฉนวนสองชั้น หรือฉนวนเสริมแรงที่กำหนดไว้ สำหรับตัวแยกสัญญาณดิจิทัล ให้รวมข้อมูลระดับส่วนประกอบของ IEC 60747-17 เข้ากับข้อกำหนดการทดสอบฉนวนแข็งและความแข็งแรงทางไฟฟ้าของ IEC 62368-1

ขั้นตอนที่ 6 – ตรวจสอบประสิทธิภาพ ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และอายุการใช้งาน

➠ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโซลูชันการแยกสัญญาณที่คุณเลือกตรงตามอัตราการส่งข้อมูล ความล่าช้าในการแพร่กระจาย และข้อจำกัด CMTI และ EFT ที่ต้องการสำหรับสภาพแวดล้อมเป้าหมาย ยืนยันว่าโซลูชันการแยกสัญญาณแบบเสริมแรงหรือแบบสองชั้นตรงตามอายุการใช้งานที่คาดไว้ (เช่น 30 ปีสำหรับตัวแยกสัญญาณดิจิทัลที่เหมาะสม) และทำการทดสอบในห้องปฏิบัติการ รวมถึง hipot และ EMC เพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบโดยรวมตรงตามเป้าหมายด้านความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ