接觸電流深度解析：IEC 60990 量測網路、生理效應與高頻挑戰

在電子產品的安全評估中，沒有任何參數比接觸電流（Touch Current）更直接地關乎使用者的人身安全。它是產品電氣系統與人體生理系統之間的直接交互界面。

過去，工程界習慣稱之為漏電流（Leakage Current）。然而，現代安規標準（如 IEC 62368-1）已逐漸轉用接觸電流一詞。這不僅是術語的修正，更反映了對物理本質的精確定義：這股電流並非全然源自絕緣失效的洩漏，更多時候，它是為了滿足電磁兼容性（EMC）而透過濾波元件有意導入的，或者是雜散電容耦合的必然物理結果。

本文依據 IEC 60990 及 IEC 60479 系列標準，深入解析接觸電流背後的生理學機制、加權量測網絡的電路原理，以及在高頻開關電源設計中面臨的頻率響應挑戰。

生理學基礎：電流對人體的效應與頻率相依性

要理解為何標準設定特定的限值（如 0.25mA, 0.75mA, 3.5mA），必須先理解電流流經人體時發生的生理反應。人體並非一個單純的電阻，而是一個極其複雜的電化學生物系統。

電流效應的四個關鍵閾值

依據 IEC 60479-1 的研究，電流對人體的影響可以分為四個關鍵階段：

1. 感知閾值 (Perception Threshold)： 這是人體能感覺到電流流過的最小電流值。對於一般的 50Hz/60Hz 交流電，這個數值通常在 0.5mA 左右。雖然此階段不會造成直接傷害，但可能引起使用者的不安與對產品品質的懷疑。

2. 反應閾值 (Reaction Threshold)： 亦稱為驚嚇電流。當電流稍大（例如大於 0.5mA）時，雖未造成組織損傷，但會導致肌肉不由自主的收縮。這種非預期的肌肉反應可能導致二次事故，例如使用者因驚嚇而摔落設備或從梯子上跌落。這是消費性電子產品（Class II 設備）限制值設定的主要考量依據。

3. 擺脫閾值 (Let-go Threshold)： 當電流進一步增加（通常在 5mA 至 10mA 範圍），流經手臂的電流會導致肌肉發生強烈的痙攣性收縮。此時，使用者可能無法自主鬆開握著的帶電體。這是極度危險的臨界點，持續的接觸將導致電流長時間流過人體。

4. 心室顫動閾值 (Ventricular Fibrillation Threshold)： 這是最致命的階段。當電流流經心臟區域，干擾了控制心跳的生物電訊號，導致心室肌纖維發生無序的亂顫，心臟喪失泵血功能。若無即時急救，短時間內即可致死。

頻率因素：人體對高頻的鈍化

上述閾值主要針對工頻（50/60Hz）。然而，現代電子產品充滿了高頻訊號。生理學研究表明，人體神經系統對電擊的敏感度隨著頻率的升高而降低。

這是因為神經細胞的興奮需要離子在細胞膜內外移動來建立動作電位，這是一個需要時間的過程。當電流頻率極高（例如 100kHz）時，電流方向變化太快，離子來不及移動，神經無法產生去極化，因此人體對電擊（Shock）的感知大幅下降。

但是，這並不代表高頻電流是安全的。雖然電擊風險降低，但電流的熱效應（Thermal Effect）依然存在且與頻率無關。高頻電流的主要危害從電擊轉變為灼傷（Burn）。

量測網絡的工程原理：模擬人體阻抗

既然接觸電流的危害取決於生理反應，那麼使用普通的三用電表（Multimeter）直接測量電流是毫無意義的。安規測試必須使用能夠模擬人體阻抗特性（Body Impedance Model）的量測網絡（Measuring Network）。

IEC 60990 定義了這些網絡的標準電路，它們是所有現代安規標準（包括 IEC 62368-1, IEC 60335-1）的引用基礎。

人體阻抗模型

在標準中，人體被簡化為一個標準電阻，通常取值為 2000 歐姆（代表皮膚乾燥時的手對手或手對腳阻抗）或在更嚴苛測試條件下取 500 歐姆（代表皮膚濕潤或電流路徑較短時的內部阻抗）。

最核心的量測原理是：電流流經這個模擬人體阻抗的網絡，測量該網絡上的電壓降（Voltage Drop），然後換算為電流。這反映了人體實際承受的電壓負擔。

頻率加權網絡：U1 與 U2 的區別

針對不同的危害類型，IEC 60990 定義了不同的量測網絡，其中最常用的是圖 4（U1）和圖 5（U2）。

1. U1 網絡（無加權）： 這是一個純電阻性的網絡（或者在高頻段其頻率響應平坦）。它主要用於評估灼傷危害。因為熱效應與頻率無關，僅與電流的有效值（RMS）有關，所以這個網絡對所有頻率的電流一視同仁，不進行衰減。

2. U2 網絡（感知或反應加權）： 這是最常見的測試網絡，用於評估電擊危害。它的電路設計包含電容與電阻組成的濾波器，其頻率響應曲線與人體神經系統對頻率的敏感度曲線相反。 這意味著，當輸入一個高頻電流時，U2 網絡會對其進行大幅衰減，輸出的讀數會變小。這並非儀器誤差，而是反映了生理事實：同樣是 1mA，100kHz 的電流對神經的刺激遠小於 60Hz 的電流。這種經過濾波處理後的數值，被稱為加權接觸電流（Weighted Touch Current）。

工程師在解讀測試數據時必須極為小心：U2 網絡讀數低，僅代表電擊風險低，並不代表總電流低。如果高頻成分很大，仍需檢查 U1 網絡的數值以評估灼傷風險。

關鍵元件分析：Y 電容與共模雜訊的權衡

在電源供應器的設計中，接觸電流的主要來源通常是跨接在火線/中性線（L/N）與保護接地（PE）之間的 Y 電容。

EMI 與安規的零和博弈

Y 電容的主要功能是提供一個低阻抗路徑，將高頻共模雜訊（Common Mode Noise）引流回干擾源，防止其輻射到電網中造成電磁干擾（EMI）超標。

從 EMI 抑制的角度看，Y 電容的容值越大越好，因為阻抗越低，濾波效果越好。然而，從安規角度看，Y 電容在 50/60Hz 的工頻電壓下也會呈現一定的容抗。容值越大，流經它的工頻漏電流就越大。

這就是著名的工程權衡：

• 為了通過 EMI 測試（如 CISPR 32），工程師傾向於增加 Y 電容。

• 為了通過接觸電流測試（如 IEC 62368-1），工程師必須限制 Y 電容。

單一故障條件下的風險

安規評估不僅看正常工作條件，更看故障條件。對於接觸電流，最關鍵的故障模擬是保護接地導體斷路（Open Earth）。

對於 Class I 設備（具備接地保護），正常情況下 Y 電容的漏電流會流入大地，使用者觸摸金屬外殼是安全的。但如果建築物的接地失效，這股電流就會尋找替代路徑——即通過觸摸外殼的使用者身體流向大地。

因此，標準對 Class I 設備的接觸電流限值（通常為 3.5mA 或 0.75mA，視設備類型而定）實際上是在限制接地失效時使用者的觸電風險。而對於 Class II 設備（無接地），由於沒有接地迴路分流，其限值更為嚴格（通常為 0.25mA），因為任何洩漏都會直接流經人體。

高頻開關電源的實務挑戰

隨著寬能隙半導體（如 GaN, SiC）的普及，開關頻率不斷提升，這給接觸電流的控制帶來了新的挑戰。

寄生電容的影響

在高頻下，不僅僅是實體的 Y 電容在導電，變壓器初級與次級繞組之間的寄生電容（Inter-winding Capacitance）、功率元件散熱片與機殼之間的寄生電容，其容抗都會大幅降低。

這意味著，即使設計者沒有放置大容量的 Y 電容，高頻共模電壓仍可能通過這些寄生路徑耦合到次級側或金屬外殼，形成顯著的高頻接觸電流。

波形的複雜性

現代電源的漏電流不再是單純的正弦波，而是包含了工頻基波、開關頻率基波及其豐富的高次諧波的複雜非正弦波形。

在這種情況下，單純測量 RMS 值或峰值已不足夠。必須使用示波器監測流經 U2 網絡的電壓波形，捕捉其峰值電壓，並將其除以 500 歐姆來判定是否超標。有時 RMS 值合格，但極短暫的開關尖峰（Spikes）可能觸發峰值限值，這雖然不會造成肌肉痙攣，但可能引起刺痛感。

結論：在無形中構建安全

接觸電流的控制，體現了安規工程師在看不見的微觀電氣世界中的嚴謹工作。它不涉及肉眼可見的距離或材料厚度，而是涉及頻率、阻抗與生理反應的精密計算。

從生理學閾值的理解，到 IEC 60990 量測網絡的正確選用，再到 Y 電容與 EMI 的精細平衡，每一個環節都至關重要。隨著電子技術向更高頻、更高密度發展，接觸電流的頻譜成分日益複雜，工程師必須超越傳統的 50Hz 思維，深入理解高頻下的物理與生理機制，才能在保障使用者免受電擊與灼傷的同時，實現產品性能的最佳化。

這正是產品合規性設計中最具技術含量的領域之一，它要求我們對無形的電流保持最高的敬畏與掌控。