電源模塊為何需要隔離 如何實(shí)現(xiàn)電源隔離

電源是電子系統(tǒng)的心臟，工業(yè)應(yīng)用中，為系統(tǒng)前級(jí)或接口供電的電源一般都要求有高的抗干擾性能，各種隔離型的模塊電源模塊應(yīng)運(yùn)而生。你或許知道隔離電源的設(shè)計(jì)方案，但你真的能夠設(shè)計(jì)出一款穩(wěn)定的電源嗎？本文為你揭秘。

一、電源模塊為何需要隔離

1、保護(hù)人員避免受到物理和電氣傷害

電源的隔離耐壓在GB-4943國(guó)標(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度，這個(gè)GB-4943標(biāo)準(zhǔn)就是我們常說(shuō)的信息類設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)，就是為了防止人員受到物理和電氣傷害的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中包括避免人受到電擊傷害、物理傷害、爆炸等傷害。如下圖1為隔離電源結(jié)構(gòu)圖。尤其是前級(jí)超出人體安全電壓的直流DC-DC模塊電源，如137.5VDC的鐵路應(yīng)用模塊電源、光伏應(yīng)用的1200VDC模塊電源產(chǎn)品等，沒(méi)有進(jìn)行隔離的話，可能就會(huì)直接物理和電氣傷害。在醫(yī)療行業(yè)，對(duì)電源的隔離要求更高，一般都要求是加強(qiáng)絕緣隔離，隔離越高漏電流越小，幾個(gè)毫安的漏電流就可以?shī)Z走一個(gè)病人的生命。

圖1 GB-4943標(biāo)準(zhǔn)

2、保護(hù)后級(jí)負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)

隔離型電源輸入與輸出隔離分開(kāi)，在電源產(chǎn)品出現(xiàn)異常時(shí)，可對(duì)后級(jí)負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)的保護(hù)作用，避免其受到電擊傷害、物理傷害、爆炸等傷害。常有看到遭受雷擊浪涌、瞬間高壓沖擊損壞的電源產(chǎn)品，電路板上一大片面積的元器件被炸飛碳化掉，其實(shí)很多器件是被高壓強(qiáng)壓直接的串?dāng)_和輻射傷害到了，避免高壓強(qiáng)壓對(duì)后級(jí)弱電的傷害，隔離起到非常好的作用。

圖2 后級(jí)負(fù)載損壞

3、提高共模干擾抑制性能和抗干擾能力

隔離型電源去除隔離電路之間的接地環(huán)路，可切斷共模、浪涌等干擾信號(hào)的傳播路徑，有效降低地電勢(shì)差和導(dǎo)線耦合干擾的影響，能提高共模干擾抑制性能和抗干擾能力，利于對(duì)干擾信號(hào)比較敏感的后級(jí)系統(tǒng)使用及集成，像儀器儀表、數(shù)據(jù)采集儀、嵌入式系統(tǒng)等高精度高要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)，已被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電上，一般都用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。同時(shí)也具有更高的安全性和可靠性，尤其是EMC特性的傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾和ESD靜電放電等性能上也更好一些，且在系統(tǒng)中可輕松完成輸出接線，而不與主接地發(fā)生沖突。

圖3 儀器儀表

二、如何實(shí)現(xiàn)電源隔離

目前業(yè)界電源隔離方案主要有兩種：一種是使用變壓器磁隔離+光耦光電隔離組合實(shí)現(xiàn)初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電氣隔離。這種方式，電路簡(jiǎn)單成熟普遍，較容易實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)高輸出電壓精度、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能，滿足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。

圖4 光耦隔離方案

另一種是只用變壓器磁隔離的方案，這種變壓器磁隔離原邊反饋采樣方式，對(duì)變壓器的一致性要求比較高，且輸出電壓精度、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能比較差。其實(shí)行業(yè)內(nèi)也有人研究過(guò)采用壓電陶瓷隔離，全新技術(shù)，性能很難達(dá)到前面兩種方式，且儀器設(shè)備投入成本非常高，就基本沒(méi)有再被研究推廣使用。

圖5 原邊反饋采樣方案

三、自主搭建VS模塊方案

目前有部分工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，電源的方案選擇會(huì)有這么一種想法，會(huì)認(rèn)為不就那幾個(gè)物料，都知道物料型號(hào)，并且都知道它們的單價(jià)，電源模塊的價(jià)格相對(duì)于物料的成本顯得較為昂貴，這部分用戶想通過(guò)分立器件自行搭建，下面就讓我從幾點(diǎn)給你講解，為什么要選擇采購(gòu)電源模塊產(chǎn)品使用。

1、方案選擇

在產(chǎn)品性能需求稍微明了之后，那接下來(lái)就是開(kāi)始設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了，首先要做的就是電路方案的選取了，下面為大家列舉一些比較常見(jiàn)的“反面教材”。

比如設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)市電交流輸入轉(zhuǎn)直流輸出的，很多人的第一時(shí)間就想到采用工頻變換電路方案，因?yàn)榇朔桨副容^簡(jiǎn)單，一個(gè)工頻變壓器，再加上個(gè)整流濾波就可以搞定，如下圖6所示。使用此方案的產(chǎn)品的效率非常低，并且產(chǎn)品的體積會(huì)非常之大，在應(yīng)用中還伴隨著讓人非常鬧心的工頻渦流聲。而模塊方案選用合適的變壓器，并且多重工序?qū)訉颖ＷC變壓器的產(chǎn)品一致性，保證產(chǎn)品最終性能。

圖6 變壓器方案對(duì)比

2、物料選型及PCB設(shè)計(jì)

電路方案確定之后，接下來(lái)就需要進(jìn)行產(chǎn)品性能參數(shù)的設(shè)計(jì)，要對(duì)電路方案中的電子元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算與結(jié)構(gòu)物料選型，在這個(gè)環(huán)節(jié)必須從多方面進(jìn)行權(quán)衡。

其一，物料的選型。在專業(yè)的模塊電源廠商就可以做到兼得，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的不同規(guī)格需求，不同的應(yīng)用條件，舍掉無(wú)需的物料規(guī)格，選擇最優(yōu)的所需物料規(guī)格。

其二，電源模塊的PCB的設(shè)計(jì)。因?yàn)槟K電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范要求，它要考慮散熱設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、干擾設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等等，涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多，所以PCB設(shè)計(jì)在模塊電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來(lái)對(duì)待的，如圖7所示。

圖7 PCB設(shè)計(jì)要求

3、可靠性測(cè)試

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成之后，并不能直接應(yīng)用，為保證產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮最優(yōu)性能，通常需要進(jìn)行輸入輸出的每個(gè)性能測(cè)試、容差測(cè)試、瞬態(tài)條件測(cè)試、可靠性測(cè)試、EMC電磁兼容測(cè)試、高低溫測(cè)試、極限測(cè)試、壽命測(cè)試、安規(guī)測(cè)試等測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。，且很多性能指標(biāo)的測(cè)試還要深入細(xì)化到多點(diǎn)測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試、重復(fù)反復(fù)測(cè)試和批量的測(cè)試，所以測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)項(xiàng)目，短則半個(gè)多月，多則一個(gè)月以上。致遠(yuǎn)電子擁有全套的測(cè)試設(shè)備及測(cè)試流程，如下表2所示。

表1 可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

表2 測(cè)試設(shè)備

編輯：黃飛

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