隔離電源你所不知道的設計細節

電源是電子系統的心臟，工業應用中，為系統前級或介面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運而生。你或許知道隔離電源的設計方案，但你真的能夠設計出一款穩定的電源嗎?本文為你揭秘。

一、電源模塊為何需要隔離

1、保護人員避免受到物理和電氣傷害

電源的隔離耐壓在GB-4943國標中又叫抗電強度，這個GB-4943標準就是我們常說的信息類設備的安全標準，就是為了防止人員受到物理和電氣傷害的國家標準，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為隔離電源結構圖。尤其是前級超出人體安全電壓的直流DC-DC模塊電源，如137.5VDC的鐵路應用模塊電源、光伏應用的1200VDC模塊電源產品等，沒有進行隔離的話，可能就會直接物理和電氣傷害。在醫療行業，對電源的隔離要求更高，一般都要求是加強絕緣隔離，隔離越高漏電流越小，幾個毫安的漏電流就可以奪走一個病人的生命。

圖1 GB-4943標準

2、保護後級負載設備和系統

隔離型電源輸入與輸出隔離分開，在電源產品出現異常時，可對後級負載設備和系統的保護作用，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、瞬間高壓衝擊損壞的電源產品，電路板上一大片面積的元器件被炸飛碳化掉，其實很多器件是被高壓強壓直接的串擾和輻射傷害到了，避免高壓強壓對後級弱電的傷害，隔離起到非常好的作用。

圖2 後級負載損壞

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路，可切斷共模、浪涌等干擾信號的傳播路徑，有效降低地電勢差和導線耦合干擾的影響，能提高共模干擾抑制性能和抗干擾能力，利於對干擾信號比較敏感的後級系統使用及集成，像儀器儀錶、數據採集儀、嵌入式系統等高精度高要求的產品或系統，已被越來越廣泛的應用，在對於遠程工業通信的供電上，一般都用隔離電源為每個通信節點單獨供電。同時也具有更高的安全性和可靠性，尤其是EMC特性的傳導騷擾、輻射騷擾和ESD靜電放電等性能上也更好一些，且在系統中可輕鬆完成輸出接線，而不與主接地發生衝突。

圖3 儀器儀錶

二、如何實現電源隔離

目前業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現初級側與次級側之間的電氣隔離。這種方式，電路簡單成熟普遍，較容易實現，能實現高輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能，滿足目前電子產品的高性能要求。

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採樣方式，對變壓器的一致性要求比較高，且輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能比較差。其實行業內也有人研究過採用壓電陶瓷隔離，全新技術，性能很難達到前面兩種方式，且儀器設備投入成本非常高，就基本沒有再被研究推廣使用。

圖5 原邊反饋採樣方案

三、自主搭建VS模塊方案

目前有部分工程師在設計產品時，電源的方案選擇會有這麼一種想法，會認為不就那幾個物料，都知道物料型號，並且都知道它們的單價，電源模塊的價格相對於物料的成本顯得較為昂貴，這部分用戶想通過分立器件自行搭建，下面就讓我從幾點給你講解，為什麼要選擇採購電源模塊產品使用。

1、 方案選擇

在產品性能需求稍微明了之後，那接下來就是開始設計開發了，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的「反面教材」。

比如設計開發一個市電交流輸入轉直流輸出的，很多人的第一時間就想到採用工頻變換電路方案，因為此方案比較簡單，一個工頻變壓器，再加上個整流濾波就可以搞定，如下圖6所示。使用此方案的產品的效率非常低，並且產品的體積會非常之大，在應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，並且多重工序層層保證變壓器的產品一致性，保證產品最終性能。

圖6 變壓器方案對比

2、物料選型及PCB設計

電路方案確定之後，接下來就需要進行產品性能參數的設計，要對電路方案中的電子元器件進行參數設計、計算與結構物料選型，在這個環節必須從多方面進行權衡。

其一，物料的選型。在專業的模塊電源廠商就可以做到兼得，會根據產品的不同規格需求，不同的應用條件，舍掉無需的物料規格，選擇最優的所需物料規格。

其二，電源模塊的PCB的設計。因為模塊電源產品有模塊電源的PCB設計規範要求，它要考慮散熱設計、EMC設計、干擾設計和生產工藝設計等等，涉及的內容非產多，所以PCB設計在模塊電源產品開發過程中是作為最重要的環節之一來對待的，如圖7所示。

圖7 PCB設計要求

3、可靠性測試

產品開發完成之後，並不能直接應用，為保證產品在實際應用中發揮最優性能，通常需要進行輸入輸出的每個性能測試、容差測試、瞬態條件測試、可靠性測試、EMC電磁兼容測試、高低溫測試、極限測試、壽命測試、安規測試等測試，標準如下表1所示。，且很多性能指標的測試還要深入細化到多點測試、長時間的測試、重複反覆測試和批量的測試，所以測試一個產品或一個項目，短則半個多月，多則一個月以上。致遠電子擁有全套的測試設備及測試流程，如下表2所示。

表1 可靠性測試標準

表2 測試設備

4、行業應用電路設計經驗

話說得好「隔行如隔山」，雖然電源是極其通用的產品，但各行各業對於電源的需求有著千百種形態，要想製作出符合自身行業應用的電源產品，這對於DIY用戶難度的確不小。致遠電子深耕電源模塊多年，自03年第一款隔離DC-DC電源模塊面世以來，得到了廣大用戶的青睞與認可，迄今已為諸多電子行業用戶提供了不同需求的電源隔離解決方案，例如公交POS機車載電源，如下圖8所示;BMS全套系統解決方案，可提供電源及信號全套隔離方案，如下圖8所示。

圖8 公交POS機車載電源

圖9 BMS電源及信號隔離解決方案

四、總結

ZLG致遠電子自主研發、生產的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓範圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC多個系列，封裝形式多樣，兼容國際標準的SIP、DIP等封裝，也可根據項目的特殊情況，提供量體裁衣的定製服務，為客戶定製特色功能、特別封裝的隔離電源。致遠電源模塊以其效率高、輸入電壓範圍寬、體積小、可靠性高、耐衝擊、隔離特性好，溫度範圍寬等特性，適用於做板級的供電電源，廣泛應用於電力、工業自動化、通訊、醫療、交通、樓宇自動化、儀器儀錶和汽車電子等眾多領域。

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