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          隔離電源與非隔離電源

          作者: 時(shí)間:2024-06-17 來(lái)源:硬件筆記本 收藏

          在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),倘若沒(méi)有考慮應(yīng)用環(huán)境對(duì)隔離的要求,產(chǎn)品到了應(yīng)用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)因設(shè)計(jì)方案的不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)高壓損壞后級(jí)負(fù)載的情況,以及出現(xiàn)危害人身財(cái)產(chǎn)安全的情況。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要隔離至關(guān)重要。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202406/459941.htm

          隔離的選型要注意哪些事項(xiàng)?如何區(qū)分是隔離與非隔離?業(yè)內(nèi)通用的看法是:

          • 隔離電源:電源的輸入回路和輸出回路之間沒(méi)有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態(tài),沒(méi)有電流回路,采用變壓器的隔離電源如下圖所示:


          • 非隔離電源:輸入和輸出之間有直接的電流回路,例如,輸入和輸出之間是共地的。以隔離的反激電路和非隔離的BUCK電路為例,非隔離電源如下圖所示。


          隔離電源與非隔離電源,如下圖。


          一、隔離電源與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

          由上述概念可知,對(duì)于常用的電源拓?fù)涠?,非隔離電源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔離電源主要有各種帶隔離變壓器的反激、正激、半橋、LLC等拓?fù)洹?/span>

          結(jié)合常用的隔離與非隔離電源,我們從直觀上就可得出它們的一些優(yōu)缺點(diǎn),兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

          使用隔離或非隔離的電源,需了解實(shí)際項(xiàng)目對(duì)電源的需求是怎樣的,但在此之前,可了解下隔離和非隔離電源的主要差別:

          ①隔離模塊的可靠性高,但成本高,效率差點(diǎn)。

          ②非隔離模塊的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,成本低,效率高,安全性能差。

          因此,在如下幾個(gè)場(chǎng)合,建議用隔離電源:

          ①涉及可能觸電的場(chǎng)合,如從電網(wǎng)取電,轉(zhuǎn)成低壓直流的場(chǎng)合,需用隔離的AC-DC電源;

          ②串行通信總線(xiàn)通過(guò)RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)(CAN)等物理網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù),這些相互連接的系統(tǒng)每個(gè)都配備有自己的電源,而且各系統(tǒng)之間往往間隔較遠(yuǎn),因此,我們通常需要隔離電源進(jìn)行電氣隔離來(lái)確保系統(tǒng)的物理安全,且通過(guò)隔離切斷接地回路,來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊,同時(shí)減少信號(hào)失真;

          ③對(duì)外的I/O端口,為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,也建議對(duì)I/O端口做電源隔離。

          總結(jié)的表如表1所示,兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

          下表,隔離電源和非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn):


          二、隔離電源與非隔離電源的選擇

          通過(guò)了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知,它們各有優(yōu)勢(shì),對(duì)于一些常用的嵌入式供電選擇,我們已可做成準(zhǔn)確的判斷:

          ①系統(tǒng)前級(jí)的電源,為提高抗干擾性能,保證可靠性,一般用隔離電源。

          ② 電路板內(nèi)的IC或部分電路供電,從性?xún)r(jià)比和體積出發(fā),優(yōu)先選用非隔離的方案。

          ③ 對(duì)安全有要求的場(chǎng)合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)療用的電源,為保證人身的安全,必須用隔離電源,有些場(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

          ④ 對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢(shì)差和導(dǎo)線(xiàn)耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

          ⑤ 對(duì)于采用電池供電,對(duì)續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合,采用非隔離供電。

          通過(guò)了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知,它們各有優(yōu)勢(shì),對(duì)于一些常用的嵌入式供電設(shè)計(jì),我們可總結(jié)出其選擇的場(chǎng)合。

          1、隔離電源

          • 系統(tǒng)前級(jí)的電源,為提高抗干擾性能,保證可靠性,一般用隔離電源;

          • 對(duì)安全有要求的場(chǎng)合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)療用的電源和白色家電,為保證人身的安全, 必須用隔離電源,如MPS的MP020,為原邊反饋隔離型AC-DC,適合于1~10W應(yīng)用 ;

          • 對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢(shì)差和導(dǎo)線(xiàn)耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

          2、非隔離電源

          • 電路板內(nèi)的IC或部分電路供電,從性?xún)r(jià)比和體積出發(fā),優(yōu)先選用非隔離的方案;如MPS的MP150/157/MP174系列buck型非隔離AC-DC,適合于1~5W應(yīng)用;

          • 對(duì)于工作電壓低于36V,采用電池供電,對(duì)續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合,優(yōu)先采用非隔離供電,如MPS的MP2451/MPQ2451。

          隔離電源與非隔離電源優(yōu)缺點(diǎn):


          通過(guò)了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知,它們各有優(yōu)勢(shì),對(duì)于一些常用的嵌入式供電選擇,我們可遵循以下判斷條件:

          對(duì)安全有要求的場(chǎng)合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)療用的電源,為保證人身的安全,必須用隔離電源,有些場(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

          一般場(chǎng)合使用對(duì)模塊電源隔離電壓要求不是很高,但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流,更高的安全性和可靠性,并且EMC特性也更好一些,因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。


          三、隔離電源模塊選型的注意事項(xiàng)

          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(lèi)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。如下圖為隔離電源結(jié)構(gòu)圖。


          作為模塊電源的重要指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了隔離耐壓相關(guān)測(cè)試方法,簡(jiǎn)單的測(cè)試時(shí)一般采用等電位連接測(cè)試,連接示意圖如下:


          測(cè)試方法:

          將耐壓計(jì)的電壓設(shè)為規(guī)定的耐壓值,電流設(shè)為規(guī)定的漏電流值,時(shí)間設(shè)為規(guī)定的測(cè)試時(shí)間值;

          操作耐壓計(jì)開(kāi)始測(cè)試,開(kāi)始加壓,在規(guī)定的測(cè)試時(shí)間內(nèi),模塊應(yīng)無(wú)擊穿,無(wú)飛弧現(xiàn)象。

          注意在測(cè)試時(shí)焊接電源模塊要選取合適的溫度,避免反復(fù)焊接,損壞電源模塊。

          除此之外還要注意:

          1、要注意是AC-DC還是DC-DC。

          2、隔離電源模塊的隔離耐壓。例如隔離1000V DC 是否滿(mǎn)足絕緣要求。

          3、隔離電源模塊是否有進(jìn)行全面的可靠性測(cè)試。電源模塊要經(jīng)過(guò)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。

          4、隔離電源模塊的生產(chǎn)工廠產(chǎn)線(xiàn)是否規(guī)范。電源模塊生產(chǎn)線(xiàn)需要通過(guò)ISO9001, ISO14001,OHSAS18001等多項(xiàng)國(guó)際認(rèn)證,如下圖所示。


          5、隔離電源模塊是否有應(yīng)用在工業(yè)、汽車(chē)等惡劣環(huán)境。電源模塊不僅僅大量應(yīng)用與惡劣的工業(yè)環(huán)境,同時(shí)在新能源汽車(chē)的BMS管理系統(tǒng)中也游刃有余。


          四、關(guān)于隔離電源與非隔離電源的感悟

          首先闡述一個(gè)誤區(qū):很多人認(rèn)為非隔離電源不如隔離電源好,因?yàn)楦綦x電源貴,所以肯定貴的就好。

          為什么現(xiàn)在大家的印象當(dāng)中用隔離電源比用非隔離的要好,其實(shí)不然,這種想法都是停留在幾年前的想法當(dāng)中。因?yàn)榍皫啄攴歉綦x的穩(wěn)定性確實(shí)沒(méi)有隔離穩(wěn)定,但隨著研發(fā)技術(shù)的更新,現(xiàn)如今非隔離已經(jīng)非常成熟,日漸穩(wěn)定。說(shuō)到安全性,其實(shí)現(xiàn)在非隔離電源也是很安全的,只要在結(jié)構(gòu)稍微做下改動(dòng),對(duì)人體還是很安全的,同樣的道理,非隔離電源也是可以過(guò)很多安規(guī)標(biāo)準(zhǔn),例如:ULTUVSAACE等。

          實(shí)際上非隔離電源損壞的根源就是電源AC線(xiàn)兩端的浪涌電壓所致,也可以這么說(shuō),雷擊浪涌吧,這種電壓是加在電壓AC線(xiàn)兩端的瞬間高壓,有時(shí)高達(dá)三千伏,但時(shí)間很短,能量卻極強(qiáng),在打雷時(shí)會(huì)發(fā)生,或是在同一條AC線(xiàn)上,當(dāng)一個(gè)大的負(fù)載斷開(kāi)瞬間,因?yàn)殡娏鲬T性的原因也會(huì)發(fā)生,這個(gè)電壓進(jìn)入電源,對(duì)于非隔離BUCK電路,會(huì)瞬間傳達(dá)到輸出,擊壞恒流檢測(cè)環(huán),或是進(jìn)一步擊壞芯片,造成300v直通,而燒掉整條燈管。對(duì)于隔離反激電源,會(huì)擊壞MOS,現(xiàn)象就是保管,芯片,MOS管全燒壞?,F(xiàn)在LED驅(qū)動(dòng)電源,在使用過(guò)程中壞的,80%以上都是這兩種類(lèi)似現(xiàn)象。而且,小型開(kāi)關(guān)電源,就算是電源適配器,也經(jīng)常損壞的是這個(gè)現(xiàn)象,均是浪涌電壓所致,而在LED電源里,表現(xiàn)的更加普遍,這是因?yàn)長(zhǎng)ED的負(fù)載特性是特別的怕浪涌電壓的。

          如果按照一般的理論來(lái)講,電子電路里,元器件越少,可靠性越高,相應(yīng)越多的元件的電路板可靠性則越低。實(shí)際上非隔離電路的元件是比隔離電路要少的,為什么隔離電路可靠性高。其實(shí)說(shuō)白了,不是什么可靠性,而是非隔離電路對(duì)于浪涌太敏感,抑制能力差,隔離電路,因?yàn)槟芰渴窍冗M(jìn)入變壓器,然后從變壓器再輸送到LED負(fù)載的。BUCK電路是輸入電源一部分直接加在了LED負(fù)載上,故前者對(duì)浪涌抑制和衰減能力強(qiáng),所以浪涌來(lái)時(shí)損壞的機(jī)率小而已。實(shí)際上,不隔離電源的問(wèn)題主要是在于浪涌問(wèn)題,目前這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)橹挥蠰ED燈具在大批量應(yīng)用時(shí),從概率上才能看出其解決的程度,所以很多人沒(méi)有提出好的防治辦法,更多的人則是不知道浪涌電壓為何物,很多人。LED燈具壞了,也找不到原因,最后只能一句,什么此電源不穩(wěn)定就了結(jié)了,具體哪里不穩(wěn)定,他不知道。

          非隔離電源一是效率,二是成本上比較有優(yōu)勢(shì)。

          非隔離電源適合的場(chǎng)合:首先,是室內(nèi)的燈具,這種室內(nèi)用電環(huán)境較好,浪涌影響小。第二,使用的場(chǎng)合是高壓小電流,低壓大電流用非隔離沒(méi)有意義,因?yàn)榈蛪捍箅娏鞣歉綦x的效率并不比隔離的高,成本也低不到多少去。三,電壓相對(duì)較穩(wěn)定的環(huán)境中使用非隔離電源。當(dāng)然,如果有辦法解決掉抑制浪涌的問(wèn)題,那么非隔離電源的應(yīng)用范圍將大大拓寬!

          隔離電源因?yàn)槔擞康膯?wèn)題,損壞率也不可小覷,一般那種返修回來(lái),擊壞保險(xiǎn),芯片,MOS的第一個(gè)應(yīng)該想到是浪涌問(wèn)題。為了減少損壞率,在設(shè)計(jì)時(shí)就行要考慮到浪涌的因素進(jìn)去,或是在使用時(shí)要告戒用戶(hù),盡量避免浪涌發(fā)生。如室內(nèi)燈具,打雷時(shí)暫時(shí)先關(guān)掉。

          綜合所述,使用隔離與非隔離很多時(shí)候都是因?yàn)槔擞窟@個(gè)問(wèn)題,而浪涌問(wèn)題和用電環(huán)境是息息相關(guān)的,所以很多時(shí)候使用隔離電源和非隔離電源不能一刀切,非隔離電源在節(jié)能,成本上都是很有優(yōu)勢(shì)的,所以要科學(xué)的選用非隔離還是隔離作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源。


          五、總結(jié)

          本文介紹了隔離電源和非隔離電源的區(qū)別,以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適應(yīng)場(chǎng)合,以及隔離電源的選型注意事項(xiàng),希望工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)能以此為參考,正確應(yīng)用電源在產(chǎn)品的研發(fā)中,以及在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后,快速定位問(wèn)題所在。




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