隔离电源你所不知道的设计细节

电源是电子系统的心脏，工业应用中，为系统前级或接口供电的电源一般都要求有高的抗干扰性能，各种隔离型的模块电源模块应运而生。你或许知道隔离电源的设计方案，但你真的能够设计出一款稳定的电源吗？本文为你揭秘。

 

一、电源模块为何需要隔离

1、保护人员避免受到物理和电气伤害

电源的隔离耐压在GB-4943国标中又叫抗电强度，这个GB-4943标准就是我们常说的信息类设备的安全标准，就是为了防止人员受到物理和电气伤害的国家标准，其中包括避免人受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。如下图1为隔离电源结构图。尤其是前级超出人体安全电压的直流DC-DC模块电源，如137.5VDC的铁路应用模块电源、光伏应用的1200VDC模块电源产品等，没有进行隔离的话，可能就会直接物理和电气伤害。在医疗行业，对电源的隔离要求更高，一般都要求是加强绝缘隔离，隔离越高漏电流越小，几个毫安的漏电流就可以夺走一个病人的生命。

 

 

图1  GB-4943标准

 

2、保护后级负载设备和系统

隔离型电源输入与输出隔离分开，在电源产品出现异常时，可对后级负载设备和系统的保护作用，避免其受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。常有看到遭受雷击浪涌、瞬间高压冲击损坏的电源产品，电路板上一大片面积的元器件被炸飞碳化掉，其实很多器件是被高压强压直接的串扰和辐射伤害到了，避免高压强压对后级弱电的伤害，隔离起到非常好的作用。

 

 

图2  后级负载损坏

 

3、提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力

隔离型电源去除隔离电路之间的接地环路，可切断共模、浪涌等干扰信号的传播路径，有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，能提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力，利于对干扰信号比较敏感的后级系统使用及集成，像仪器仪表、数据采集仪、嵌入式系统等高精度高要求的产品或系统，已被越来越广泛的应用，在对于远程工业通信的供电上，一般都用隔离电源为每个通信节点单独供电。同时也具有更高的安全性和可靠性，尤其是EMC特性的传导骚扰、辐射骚扰和ESD静电放电等性能上也更好一些，且在系统中可轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。

 

 

图3  仪器仪表

 

二、如何实现电源隔离

目前业界电源隔离方案主要有两种：一种是使用变压器磁隔离+光耦光电隔离组合实现初级侧与次级侧之间的电气隔离。这种方式，电路简单成熟普遍，较容易实现，能实现高输出电压精度、线性调整率和负载调整率性能，满足目前电子产品的高性能要求。

 

 

图4  光耦隔离方案

 

另一种是只用变压器磁隔离的方案，这种变压器磁隔离原边反馈采样方式，对变压器的一致性要求比较高，且输出电压精度、线性调整率和负载调整率性能比较差。其实行业内也有人研究过采用压电陶瓷隔离，全新技术，性能很难达到前面两种方式，且仪器设备投入成本非常高，就基本没有再被研究推广使用。

 

 

图5  原边反馈采样方案

 

三、自主搭建VS模块方案

目前有部分工程师在设计产品时，电源的方案选择会有这么一种想法，会认为不就那几个物料，都知道物料型号，并且都知道它们的单价，电源模块的价格相对于物料的成本显得较为昂贵，这部分用户想通过分立器件自行搭建，下面就让我从几点给你讲解，为什么要选择采购电源模块产品使用。

 

1、方案选择

在产品性能需求稍微明了之后，那接下来就是开始设计开发了，首先要做的就是电路方案的选取了，下面为大家列举一些比较常见的“反面教材”。

 

比如设计开发一个市电交流输入转直流输出的，很多人的第一时间就想到采用工频变换电路方案，因为此方案比较简单，一个工频变压器，再加上个整流滤波就可以搞定，如下图6所示。使用此方案的产品的效率非常低，并且产品的体积会非常之大，在应用中还伴随着让人非常闹心的工频涡流声。而模块方案选用合适的变压器，并且多重工序层层保证变压器的产品一致性，保证产品最终性能。

 

 

图6  变压器方案对比

 

2、物料选型及PCB设计

电路方案确定之后，接下来就需要进行产品性能参数的设计，要对电路方案中的电子元器件进行参数设计、计算与结构物料选型，在这个环节必须从多方面进行权衡。

 

其一，物料的选型。在专业的模块电源厂商就可以做到兼得，会根据产品的不同规格需求，不同的应用条件，舍掉无需的物料规格，选择最优的所需物料规格。

 

其二，电源模块的PCB的设计。因为模块电源产品有模块电源的PCB设计规范要求，它要考虑散热设计、EMC设计、干扰设计和生产工艺设计等等，涉及的内容非产多，所以PCB设计在模块电源产品开发过程中是作为最重要的环节之一来对待的，如图7所示。

 

 

图7  PCB设计要求

 

3、可靠性测试

产品开发完成之后，并不能直接应用，为保证产品在实际应用中发挥最优性能，通常需要进行输入输出的每个性能测试、容差测试、瞬态条件测试、可靠性测试、EMC电磁兼容测试、高低温测试、极限测试、寿命测试、安规测试等测试，标准如下表1所示。，且很多性能指标的测试还要深入细化到多点测试、长时间的测试、重复反复测试和批量的测试，所以测试一个产品或一个项目，短则半个多月，多则一个月以上。致远电子拥有全套的测试设备及测试流程，如下表2所示。

 

表1  可靠性测试标准

 

 

表2  测试设备

 

 

4、行业应用电路设计经验

话说得好“隔行如隔山”，虽然电源是极其通用的产品，但各行各业对于电源的需求有着千百种形态，要想制作出符合自身行业应用的电源产品，这对于DIY用户难度的确不小。卓轩电子科技深耕电源模块多年，自第一款隔离DC-DC电源模块面世以来，得到了广大用户的青睐与认可，迄今已为诸多电子行业用户提供了不同需求的电源隔离解决方案，例如公交POS机车载电源，如下图8所示；BMS全套系统解决方案，可提供电源及信号全套隔离方案，如下图8所示。

 

 

图8  公交POS机车载电源

 

 

图9  BMS电源及信号隔离解决方案

 

四、总结

卓轩电子科技自主研发、生产的隔离电源模块，具有宽输入电压范围，隔离1000VDC、1500VDC、3000VDC多个系列，封装形式多样，兼容国际标准的SIP、DIP等封装，也可根据项目的特殊情况，提供量体裁衣的定制服务，为客户定制特色功能、特别封装的隔离电源。卓轩电源模块以其效率高、输入电压范围宽、体积小、可靠性高、耐冲击、隔离特性好，温度范围宽等特性，适用于做板级的供电电源，广泛应用于电力、工业自动化、通讯、医疗、交通、楼宇自动化、仪器仪表和汽车电子等众多领域。