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電源模塊為何需要隔離

發(fā)布時間:2023-03-31 來源:電源模塊|隔離 責任編輯:lina

【導讀】電源是電子系統(tǒng)的心臟,工業(yè)應(yīng)用中,為系統(tǒng)前級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)運而生。你或許知道隔離電源的設(shè)計方案,但你真的能夠設(shè)計出一款穩(wěn)定的電源嗎?本文為你揭秘。


電源是電子系統(tǒng)的心臟,工業(yè)應(yīng)用中,為系統(tǒng)前級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)運而生。你或許知道隔離電源的設(shè)計方案,但你真的能夠設(shè)計出一款穩(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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用模塊電源、光伏應(yīng)用的1200VDC模塊電源產(chǎn)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(yī)療行業(yè),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。


電源模塊為何需要隔離


2、保護后級負載設(shè)備和系統(tǒng)

隔離型電源輸入與輸出隔離分開,在電源產(chǎn)品出現(xiàn)異常時,可對后級負載設(shè)備和系統(tǒng)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,避免高壓強壓對后級弱電的傷害,隔離起到非常好的作用。


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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,利于對干擾信號比較敏感的后級系統(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),已被越來越廣泛的應(yīng)用,在對于遠程工業(yè)通信的供電上,一般都用隔離電源為每個通信節(jié)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(tǒng)中可輕松完成輸出接線,而不與主接地發(fā)生沖突。


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二、如何實現(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現(xiàn)初級側(cè)與次級側(cè)之間的電氣隔離。這種方式,電路簡單成熟普遍,較容易實現(xiàn),能實現(xiàn)高輸出電壓精度、線性調(diào)整率和負載調(diào)整率性能,滿足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。


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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)整率和負載調(diào)整率性能比較差。其實行業(yè)內(nèi)也有人研究過采用壓電陶瓷隔離,全新技術(shù),性能很難達到前面兩種方式,且儀器設(shè)備投入成本非常高,就基本沒有再被研究推廣使用。


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三、自主搭建VS模塊方案

目前有部分工程師在設(shè)計產(chǎn)品時,電源的方案選擇會有這么一種想法,會認為不就那幾個物料,都知道物料型號,并且都知道它們的單價,電源模塊的價格相對于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,為什么要選擇采購電源模塊產(chǎn)品使用。

1、方案選擇

在產(chǎn)品性能需求稍微明了之后,那接下來就是開始設(shè)計開發(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的“反面教材”。

比如設(shè)計開發(fā)一個市電交流輸入轉(zhuǎn)直流輸出的,很多人的時間就想到采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(chǎn)品的效率非常低,并且產(chǎn)品的體積會非常之大,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)品終性能。


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2、物料選型及PCB設(shè)計

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

其一,物料的選型。在的模塊電源廠商就可以做到兼得,會根據(jù)產(chǎn)品的不同規(guī)格需求,不同的應(yīng)用條件,舍掉無需的物料規(guī)格,選擇的所需物料規(guī)格。

其二,電源模塊的PCB的設(shè)計。因為模塊電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設(shè)計規(guī)范要求,它要考慮散熱設(shè)計、EMC設(shè)計、干擾設(shè)計和生產(chǎn)工藝設(shè)計等等,涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多,所以PCB設(shè)計在模塊電源產(chǎn)品開發(fā)過程中是作為重要的環(huán)節(jié)之一來對待的,如圖7所示。


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3、可靠性測試

產(chǎn)品開發(fā)完成之后,并不能直接應(yīng)用,為保證產(chǎn)品在實際應(yīng)用中發(fā)揮性能,通常需要進行輸入輸出的每個性能測試、容差測試、瞬態(tài)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(guī)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、重復反復測試和批量的測試,所以測試一個產(chǎn)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(shè)備及測試流程,如下表2所示。


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4、行業(yè)應(yīng)用電路設(shè)計經(jīng)驗

話說得好“隔行如隔山”,雖然電源是極其通用的產(chǎn)品,但各行各業(yè)對于電源的需求有著千百種形態(tài),要想制作出符合自身行業(yè)應(yīng)用的電源產(chǎn)品,這對于DIY用戶難度的確不小。致遠電子深耕電源模塊多年,自03年款隔離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(yè)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(tǒng)解決方案,可提供電源及信號全套隔離方案,如下圖8所示。


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