“南航一名23歲空姐在iPhone5充電時(shí)打電話(huà)被電死”，新聞在網(wǎng)上引起廣泛關(guān)注。充電器也能能危害生命？專(zhuān)家分析手機充電器內部變壓器漏電，220VAC的交流電漏電到直流端，并通過(guò)數據線(xiàn)傳導到了手機金屬殼上，最終導致觸電身亡，發(fā)生無(wú)可挽回的悲劇。

 

那么手機充電器輸出端為什么會(huì )帶有220V的交流電呢？隔離電源的選型要注意哪些事項？如何區分電源是隔離與非隔離？業(yè)內通用的看法是： 

 

1、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，如圖1所示：

 

圖1 采用變壓器的隔離電源

 

2、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，如圖2所示。 

 

圖2 非隔離電源 

 

 

一、隔離電源與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

 

由上述概念可知，對于常用的電源拓撲而言，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等拓撲。

 

結合常用的隔離與非隔離電源，我們從直觀(guān)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)際項目對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非隔離模塊的結構很簡(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 )傳送數據，這些相互連接的系統每個(gè)都配備有自己的電源，而且各系統之間往往間隔較遠，因此，我們通常需要隔離電源進(jìn)行電氣隔離來(lái)確保系統的物理安全，且通過(guò)隔離切斷接地回路，來(lái)保護系統免受瞬態(tài)高電壓沖擊，同時(shí)減少信號失真；

 

③對外的I/O端口，為保證系統的可靠運行，也建議對I/O端口做電源隔離。

總結的表如表1所示，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

 

表1 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，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們已可做成準確的判斷：

 

①系統前級的電源，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 對安全有要求的場(chǎng)合，如需接市電的AC-DC，或醫療用的電源，為保證人身的安全，必須用隔離電源，有些場(chǎng)合還必須用加強隔離的電源。

 

④ 對于遠程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢差和導線(xiàn)耦合干擾的影響，一般用隔離電源為每個(gè)通信節點(diǎn)單獨供電。

 

⑤ 對于采用電池供電，對續航力要求嚴苛的場(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，對于一些常用的嵌入式供電設計，我們可總結出其選擇的場(chǎng)合。

 

1、隔離電源 

 

●    系統前級的電源，為提高抗干擾性能，保證可靠性，一般用隔離電源；

●    對安全有要求的場(chǎng)合，如需接市電的AC-DC，或醫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應用 ；

●    對于遠程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢差和導線(xiàn)耦合干擾的影響，一般用隔離電源為每個(gè)通信節點(diǎn)單獨供電。

 

2、非隔離電源

 

電路板內的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應用；

對于工作電壓低于36V，采用電池供電，對續航力要求嚴苛的場(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，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們可遵循以下判斷條件：

 

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

 

一般場(chǎng)合使用對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

 

電源的隔離耐壓在GB-4943國標中又叫抗電強度，這個(gè)GB-4943標準就是我們常說(shuō)的信息類(lèi)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。如下圖為隔離電源結構圖。 

 

 

隔離電源結構圖

 

作為模塊電源的重要指標，標準中也規定了隔離耐壓相關(guān)測試方法，簡(jiǎn)單的測試時(shí)一般采用等電位連接測試，連接示意圖如下：

 

隔離耐壓測試示意圖

 

測試方法：

 

將耐壓計的電壓設為規定的耐壓值，電流設為規定的漏電流值，時(shí)間設為規定的測試時(shí)間值；

 

操作耐壓計開(kāi)始測試，開(kāi)始加壓，在規定的測試時(shí)間內，模塊應無(wú)擊穿，無(wú)飛弧現象。

 

注意在測試時(shí)焊接電源模塊要選取合適的溫度，避免反復焊接，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)行全面的可靠性測試。電源模塊要經(jīng)過(guò)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、安規測試等。

 

4、隔離電源模塊的生產(chǎn)工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)是否規范。電源模塊生產(chǎn)線(xiàn)需要通過(guò)ISO9001, ISO14001，OHSAS18001等多項國際認證，如下圖3所示。

 

圖3 ISO認證

 

5、隔離電源模塊是否有應用在工業(yè)、汽車(chē)等惡劣環(huán)境。電源模塊不僅僅大量應用與惡劣的工業(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：很多人認為非隔離電源不如隔離電源好，因為隔離電源貴，所以肯定貴的就好。

 

為什么現在大家的印象當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中。因為前幾年非隔離的穩定性確實(shí)沒(méi)有隔離穩定，但隨著(zhù)研發(fā)技術(shù)的更新，現如今非隔離已經(jīng)非常成熟，日漸穩定。說(shuō)到安全性，其實(shí)現在非隔離電源也是很安全的，只要在結構稍微做下改動(dòng)，對人體還是很安全的，同樣的道理，非隔離電源也是可以過(guò)很多安規標準，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)高達三千伏，但時(shí)間很短，能量卻極強，在打雷時(shí)會(huì )發(fā)生，或是在同一條AC線(xiàn)上，當一個(gè)大的負載斷開(kāi)瞬間，因為電流慣性的原因也會(huì )發(fā)生，這個(gè)電壓進(jìn)入電源，對于非隔離BUCK電路，會(huì )瞬間傳達到輸出，擊壞恒流檢測環(huán)，或是進(jìn)一步擊壞芯片，造成300v直通，而燒掉整條燈管。對于隔離反激電源，會(huì )擊壞MOS,現象就是保管，芯片，MOS管全燒壞?，F在LED驅動(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)現象，均是浪涌電壓所致，而在LED電源里，表現的更加普遍，這是因為L(cháng)ED的負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，而是非隔離電路對于浪涌太敏感，抑制能力差，隔離電路，因為能量是先進(jìn)入變壓器，然后從變壓器再輸送到LED負載的。BUCK電路是輸入電源一部分直接加在了LED負載上，故前者對浪涌抑制和衰減能力強，所以浪涌來(lái)時(shí)損壞的機率小而已。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，因為只有LED燈具在大批量應用時(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，什么此電源不穩定就了結了，具體哪里不穩定，他不知道。

 

非隔離電源一是效率，二是成本上比較有優(yōu)勢。

 

非隔離電源適合的場(chǎng)合：首先，是室內的燈具，這種室內用電環(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，因為低壓大電流非隔離的效率并不比隔離的高，成本也低不到多少去。三，電壓相對較穩定的環(huán)境中使用非隔離電源。當然，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用范圍將大大拓寬！

 

隔離電源因為浪涌的問(wèn)題，損壞率也不可小覷，一般那種返修回來(lái)，擊壞保險，芯片，MOS的第一個(gè)應該想到是浪涌問(wèn)題。為了減少損壞率，在設計時(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)候都是因為浪涌這個(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，非隔離電源在節能，成本上都是很有優(yōu)勢的，所以要科學(xué)的選用非隔離還是隔離作為L(cháng)ED驅動(dòng)電源。

 

五、總結

 

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

 

 

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