【導讀】電源是電子系統的心臟，工業(yè)應用中，為系統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。
電源是電子系統的心臟，工業(yè)應用中，為系統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(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(chǎn)品等，沒(méi)有進(jìn)行隔離的話(huà)，可能就會(huì )直接物理和電氣傷害。在醫療行業(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(gè)毫安的漏電流就可以?shī)Z走一個(gè)病人的生命。
2、保護后級負載設備和系統
隔離型電源輸入與輸出隔離分開(kāi)，在電源產(chǎn)品出現異常時(shí)，可對后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(shí)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。
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(xiàn)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使用及集成，像儀器儀表、數據采集儀、嵌入式系統等高精度高要求的產(chǎn)品或系統，已被越來(lái)越廣泛的應用，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(gè)通信節點(diǎn)單獨供電。同時(shí)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，且在系統中可輕松完成輸出接線(xiàn)，而不與主接地發(fā)生沖突。
二、如何實(shí)現電源隔離
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(shí)現初級側與次級側之間的電氣隔離。這種方式，電路簡(jiǎn)單成熟普遍，較容易實(shí)現，能實(shí)現高輸出電壓精度、線(xiàn)性調整率和負載調整率性能，滿(mǎn)足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。
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(xiàn)性調整率和負載調整率性能比較差。其實(shí)行業(yè)內也有人研究過(guò)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，且儀器設備投入成本非常高，就基本沒(méi)有再被研究推廣使用。
三、自主搭建VS模塊方案
目前有部分工程師在設計產(chǎn)品時(shí)，電源的方案選擇會(huì )有這么一種想法，會(huì )認為不就那幾個(gè)物料，都知道物料型號，并且都知道它們的單價(jià)，電源模塊的價(jià)格相對于物料的成本顯得較為昂貴，這部分用戶(hù)想通過(guò)分立器件自行搭建，下面就讓我從幾點(diǎn)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(lái)就是開(kāi)始設計開(kāi)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(jiàn)的“反面教材”。
比如設計開(kāi)發(fā)一個(gè)市電交流輸入轉直流輸出的，很多人的時(shí)間就想到采用工頻變換電路方案，因為此方案比較簡(jiǎn)單，一個(gè)工頻變壓器，再加上個(gè)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(huì )非常之大，在應用中還伴隨著(zhù)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，并且多重工序層層保證變壓器的產(chǎn)品一致性，保證產(chǎn)品終性能。
2、物料選型及PCB設計
電路方案確定之后，接下來(lái)就需要進(jìn)行產(chǎn)品性能參數的設計，要對電路方案中的電子元器件進(jìn)行參數設計、計算與結構物料選型，在這個(gè)環(huán)節必須從多方面進(jìn)行權衡。
其一，物料的選型。在的模塊電源廠(chǎng)商就可以做到兼得，會(huì )根據產(chǎn)品的不同規格需求，不同的應用條件，舍掉無(wú)需的物料規格，選擇的所需物料規格。
其二，電源模塊的PCB的設計。因為模塊電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設計規范要求，它要考慮散熱設計、EMC設計、干擾設計和生產(chǎn)工藝設計等等，涉及的內容非產(chǎn)多，所以PCB設計在模塊電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中是作為重要的環(huán)節之一來(lái)對待的，如圖7所示。
3、可靠性測試
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成之后，并不能直接應用，為保證產(chǎn)品在實(shí)際應用中發(fā)揮性能，通常需要進(jìn)行輸入輸出的每個(gè)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(diǎn)測試、長(cháng)時(shí)間的測試、重復反復測試和批量的測試，所以測試一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)項目，短則半個(gè)多月，多則一個(gè)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。
4、行業(yè)應用電路設計經(jīng)驗
話(huà)說(shuō)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(zhù)千百種形態(tài)，要想制作出符合自身行業(yè)應用的電源產(chǎn)品，這對于DIY用戶(hù)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(lái)，得到了廣大用戶(hù)的青睞與認可，迄今已為諸多電子行業(yè)用戶(hù)提供了不同需求的電源隔離解決方案，例如公交POS機車(chē)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。
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