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(yùn)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(hù)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(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度，這個GB-4943標(biāo)準(zhǔn)就是我們常說的信息類設(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(jìn)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(qiáng)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,。

圖1  GB-4943標(biāo)準(zhǔn)

2,、保護(hù)后級負(fù)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(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)的保護(hù)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(qiáng)壓直接的串?dāng)_和輻射傷害到了，避免高壓強(qiáng)壓對后級弱電的傷害,，隔離起到非常好的作用,。

圖2  后級負(fù)載損壞

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(dǎo)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(yuǎn)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(diǎn)單獨(dú)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(dǎo)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,。

圖3  儀器儀表

二,、如何實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)高輸出電壓精度,、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能,，滿足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。

圖4  光耦隔離方案

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(fù)載調(diào)整率性能比較差,。其實(shí)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(dá)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,。

圖5  原邊反饋采樣方案

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(rèn)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(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,，很多人的第一時間就想到采用工頻變換電路方案，因?yàn)榇朔桨副容^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)品最終性能,。

圖6  變壓器方案對比

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(jìn)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(jìn)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(jìn)行權(quán)衡,。

其一,，物料的選型。在專業(yè)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,，選擇最優(yōu)的所需物料規(guī)格,。

其二，電源模塊的PCB的設(shè)計,。因?yàn)槟K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)過程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來對待的,，如圖7所示,。

圖7  PCB設(shè)計要求

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(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮最優(yōu)性能，通常需要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。,，且很多性能指標(biāo)的測試還要深入細(xì)化到多點(diǎn)測試,、長時間的測試、重復(fù)反復(fù)測試和批量的測試,，所以測試一個產(chǎn)品或一個項(xiàng)目,，短則半個多月，多則一個月以上,。致遠(yuǎn)電子擁有全套的測試設(shè)備及測試流程,，如下表2所示。

表1  可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)

表2  測試設(shè)備

4,、行業(yè)應(yīng)用電路設(shè)計經(jīng)驗(yàn)

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(yuǎn)電子深耕電源模塊多年,，自03年第一款隔離DC-DC電源模塊面世以來,，得到了廣大用戶的青睞與認(rèn)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(jī)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。

圖8  公交POS機(jī)車載電源

圖9  BMS電源及信號隔離解決方案

四,、總結(jié)

ZLG致遠(yuǎn)電子自主研發(fā),、生產(chǎn)的隔離電源模塊，具有寬輸入電壓范圍,，隔離1000VDC,、1500VDC、3000VDC多個系列,，封裝形式多樣,，兼容國際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝,，也可根據(jù)項(xiàng)目的特殊情況,，提供量體裁衣的定制服務(wù)，為客戶定制特色功能、特別封裝的隔離電源,。致遠(yuǎn)電源模塊以其效率高,、輸入電壓范圍寬、體積小,、可靠性高,、耐沖擊、隔離特性好,，溫度范圍寬等特性，適用于做板級的供電電源,，廣泛應(yīng)用于電力,、工業(yè)自動化、通訊,、醫(yī)療,、交通、樓宇自動化,、儀器儀表和汽車電子等眾多領(lǐng)域,。