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[導(dǎo)讀]在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),倘若沒有考慮應(yīng)用環(huán)境對電源隔離的要求,產(chǎn)品到了應(yīng)用時(shí)就會出現(xiàn)因設(shè)計(jì)方案的不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)高壓損壞后級負(fù)載的情況,以及出現(xiàn)危害人身財(cái)產(chǎn)安全的情況。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要隔離至關(guān)重要。?隔離電源的選型要注意哪些事項(xiàng)?如何區(qū)分電源是隔離與非隔離?業(yè)內(nèi)通用的看法...

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),倘若沒有考慮應(yīng)用環(huán)境對電源隔離的要求,產(chǎn)品到了應(yīng)用時(shí)就會出現(xiàn)因設(shè)計(jì)方案的不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)高壓損壞后級負(fù)載的情況,以及出現(xiàn)危害人身財(cái)產(chǎn)安全的情況。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要隔離至關(guān)重要。

?隔離電源的選型要注意哪些事項(xiàng)?如何區(qū)分電源是隔離與非隔離?業(yè)內(nèi)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有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態(tài),沒有電流回路,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?fù)涠裕歉綦x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?fù)洹?/span>


結(jié)合常用的隔離與非隔離電源,我們從直觀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(xiàng)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(jié)構(gòu)很簡單,成本低,效率高,安全性能差。


因此,在如下幾個(gè)場合,建議用隔離電源:


①涉及可能觸電的場合,如從電網(wǎng)取電,轉(zhuǎn)成低壓直流的場合,需用隔離的AC-DC電源;


②串行通信總線通過RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)(CAN)等物理網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù),這些相互連接的系統(tǒng)每個(gè)都配備有自己的電源,而且各系統(tǒng)之間往往間隔較遠(yuǎn),因此,我們通常需要隔離電源進(jìn)行電氣隔離來確保系統(tǒng)的物理安全,且通過隔離切斷接地回路,來保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)的可靠運(yùn)行,也建議對I/O端口做電源隔離。

總結(jié)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(zhǔn)確的判斷:


①系統(tǒng)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(nèi)的IC或部分電路供電,從性價(jià)比和體積出發(fā),優(yōu)先選用非隔離的方案。


③ 對安全有要求的場合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)療用的電源,為保證人身的安全,必須用隔離電源,有些場合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。


④ 對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。


⑤ 對于采用電池供電,對續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場合,采用非隔離供電。


通過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(shè)計(jì),我們可總結(jié)出其選擇的場合。


1、隔離電源?


  • 系統(tǒng)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;

  • 對安全有要求的場合,如需接市電的AC-DC,或醫(yī)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(yīng)用 ;

  • 對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電,為有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。


2、非隔離電源

  • 電路板內(nèi)的IC或部分電路供電,從性價(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(yīng)用;

  • 對于工作電壓低于36V,采用電池供電,對續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場合,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:


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


一般場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(xiàng)


電源的隔離耐壓在GB-4943國標(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度,這個(gè)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。如下圖為隔離電源結(jié)構(gòu)圖。?


隔離電源結(jié)構(gòu)圖


作為模塊電源的重要指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了隔離耐壓相關(guān)測試方法,簡單的測試時(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(jì)的電壓設(shè)為規(guī)定的耐壓值,電流設(shè)為規(guī)定的漏電流值,時(shí)間設(shè)為規(guī)定的測試時(shí)間值;

操作耐壓計(jì)開始測試,開始加壓,在規(guī)定的測試時(shí)間內(nèi),模塊應(yīng)無擊穿,無飛弧現(xiàn)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(fù)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。


4、隔離電源模塊的生產(chǎn)工廠產(chǎn)線是否規(guī)范。電源模塊生產(chǎn)線需要通過ISO9001, ISO14001,OHSAS18001等多項(xiàng)國際認(rèn)證,如下圖3所示。

?圖3 ISO認(rèn)證


5、隔離電源模塊是否有應(yīng)用在工業(yè)、汽車等惡劣環(huán)境。電源模塊不僅僅大量應(yīng)用與惡劣的工業(yè)環(huán)境,同時(shí)在新能源汽車的BMS管理系統(tǒng)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(qū):很多人認(rèn)為非隔離電源不如隔離電源好,因?yàn)楦綦x電源貴,所以肯定貴的就好。

為什么現(xiàn)在大家的印象當(dāng)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(dāng)中。因?yàn)榍皫啄攴歉綦x的穩(wěn)定性確實(shí)沒有隔離穩(wěn)定,但隨著研發(fā)技術(shù)的更新,現(xiàn)如今非隔離已經(jīng)非常成熟,日漸穩(wěn)定。說到安全性,其實(shí)現(xiàn)在非隔離電源也是很安全的,只要在結(jié)構(gòu)稍微做下改動,對人體還是很安全的,同樣的道理,非隔離電源也是可以過很多安規(guī)標(biāo)準(zhǔn),例如:ULTUVSAACE等。

實(shí)際上非隔離電源損壞的根源就是電源AC線兩端的浪涌電壓所致,也可以這么說,雷擊浪涌吧,這種電壓是加在電壓AC線兩端的瞬間高壓,有時(shí)高達(dá)三千伏,但時(shí)間很短,能量卻極強(qiáng),在打雷時(shí)會發(fā)生,或是在同一條AC線上,當(dāng)一個(gè)大的負(fù)載斷開瞬間,因?yàn)殡娏鲬T性的原因也會發(fā)生,這個(gè)電壓進(jìn)入電源,對于非隔離BUCK電路,會瞬間傳達(dá)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,會擊壞MOS,現(xiàn)象就是保管,芯片,MOS管全燒壞?,F(xiàn)在LED驅(qū)動電源,在使用過程中壞的,80%以上都是這兩種類似現(xiàn)象。而且,小型開關(guān)電源,就算是電源適配器,也經(jīng)常損壞的是這個(gè)現(xiàn)象,均是浪涌電壓所致,而在LED電源里,表現(xiàn)的更加普遍,這是因?yàn)長ED的負(fù)載特性是特別的怕浪涌電壓的。

如果按照一般的理論來講,電子電路里,元器件越少,可靠性越高,相應(yīng)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?yàn)槟芰渴窍冗M(jìn)入變壓器,然后從變壓器再輸送到LED負(fù)載的。BUCK電路是輸入電源一部分直接加在了LED負(fù)載上,故前者對浪涌抑制和衰減能力強(qiáng),所以浪涌來時(shí)損壞的機(jī)率小而已。實(shí)際上,不隔離電源的問題主要是在于浪涌問題,目前這個(gè)問題,因?yàn)橹挥蠰ED燈具在大批量應(yīng)用時(shí),從概率上才能看出其解決的程度,所以很多人沒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(wěn)定就了結(jié)了,具體哪里不穩(wěn)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合:首先,是室內(nèi)的燈具,這種室內(nèi)用電環(huán)境較好,浪涌影響小。第二,使用的場合是高壓小電流,低壓大電流用非隔離沒有意義,因?yàn)榈蛪捍箅娏鞣歉綦x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(wěn)定的環(huán)境中使用非隔離電源。當(dāng)然,如果有辦法解決掉抑制浪涌的問題,那么非隔離電源的應(yīng)用范圍將大大拓寬!

隔離電源因?yàn)槔擞康膯栴},損壞率也不可小覷,一般那種返修回來,擊壞保險(xiǎn),芯片,MOS的第一個(gè)應(yīng)該想到是浪涌問題。為了減少損壞率,在設(shè)計(jì)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,盡量避免浪涌發(fā)生。(如室內(nèi)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?yàn)槔擞窟@個(gè)問題,而浪涌問題和用電環(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(jié)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LED驅(qū)動電源。




五、總結(jié)




五、總結(jié)

本文介紹了隔離電源和非隔離電源的區(qū)別,以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適應(yīng)場合,以及隔離電源的選型注意事項(xiàng),希望工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)能以此為參考,正確應(yīng)用電源在產(chǎn)品的研發(fā)中,以及在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后,快速定位問題所在。


END
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