非隔離電源你所不知道的優(yōu)勢(shì)

你是不是認(rèn)為所有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的電源都應(yīng)該使用隔離方案來(lái)提高可靠性呢?那你可能就走進(jìn)了電源使用的誤區(qū)了，或許非隔離電源方案更適合你，這里將為你一一揭曉。

對(duì)電源進(jìn)行隔離的初衷是為了將電源的前級(jí)設(shè)備與后級(jí)設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)，即使是前級(jí)設(shè)備出了問(wèn)題也不會(huì)損壞后級(jí)設(shè)備。但在工作環(huán)境良好或整個(gè)系統(tǒng)的地是共用的場(chǎng)合中使用隔離電源的意義就并不大了，此時(shí)可以就使用非隔離電源，其電路拓?fù)涓?jiǎn)單，體積更小，效率極高并且具備短路保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能。以下是容易被大家小看的高性能電源方案。

一、非隔離BUCK電源拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)

首先，非隔離Buck拓?fù)潆娐菲骷?，電路?jiǎn)單。如下圖1所示，控制器通過(guò)控制Buck電路的開(kāi)關(guān)MOSFET管T1并讓它工作在截止或飽和區(qū)來(lái)使輸入輸出達(dá)到伏秒平衡，從而得到我們所期望的輸出電壓。

其次，其相較于隔離電源轉(zhuǎn)換效率更高。由于少了變壓器的能量傳遞損耗，與使晶體管工作在放大區(qū)的傳統(tǒng)LDO三端穩(wěn)壓器比起來(lái)?yè)p耗更低，如下圖2所示，兩者裸機(jī)大小差不多，但LDO線性電源由于效率低需要加散熱片，而非隔離BUCK電源可直接用電路中無(wú)需散熱片。

圖1 經(jīng)典Buck拓?fù)潆娐?/p>

圖2 傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓(左)與BUCK穩(wěn)壓(右)

二、集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片

你可能會(huì)疑問(wèn)，非隔離Buck電源為什么能夠有這樣的優(yōu)勢(shì)呢?

非隔離Buck電源之所以能有這樣的優(yōu)勢(shì)，(是由于使用了高集成的Buck芯片)是由于使用了集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片，該芯片以Buck拓?fù)錇榭蚣軐⒏鞣N保護(hù)電路嵌入芯片內(nèi)，使得Buck降壓電源模塊更加安全可靠。下圖3為某品牌的小體積降壓轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部電路框圖，其尺寸長(zhǎng)寬僅為3mm x 2mm，具有短路保護(hù)、過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能，電路環(huán)路采用電壓、電流雙環(huán)控制，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，擁有不錯(cuò)的電壓調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率，并且該類IC為了提高輕載效率，在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入調(diào)頻模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率及損耗來(lái)提高輕載效率。

圖3 集成Buck電源轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部框圖

三、Buck非隔離降壓模塊性能與可靠性

采用集成Buck降壓轉(zhuǎn)換芯片為方案的非隔離電源模塊不僅體積更小，且各項(xiàng)性能較優(yōu)越。在Buck的設(shè)計(jì)中除了考慮基本的性能參數(shù)，還需要考慮什么呢?

以廣州致遠(yuǎn)電子公司自主研發(fā)的型號(hào)為E7815OS-500的非隔離降壓開(kāi)板式電源模塊為例，該型號(hào)的基本參數(shù)如下表1所示。各項(xiàng)參數(shù)均為行業(yè)領(lǐng)先水平，且在10%負(fù)載下的轉(zhuǎn)換效率更是高達(dá)91%。

表1 E7815OS-500基本性能參數(shù)

除了基本參數(shù)，我們更多需要考慮的是它的可靠性。我們都知道，電子設(shè)備的可靠性及使用壽命與其模塊中電子器件的溫度、電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力及所處的環(huán)境溫度有關(guān)。模塊中關(guān)鍵電子器件工作的環(huán)境越惡劣，電子器件的工作溫度越高可靠性與壽命就越低，一般器件的最大工作結(jié)溫為150℃，工作結(jié)溫的降額越充足，則器件的可靠性就越高。

如下表2所示為該電源模塊在常溫25℃下，從低壓19V到高壓36V各關(guān)鍵電子器件的溫度熱成像圖片，從圖中可以看出該模塊的關(guān)鍵器件表面最高溫度不超過(guò)80℃，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算其內(nèi)部結(jié)溫不超過(guò)100℃，可保證模塊的可靠性。

表2 關(guān)鍵器件溫度

如下表3所示為集成IC內(nèi)部MOSFET與外部續(xù)流二極管在常溫25℃下的實(shí)測(cè)電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力，其電壓、電流應(yīng)力留有一定裕量保證模塊可靠性。

表3 關(guān)鍵器件電壓、電流應(yīng)力

四、在應(yīng)用中怎樣提高非隔離電源的可靠性

設(shè)計(jì)完一款非隔離電源之后，我們要如何保證在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)揮其優(yōu)越的性能呢?

首先要明確的是非隔離模塊雖然沒(méi)有隔離前后級(jí)的特性，但只要在一些應(yīng)用場(chǎng)合中提高它的可靠性是完全可以不需要具有隔離功能的電源模塊，因此提高非隔離電源的應(yīng)用可靠性是極其重要的。

從使用者出發(fā)，做到預(yù)留充足的余量。大多數(shù)電源設(shè)計(jì)工程師在權(quán)衡性能指標(biāo)、器件成本下，往往做不到把所有電子器件的安全工作裕量留得很足，在某些異常情況下想要更好的提高模塊的可靠性，應(yīng)用的工程師除了要按照數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求使用外，在選用模塊時(shí)也要留有30%以上的降額，這里的降額不僅指輸出負(fù)載的降額，也指輸入電壓的降額。例如：如下表4所示，型號(hào)為E7815OS-500的非隔離電源模塊輸入電壓在24V以下時(shí)效率較高，而負(fù)載在50%~70%內(nèi)效率較高且穩(wěn)定，則可以選擇在輸入電壓為19V~24V、負(fù)載為50%~70%內(nèi)使用可靠性相對(duì)安全性較高。

從開(kāi)發(fā)人員出發(fā)，設(shè)計(jì)進(jìn)行完善的可靠性測(cè)試。當(dāng)然，除了對(duì)輸入電壓、負(fù)載電流進(jìn)行降額使用以外，還可以增加外圍電路通過(guò)電磁兼容(EMC)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)提高它的可靠性。

表4 效率與電壓、負(fù)載關(guān)系曲線圖