電源是電子系統(tǒng)的心臟,，工業(yè)應(yīng)用中,，為系統(tǒng)前級(jí)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(jì)方案，但你真的能夠設(shè)計(jì)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(guó)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(shuō)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(guó)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(jí)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(méi)有進(jìn)行隔離的話,，可能就會(huì)直接物理和電氣傷害,。在醫(yī)療行業(yè)，對(duì)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(gè)毫安的漏電流就可以?shī)Z走一個(gè)病人的生命,。

圖1  GB-4943標(biāo)準(zhǔn)

2,、保護(hù)后級(jí)負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)

隔離型電源輸入與輸出隔離分開(kāi)，在電源產(chǎn)品出現(xiàn)異常時(shí),，可對(duì)后級(jí)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(duì)后級(jí)弱電的傷害，隔離起到非常好的作用,。

圖2  后級(jí)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(hào)的傳播路徑,，有效降低地電勢(shì)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(duì)干擾信號(hào)比較敏感的后級(jí)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(lái)越廣泛的應(yīng)用，在對(duì)于遠(yuǎn)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(jié)點(diǎn)單獨(dú)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(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(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)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(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(duì)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(guò)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(méi)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(jì)產(chǎn)品時(shí),，電源的方案選擇會(huì)有這么一種想法，會(huì)認(rèn)為不就那幾個(gè)物料,，都知道物料型號(hào),，并且都知道它們的單價(jià)，電源模塊的價(jià)格相對(duì)于物料的成本顯得較為昂貴,，這部分用戶想通過(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(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)市電交流輸入轉(zhuǎn)直流輸出的,，很多人的第一時(shí)間就想到采用工頻變換電路方案,，因?yàn)榇朔桨副容^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(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(duì)比

2,、物料選型及PCB設(shè)計(jì)

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(shù)的設(shè)計(jì),，要對(duì)電路方案中的電子元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),、計(jì)算與結(jié)構(gòu)物料選型，在這個(gè)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(huì)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(wú)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(jì)。因?yàn)槟K電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范要求,，它要考慮散熱設(shè)計(jì),、EMC設(shè)計(jì)、干擾設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等等,，涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多,，所以PCB設(shè)計(jì)在模塊電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來(lái)對(duì)待的，如圖7所示,。

圖7  PCB設(shè)計(jì)要求

3,、可靠性測(cè)試

產(chǎn)品開(kāi)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(gè)性能測(cè)試、容差測(cè)試,、瞬態(tài)條件測(cè)試,、可靠性測(cè)試、EMC電磁兼容測(cè)試,、高低溫測(cè)試,、極限測(cè)試、壽命測(cè)試,、安規(guī)測(cè)試等測(cè)試,，標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。,，且很多性能指標(biāo)的測(cè)試還要深入細(xì)化到多點(diǎn)測(cè)試,、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試、重復(fù)反復(fù)測(cè)試和批量的測(cè)試,，所以測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)項(xiàng)目,，短則半個(gè)多月，多則一個(gè)月以上,。致遠(yuǎn)電子擁有全套的測(cè)試設(shè)備及測(cè)試流程,，如下表2所示。

表1  可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

表2  測(cè)試設(shè)備

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

話說(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(duì)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(duì)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(lái),，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(hào)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(hào)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(gè)系列，封裝形式多樣,，兼容國(guó)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(jí)的供電電源,，廣泛應(yīng)用于電力,、工業(yè)自動(dòng)化、通訊,、醫(yī)療,、交通,、樓宇自動(dòng)化、儀器儀表和汽車電子等眾多領(lǐng)域,。