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隔離電源你所不知道的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

來源: 發(fā)布時(shí)間:2018-05-09 11:33:03 次瀏覽

電源電子系統(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奪走一個(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,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(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(jì)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(jì)開發(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)?a href="http://eerien.com" target="_blank" class="autolink">模塊電源產(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)品開發(fā)過程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來對(duì)待的,如圖7所示。

 

 

圖7  PCB設(shè)計(jì)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(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(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(shí)間的測試、重復(fù)反復(fù)測試和批量的測試,所以測試一個(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(jì)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(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。卓軒電子科技深耕電源模塊多年,自第一款隔離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(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)

卓軒電子科技自主研發(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。卓軒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。

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