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隔離電源你所不知道的設計細節

來源: 發布時間:2018-05-09 11:33:03 次瀏覽

電源電子系統的心臟,工業應用中,為系統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運而生。你或許知道隔離電源的設計方案,但你真的能夠設計出一款穩定的電源嗎?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國標中又叫抗電強度,這個GB-4943標準就是我們常說的信息類設備的安全標準,就是為了防止人員受到物理和電氣傷害的國家標準,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為隔離電源結構圖。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的鐵路應用模塊電源、光伏應用的1200VDC模塊電源產品等,沒有進行隔離的話,可能就會直接物理和電氣傷害。在醫療行業,對電源的隔離要求更高,一般都要求是加強絕緣隔離,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標準

 

2、保護后級負載設備和系統

隔離型電源輸入與輸出隔離分開,在電源產品出現異常時,可對后級負載設備和系統的保護作用,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品,電路板上一大片面積的元器件被炸飛碳化掉,其實很多器件是被高壓強壓直接的串擾和輻射傷害到了,避免高壓強壓對后級弱電的傷害,隔離起到非常好的作用。

 

 

圖2  后級負載損壞

 

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使用及集成,像儀器儀表、數據采集儀、嵌入式系統等高精度高要求的產品或系統,已被越來越廣泛的應用,在對于遠程工業通信的供電上,一般都用隔離電源為每個通信節點單獨供電。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,且在系統中可輕松完成輸出接線,而不與主接地發生沖突。

 

 

圖3  儀器儀表

 

二、如何實現電源隔離

目前業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現初級側與次級側之間的電氣隔離。這種方式,電路簡單成熟普遍,較容易實現,能實現高輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能,滿足目前電子產品的高性能要求。

 

 

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、線性調整率和負載調整率性能比較差。其實行業內也有人研究過采用壓電陶瓷隔離,全新技術,性能很難達到前面兩種方式,且儀器設備投入成本非常高,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計產品時,電源的方案選擇會有這么一種想法,會認為不就那幾個物料,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,下面就讓我從幾點給你講解,為什么要選擇采購電源模塊產品使用。

 

1、方案選擇

在產品性能需求稍微明了之后,那接下來就是開始設計開發了,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”。

 

比如設計開發一個市電交流輸入轉直流輸出的,很多人的第一時間就想到采用工頻變換電路方案,因為此方案比較簡單,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。使用此方案的產品的效率非常低,并且產品的體積會非常之大,在應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,并且多重工序層層保證變壓器的產品一致性,保證產品最終性能。

 

 

圖6  變壓器方案對比

 

2、物料選型及PCB設計

電路方案確定之后,接下來就需要進行產品性能參數的設計,要對電路方案中的電子元器件進行參數設計、計算與結構物料選型,在這個環節必須從多方面進行權衡。

 

其一,物料的選型。在專業的模塊電源廠商就可以做到兼得,會根據產品的不同規格需求,不同的應用條件,舍掉無需的物料規格,選擇最優的所需物料規格。

 

其二,電源模塊的PCB的設計。因為模塊電源產品有模塊電源的PCB設計規范要求,它要考慮散熱設計、EMC設計、干擾設計和生產工藝設計等等,涉及的內容非產多,所以PCB設計在模塊電源產品開發過程中是作為最重要的環節之一來對待的,如圖7所示。

 

 

圖7  PCB設計要求

 

3、可靠性測試

產品開發完成之后,并不能直接應用,為保證產品在實際應用中發揮最優性能,通常需要進行輸入輸出的每個性能測試、容差測試、瞬態條件測試、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、安規測試等測試,標準如下表1所示。,且很多性能指標的測試還要深入細化到多點測試、長時間的測試、重復反復測試和批量的測試,所以測試一個產品或一個項目,短則半個多月,多則一個月以上。致遠電子擁有全套的測試設備及測試流程,如下表2所示。

 

表1  可靠性測試標準

 

 

表2  測試設備

 

 

4、行業應用電路設計經驗

話說得好“隔行如隔山”,雖然電源是極其通用的產品,但各行各業對于電源的需求有著千百種形態,要想制作出符合自身行業應用的電源產品,這對于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可,迄今已為諸多電子行業用戶提供了不同需求的電源隔離解決方案,例如公交POS機車載電源,如下圖8所示;BMS全套系統解決方案,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機車載電源

 

 

圖9  BMS電源及信號隔離解決方案

 

四、總結

卓軒電子科技自主研發、生產的隔離電源模塊,具有寬輸入電壓范圍,隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC多個系列,封裝形式多樣,兼容國際標準的SIP、DIP等封裝,也可根據項目的特殊情況,提供量體裁衣的定制服務,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,適用于做板級的供電電源,廣泛應用于電力、工業自動化、通訊、醫療、交通、樓宇自動化、儀器儀表和汽車電子等眾多領域。

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