電源隔離與非隔離的概念

在給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源電路，或選用成品電源模塊時(shí)，要考慮的重要問題之一就是用隔離還是非隔離的電源方案。在進(jìn)行討論之前，我們先了解下隔離與非隔離的概念，及兩者的主要特點(diǎn)。

一

電源隔離與非隔離的概念

電源的隔離與非隔離，主要是針對(duì)開關(guān)電源而言，業(yè)內(nèi)比較通用的看法是： 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。 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。 隔離電源示意圖如圖所示。

二

隔離電源與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

由上述概念可知，對(duì)于常用的電源拓?fù)涠?，非隔離電源主要有：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? 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(duì)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(jiǎn)單，成本低，效率高，安全性能差。 因此，在如下幾個(gè)場(chǎng)合，建議用隔離電源： 1、涉及可能觸電的場(chǎng)合，如從電網(wǎng)取電，轉(zhuǎn)成低壓直流的場(chǎng)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(lái)確保系統(tǒng)的物理安全，且通過隔離切斷接地回路，來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊，同時(shí)減少信號(hào)失真；
3、對(duì)外的I/O端口，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也建議對(duì)I/O端口做電源隔離。

三

隔離與非隔離電源的應(yīng)用場(chǎng)合

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(shì)，對(duì)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(jí)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(duì)安全有要求的場(chǎng)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(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。 4、對(duì)于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢(shì)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(duì)于采用電池供電，對(duì)續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合，采用非隔離供電。

四

抗電強(qiáng)度

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(cè)試方法，簡(jiǎn)單的測(cè)試時(shí)一般采用等電位連接測(cè)試，連接示意圖如下：

隔離耐壓測(cè)試示意圖測(cè)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(cè)試時(shí)間值； 操作耐壓計(jì)開始測(cè)試，開始加壓，在規(guī)定的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，模塊應(yīng)無(wú)擊穿，無(wú)飛弧現(xiàn)象。 注意在測(cè)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。

五

那么隔離電源與非隔離電源比較有什么的優(yōu)缺點(diǎn)呢?

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(shì)，對(duì)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(duì)安全有要求的場(chǎng)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(chǎng)合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。 一般場(chǎng)合使用對(duì)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。

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