關于隔離電源的隔離耐壓和爬電距離介紹

本文導讀

隨著嵌入式行業(yè)的快速發(fā)展，在各種行業(yè)應用中電源要求也越來越高，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隔離電源應運而生。但隔離電源中關鍵指標——隔離電壓指的是什么？與爬電距離有什么關系？本文將從隔離電源的原理為你揭曉。

微電子行業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品使用場合的電磁環(huán)境也越來越復雜，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也受到很大的影響。嵌入式產(chǎn)品的生產(chǎn)公司對產(chǎn)品加入各種隔離器件或隔離電路來減少工作現(xiàn)場的干擾，增強設備穩(wěn)定性。

電源作為嵌入式設備能源供給部分，是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的前提。電源的隔離尤為重要，電源隔離模塊的應用也成為嵌入式設備設計的必備品。

在工業(yè)設備中，要求兩個設備之間的電源隔離，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個電源之間隔開，使他們相互獨立，從而減少外界干擾！

圖1 隔離電源內(nèi)部框圖

如圖1所示，隔離DC-DC電源模塊內(nèi)部框圖。

隔離耐壓指的是兩個沒有直接電氣連接的系統(tǒng)所能承受的最高絕緣電壓。

電源隔離使用場合不同，對應的參數(shù)選擇也不用。如：AD-DC電源隔離，一般的工業(yè)場合要求隔離耐壓在3000VAC到4000VAC；DC-DC電源隔離一般工業(yè)場合要求1000VDC到2000VDC，特殊行業(yè)可能會高，醫(yī)療行業(yè)有要求6000VDC。

首先區(qū)別一下各項電壓指標的單位，常見的又ADC、VAC和RMS，具體如下所示。

VAC/VDC分別指交流電壓與直流電壓，但隔離耐壓中交流與直流不能簡單的進行換算，例如，3000VAC的幅值電壓有4242V，但在實際應用中隔離耐壓3000VAC與4242VDC并不等效。

具體原因包括兩點：

1、對于隔離模塊，輸入輸出之間是存在隔離電容，對于直流信號，電容的阻抗無限大，因此隔離電容的大小對于直流信號沒有太大的影響，而對于交流信號就會有較大的影響，表現(xiàn)在漏電流會變大，或者直接超標，系統(tǒng)報警。

2、AC與DC的另一個區(qū)別在于頻率會影響絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，頻率會導致絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)降低，通常介電常數(shù)越高，絕緣能力越強。

RMS是指真有效值，簡單而言即代表交流電相當于直流電在單位時間內(nèi)所做的功。也就是真有效值為10V的交流電與10V的直流電對相同的負載在相同的時間下所做的功相同。該單位通常不作為隔離耐壓的計量單位。

如何保證隔離耐壓的穩(wěn)定性和安全性，保證隔離電源模塊不被擊穿，我們就要計算爬電距離。兩個導電部件之間,或一個導電部件與設備及易接觸表面之間沿絕緣材料表面測量的最短空間距離沿絕緣表面放電的距離即泄漏距離也稱爬電距離，爬電距里=表面距離/系統(tǒng)最高電壓，根據(jù)污穢程度不同。

圖2 爬電距離示意圖

在IEC60950、GB4943-2011標準中，規(guī)定了不同電壓等級需要的最小安全距離，而安全距離又包括電氣間距和爬電距離兩種。對于開關電源主要需要保證最小安全距離的地方有以下兩個方面：

1、一次側(cè)電路對外殼（保護地）的安全距離；

2、一次側(cè)電路對二次側(cè)電路之間的安全距離。

隔離電源相較于非隔離電源的優(yōu)劣勢如下圖3所示。

圖3 隔離電源與非隔離電源對比

嵌入式產(chǎn)品的應用場合各種干擾都會對產(chǎn)品的穩(wěn)定性帶來威脅，在產(chǎn)品設計階段，選擇好的隔離電源模塊和隔離通信模塊，能有效的屏蔽使用環(huán)境帶來的干擾，對產(chǎn)品的穩(wěn)定工作帶來保障。

我們經(jīng)常會在媒體上看見一些手機充電爆炸，手機充電時觸電的新聞報道。隔離電源模塊能夠很好的保證產(chǎn)品的穩(wěn)定工作，更重要的是保護使用者的生命和財產(chǎn)安全。

隔離電源目前使用有兩種方式，器件分立搭建與采用DC-DC電源模塊，對比如下所示。

在產(chǎn)品性能需求稍微明了之后，那接下來就是開始設計開發(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”。

比如設計開發(fā)一個市電交流輸入轉(zhuǎn)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4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?qū)訉颖ＷC變壓器的產(chǎn)品一致性，保證產(chǎn)品最終性能。

圖4 變壓器方案對比

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

1、物料的選型。在專業(yè)的模塊電源廠商就可以做到兼得，會根據(jù)產(chǎn)品的不同規(guī)格需求，不同的應用條件，舍掉無需的物料規(guī)格，選擇最優(yōu)的所需物料規(guī)格。

2、電源模塊的PCB的設計。因為模塊電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設計規(guī)范要求，它要考慮散熱設計、EMC設計、干擾設計和生產(chǎn)工藝設計等等，涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多，所以PCB設計在模塊電源產(chǎn)品開發(fā)過程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來對待的，如圖5所示。

圖5 PCB設計要求

ZLG致遠電子隔離DC-DC電源可為用戶系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動電壓，并有效解決靜電、浪涌所導致的供電不穩(wěn)問題，是板內(nèi)數(shù)據(jù)采集、通訊等子系統(tǒng)供電的理想方案。隔離電壓等級覆蓋1000VDC-6000VDC，滿足所有工況需求。

與傳統(tǒng)的設計相比，ZLG致遠電子定壓系列隔離電源模塊從拓撲結(jié)構、芯片方案到元器件均采用業(yè)內(nèi)最優(yōu)方案，具備更高的集成度與可靠性，能夠為用戶I/O及通信隔離等應用提供標準、可靠的解決方案。