从隔离电源的原理揭晓隔离电压与爬电距离有什么关系?

2018-10-12 17:19:39 来源:eepw
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随着嵌入式行业的快速发展,在各种行业应用中电源要求也越来越高,为保证系统的稳定性,隔离电源应运而生。但隔离电源中关键指标——隔离电压指的是什么?与爬电距离有什么关系?本文将从隔离电源的原理为你揭晓。


微电子行业的高速发展,产品使用场合的电磁环境也越来越复杂,产品的稳定性也受到很大的影响。嵌入式产品的生产公司对产品加入各种隔离器件或隔离电路来减少工作现场的干扰,增强设备稳定性。

 

电源作为嵌入式设备能源供给部分,是产品稳定工作的前提。电源的隔离尤为重要,电源隔离模块的应用也成为嵌入式设备设计的必备品。

 

在工业设备中,要求两个设备之间的电源隔离,采用带变压器的直流变换器,将两个电源之间隔开,使他们相互独立,从而减少外界干扰!

 

一、隔离电源的隔离耐压和爬电距离介绍

1、隔离电源的隔离耐压介绍

 


图1 隔离电源内部框图

 

如图1所示,隔离DC-DC电源模块内部框图。

 

隔离耐压指的是两个没有直接电气连接的系统所能承受的最高绝缘电压。

 

电源隔离使用场合不同,对应的参数选择也不用。如:AD-DC电源隔离,一般的工业场合要求隔离耐压在3000VAC到4000VAC;DC-DC电源隔离一般工业场合要求1000VDC到2000VDC,特殊行业可能会高,医疗行业有要求6000VDC。

 

首先区别一下各项电压指标的单位,常见的又ADC、VAC和RMS,具体如下所示。

 

VAC/VDC分别指交流电压与直流电压,但隔离耐压中交流与直流不能简单的进行换算,例如,3000VAC的幅值电压有4242V,但在实际应用中隔离耐压3000VAC与4242VDC并不等效。具体原因包括两点,其一,对于隔离模块,输入输出之间是存在隔离电容,对于直流信号,电容的阻抗无限大,因此隔离电容的大小对于直流信号没有太大的影响,而对于交流信号就会有较大的影响,表现在漏电流会变大,或者直接超标,系统报警。第二,AC与DC的另一个区别在于频率会影响绝缘介质的介电常数,频率会导致绝缘介质的介电常数降低,通常介电常数越高,绝缘能力越强。

 

RMS是指真有效值,简单而言即代表交流电相当于直流电在单位时间内所做的功。也就是真有效值为10V的交流电与10V的直流电对相同的负载在相同的时间下所做的功相同。该单位通常不作为隔离耐压的计量单位。

 

2、隔离电源爬电距离介绍

如何保证隔离耐压的稳定性和安全性,保证隔离电源模块不被击穿,我们就要计算爬电距离。两个导电部件之间,或一个导电部件与设备及易接触表面之间沿绝缘材料表面测量的最短空间距离沿绝缘表面放电的距离即泄漏距离也称爬电距离,爬电距里=表面距离/系统最高电压,根据污秽程度不同。


图2 爬电距离示意图

 

在IEC60950、GB4943-2011标准中,规定了不同电压等级需要的最小安全距离,而安全距离又包括电气间距和爬电距离两种。对于开关电源主要需要保证最小安全距离的地方有以下两个方面:

 

一次侧电路对外壳(保护地)的安全距离;

一次侧电路对二次侧电路之间的安全距离。

 

隔离电源相较于非隔离电源的优劣势如下图3所示。

 


图3 隔离电源与非隔离电源对比

 

二、隔离电源的应用

嵌入式产品的应用场合各种干扰都会对产品的稳定性带来威胁,在产品设计阶段,选择好的隔离电源模块和隔离通信模块,能有效的屏蔽使用环境带来的干扰,对产品的稳定工作带来保障。

 

我们经常会在媒体上看见一些手机充电爆炸,手机充电时触电的新闻报道。隔离电源模块能够很好的保证产品的稳定工作,更重要的是保护使用者的生命和财产安全。

 

隔离电源目前使用有两种方式,器件分立搭建与采用DC-DC电源模块,对比如下所示。

 

1、方案选择

在产品性能需求稍微明了之后,那接下来就是开始设计开发了,首先要做的就是电路方案的选取了,下面为大家列举一些比较常见的“反面教材”。

 

比如设计开发一个市电交流输入转直流输出的,很多人的第一时间就想到采用工频变换电路方案,因为此方案比较简单,一个工频变压器,再加上个整流滤波就可以搞定,如下图4所示。使用此方案的产品的效率非常低,并且产品的体积会非常之大,在应用中还伴随着让人非常闹心的工频涡流声。而模块方案选用合适的变压器,并且多重工序层层保证变压器的产品一致性,保证产品最终性能。

 


图4 变压器方案对比

 

2、物料选型及PCB设计

电路方案确定之后,接下来就需要进行产品性能参数的设计,要对电路方案中的电子元器件进行参数设计、计算与结构物料选型,在这个环节必须从多方面进行权衡。

 

其一,物料的选型。在专业的模块电源厂商就可以做到兼得,会根据产品的不同规格需求,不同的应用条件,舍掉无需的物料规格,选择最优的所需物料规格。

 

其二,电源模块的PCB的设计。因为模块电源产品有模块电源的PCB设计规范要求,它要考虑散热设计、EMC设计、干扰设计和生产工艺设计等等,涉及的内容非产多,所以PCB设计在模块电源产品开发过程中是作为最重要的环节之一来对待的,如图5所示。

 


图5 PCB设计要求

 

致远电子隔离DC-DC电源可为用户系统提供稳定、可靠的驱动电压,并有效解决静电、浪涌所导致的供电不稳问题,是板内数据采集、通讯等子系统供电的理想方案。隔离电压等级覆盖1000VDC-6000VDC,满足所有工况需求。

 

与传统的设计相比,致远电子定压系列隔离电源模块从拓扑结构、芯片方案到元器件均采用业内最优方案 ,具备更高的集成度与可靠性, 能够为用户I/O及通信隔离等应用提供标准、可靠的解决方案。

 

 
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