在给嵌入式系统设计电源电路,或选用成品电源模块时,要考虑的重要问题之一就是用隔离还是非隔离的电源方案。在进行讨论之前,我们先了解下隔离与非隔离的概念,及两者的主要特点。

 

一、电源隔离与非隔离的概念

电源的隔离与非隔离,主要是针对开关电源而言,业内比较通用的看法是:

1、隔离电源:电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入和输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路。

2、非隔离电源:输入和输出之间有直接的电流回路,例如,输入和输出之间是共地的。

 

隔离电源示意图如图所示。

 

 

二、隔离电源与非隔离电源的优缺点

由上述概念可知,对于常用的电源拓扑而言,非隔离电源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost 等;而隔离电源主要有各种带隔离变压器的反激、正激、半桥、LLC 等拓扑。

 

结合常用的隔离与非隔离电源,我们从直观上就可得出它们的一些优缺点,两者的优缺点几乎是相反的。

 

使用隔离或非隔离的电源,需了解实际项目对电源的需求是怎样的,但在此之前,可了解下隔离和非隔离电源的主要差别:

1、隔离模块的可靠性高,但成本高,效率差点。
2、非隔离模块的结构很简单,成本低,效率高,安全性能差。


因此,在如下几个场合,建议用隔离电源:

1、涉及可能触电的场合,如从电网取电,转成低压直流的场合,需用隔离的 AC-DC 电源;
2、串行通信总线通过 RS-232、RS-485 和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据,这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源,而且各系统之间往往间隔较远,因此,我们通常需要隔离电源进行电气隔离来确保系统的物理安全,且通过隔离切断接地回路,来保护系统免受瞬态高电压冲击,同时减少信号失真;
3、对外的 I/O 端口,为保证系统的可靠运行,也建议对 I/O 端口做电源隔离。

 

 

 

 

三、隔离与非隔离电源的应用场合

通过了解隔离与非隔离电源的优缺点可知,它们各有优势,对于一些常用的嵌入式供电选择,我们已可做成准确的判断:

1、 系统前级的电源,为提高抗干扰性能,保证可靠性,一般用隔离电源。

2、 电路板内的 IC 或部分电路供电,从性价比和体积出发,优先选用非隔离的方案。

3、 对安全有要求的场合,如需接市电的 AC-DC,或医疗用的电源,为保证人身的安全,必须用隔离电源,有些场合还必须用加强隔离的电源。

4、 对于远程工业通信的供电,为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响,一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。

5、 对于采用电池供电,对续航力要求严苛的场合,采用非隔离供电。

 

 四、抗电强度

电源的隔离耐压在 GB-4943 国标中又叫抗电强度,这个 GB-4943 标准就是我们常说的信息类设备的安全标准,就是为了防止人员受到物理和电气伤害的国家标准,其中包括避免人受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。如下图为隔离电源结构图。

 

                                              隔离电源结构图

作为模块电源的重要指标,标准中也规定了隔离耐压相关测试方法,简单的测试时一般采用等电位连接测试,连接示意图如下:

 

                                                隔离耐压测试示意图

 

测试方法:

将耐压计的电压设为规定的耐压值,电流设为规定的漏电流值,时间设为规定的测试时间值;

操作耐压计开始测试,开始加压,在规定的测试时间内,模块应无击穿,无飞弧现象。

 

注意在测试时焊接电源模块要选取合适的温度,避免反复焊接,损坏电源模块。

 

五、那么隔离电源与非隔离电源比较有什么的优缺点呢?

隔离电源与非隔离电源优缺点

 

 

通过了解隔离与非隔离电源的优缺点可知,它们各有优势,对于一些常用的嵌入式供电选择,我们可遵循以下判断条件:

对安全有要求的场合,如需接市电的 AC-DC,或医疗用的电源,为保证人身的安全,必须用隔离电源,有些场合还必须用加强隔离的电源。

 

一般场合使用对模块电源隔离电压要求不是很高,但是更高的隔离电压可以保证模块电源具有更小的漏电流,更高的安全性和可靠性,并且 EMC 特性也更好一些,因此目前业界普遍的隔离电压水平为 1500VDC 以上。