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電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計算機(jī)中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計算機(jī)的工作性能和使用壽命。電源是電子系統(tǒng)的心臟，工業(yè)應(yīng)用中，為系統(tǒng)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(yīng)運(yùn)而生。你或許知道隔離電源的設(shè)計方案，但你真的能夠設(shè)計出一款穩(wěn)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(hù)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(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度，這個GB-4943標(biāo)準(zhǔn)就是我們常說的信息類設(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1為隔離電源結(jié)構(gòu)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(yīng)用模塊電源、光伏應(yīng)用的1200VDC模塊電源產(chǎn)品等，沒有進(jìn)行隔離的話，可能就會直接物理和電氣傷害。在醫(yī)療行業(yè)，對電源的隔離要求更高，一般都要求是加強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)
2、保護(hù)后級負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)
隔離型電源輸入與輸出隔離分開，在電源產(chǎn)品出現(xiàn)異常時，可對后級負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)的保護(hù)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(chǎn)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(qiáng)壓直接的串?dāng)_和輻射傷害到了，避免高壓強(qiáng)壓對后級弱電的傷害，隔離起到非常好的作用。
圖2 后級負(fù)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(huán)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(dǎo)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(tǒng)使用及集成，像儀器儀表、數(shù)據(jù)采集儀、嵌入式系統(tǒng)等高精度高要求的產(chǎn)品或系統(tǒng)，已被越來越廣泛的應(yīng)用，在對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電上，一般都用隔離電源為每個通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)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(dǎo)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(tǒng)中可輕松完成輸出接線，而不與主接地發(fā)生沖突。
圖3 儀器儀表
二、如何實現(xiàn)電源隔離
目前業(yè)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(xiàn)初級側(cè)與次級側(cè)之間的電氣隔離。這種方式，電路簡單成熟普遍，較容易實現(xiàn)，能實現(xiàn)高輸出電壓精度、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能，滿足目前電子產(chǎn)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(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率性能比較差。其實行業(yè)內(nèi)也有人研究過采用壓電陶瓷隔離，全新技術(shù)，性能很難達(dá)到前面兩種方式，且儀器設(shè)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(shè)計產(chǎn)品時，電源的方案選擇會有這么一種想法，會認(rèn)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(diǎn)給你講解，為什么要選擇采購電源模塊產(chǎn)品使用。
1、方案選擇
在產(chǎn)品性能需求稍微明了之后，那接下來就是開始設(shè)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(shè)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6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(yīng)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6 變壓器方案對比
2、物料選型及PCB設(shè)計
電路方案確定之后，接下來就需要進(jìn)行產(chǎn)品性能參數(shù)的設(shè)計，要對電路方案中的電子元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計、計算與結(jié)構(gòu)物料選型，在這個環(huán)節(jié)必須從多方面進(jìn)行權(quán)衡。
其一，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(yīng)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。
其二，電源模塊的PCB的設(shè)計。因為模塊電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設(shè)計規(guī)范要求，它要考慮散熱設(shè)計、EMC設(shè)計、干擾設(shè)計和生產(chǎn)工藝設(shè)計等等，涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多，所以PCB設(shè)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7所示。
圖7 PCB設(shè)計要求
3、可靠性測試
產(chǎn)品開發(fā)完成之后，并不能直接應(yīng)用，為保證產(chǎn)品在實際應(yīng)用中發(fā)揮最優(yōu)性能，通常需要進(jìn)行輸入輸出的每個性能測試、容差測試、瞬態(tài)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(guī)測試等測試，標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示，且很多性能指標(biāo)的測試還要深入細(xì)化到多點(diǎn)測試、長時間的測試、重復(fù)反復(fù)測試和批量的測試，所以測試一個產(chǎn)品或一個項目，短則半個多月，多則一個月以上，如下表2所示。
表1 可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)
表2 測試設(shè)備
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