電源是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器，它提供計算機中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩定，將直接影響計算機的工作性能和使用壽命。電源是電子係統的心髒，工業(ye) 應用中，為(wei) 係統前級或接口供電的電源一般都要求有高的抗幹擾性能，各種隔離型的模塊電源模塊應運而生。你或許知道隔離電源的設計方案，但你真的能夠設計出一款穩定的電源嗎？本文為(wei) 你揭秘。     

一、電源模塊為(wei) 何需要隔離    

1、保護人員避免受到物理和電氣傷(shang) 害    

電源的隔離耐壓在GB-4943國標中又叫抗電強度，這個(ge) GB-4943標準就是我們(men) 常說的信息類設備的安全標準，就是為(wei) 了防止人員受到物理和電氣傷(shang) 害的國家標準，其中包括避免人受到電擊傷(shang) 害、物理傷(shang) 害、爆炸等傷(shang) 害。如下圖1為(wei) 隔離電源結構圖。尤其是前級超出人體(ti) 安全電壓的直流DC-DC模塊電源，如137.5VDC的鐵路應用模塊電源、光伏應用的1200VDC模塊電源產(chan) 品等，沒有進行隔離的話，可能就會(hui) 直接物理和電氣傷(shang) 害。在醫療行業(ye) ，對電源的隔離要求更高，一般都要求是加強絕緣隔離，隔離越高漏電流越小，幾個(ge) 毫安的漏電流就可以奪走一個(ge) 病人的生命。 

圖1 GB-4943標準    

2、保護後級負載設備和係統    

隔離型電源輸入與(yu) 輸出隔離分開，在電源產(chan) 品出現異常時，可對後級負載設備和係統的保護作用，避免其受到電擊傷(shang) 害、物理傷(shang) 害、爆炸等傷(shang) 害。常有看到遭受雷擊浪湧、瞬間高壓衝(chong) 擊損壞的電源產(chan) 品，電路板上一大片麵積的元器件被炸飛碳化掉，其實很多器件是被高壓強壓直接的串擾和輻射傷(shang) 害到了，避免高壓強壓對後級弱電的傷(shang) 害，隔離起到非常好的作用。  

圖2 後級負載損壞    

3、提高共模幹擾抑製性能和抗幹擾能力    

隔離型電源去除隔離電路之間的接地環路，可切斷共模、浪湧等幹擾信號的傳(chuan) 播路徑，有效降低地電勢差和導線耦合幹擾的影響，能提高共模幹擾抑製性能和抗幹擾能力，利於(yu) 對幹擾信號比較敏感的後級係統使用及集成，像儀(yi) 器儀(yi) 表、數據采集儀(yi) 、嵌入式係統等高精度高要求的產(chan) 品或係統，已被越來越廣泛的應用，在對於(yu) 遠程工業(ye) 通信的供電上，一般都用隔離電源為(wei) 每個(ge) 通信節點單獨供電。同時也具有更高的安全性和可靠性，尤其是EMC特性的傳(chuan) 導騷擾、輻射騷擾和ESD靜電放電等性能上也更好一些，且在係統中可輕鬆完成輸出接線，而不與(yu) 主接地發生衝(chong) 突。 

圖3 儀(yi) 器儀(yi) 表    

二、如何實現電源隔離    

目前業(ye) 界電源隔離方案主要有兩(liang) 種：一種是使用變壓器磁隔離+光耦光電隔離組合實現初級側(ce) 與(yu) 次級側(ce) 之間的電氣隔離。這種方式，電路簡單成熟普遍，較容易實現，能實現高輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能，滿足目前電子產(chan) 品的高性能要求。  

圖4 光耦隔離方案    

另一種是隻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、線性調整率和負載調整率性能比較差。其實行業(ye) 內(nei) 也有人研究過采用壓電陶瓷隔離，全新技術，性能很難達到前麵兩(liang) 種方式，且儀(yi) 器設備投入成本非常高，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計產(chan) 品時，電源的方案選擇會(hui) 有這麽(me) 一種想法，會(hui) 認為(wei) 不就那幾個(ge) 物料，都知道物料型號，並且都知道它們(men) 的單價(jia) ，電源模塊的價(jia) 格相對於(yu) 物料的成本顯得較為(wei) 昂貴，這部分用戶想通過分立器件自行搭建，下麵就讓我從(cong) 幾點給你講解，為(wei) 什麽(me) 要選擇采購電源模塊產(chan) 品使用。    

1、方案選擇    

在產(chan) 品性能需求稍微明了之後，那接下來就是開始設計開發了，首先要做的就是電路方案的選取了，下麵為(wei) 大家列舉(ju) 一些比較常見的“反麵教材”。    

比如設計開發一個(ge) 市電交流輸入轉直流輸出的，很多人的第一時間就想到采用工頻變換電路方案，因為(wei) 此方案比較簡單，一個(ge) 工頻變壓器，再加上個(ge) 整流濾波就可以搞定，如下圖6所示。使用此方案的產(chan) 品的效率非常低，並且產(chan) 品的體(ti) 積會(hui) 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，並且多重工序層層保證變壓器的產(chan) 品一致性，保證產(chan) 品最終性能。       

圖6 變壓器方案對比    

2、物料選型及PCB設計    

電路方案確定之後，接下來就需要進行產(chan) 品性能參數的設計，要對電路方案中的電子元器件進行參數設計、計算與(yu) 結構物料選型，在這個(ge) 環節必須從(cong) 多方麵進行權衡。    

其一，物料的選型。在專(zhuan) 業(ye) 的模塊電源廠商就可以做到兼得，會(hui) 根據產(chan) 品的不同規格需求，不同的應用條件，舍掉無需的物料規格，選擇最優(you) 的所需物料規格。    

其二，電源模塊的PCB的設計。因為(wei) 模塊電源產(chan) 品有模塊電源的PCB設計規範要求，它要考慮散熱設計、EMC設計、幹擾設計和生產(chan) 工藝設計等等，涉及的內(nei) 容非產(chan) 多，所以PCB設計在模塊電源產(chan) 品開發過程中是作為(wei) 最重要的環節之一來對待的，如圖7所示。     

圖7 PCB設計要求    

3、可靠性測試    

產(chan) 品開發完成之後，並不能直接應用，為(wei) 保證產(chan) 品在實際應用中發揮最優(you) 性能，通常需要進行輸入輸出的每個(ge) 性能測試、容差測試、瞬態條件測試、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、安規測試等測試，標準如下表1所示，且很多性能指標的測試還要深入細化到多點測試、長時間的測試、重複反複測試和批量的測試，所以測試一個(ge) 產(chan) 品或一個(ge) 項目，短則半個(ge) 多月，多則一個(ge) 月以上，如下表2所示。 

表1 可靠性測試標準      

表2 測試設備   

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