一文深入剖析隔離電源和非隔離電源

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，倘若沒有考慮應(yīng)用環(huán)境對電源隔離的要求，產(chǎn)品到了應(yīng)用時(shí)就會出現(xiàn)因設(shè)計(jì)方案的不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)高壓損壞后級負(fù)載的情況，以及出現(xiàn)危害人身財(cái)產(chǎn)安全的情況。因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要隔離至關(guān)重要。

“南航一名23歲空姐在iPhone5充電時(shí)打電話被電死”，新聞在網(wǎng)上引起廣泛關(guān)注。充電器也能能危害生命?專家分析手機(jī)充電器內(nèi)部變壓器漏電，220VAC的交流電漏電到直流端，并通過數(shù)據(jù)線傳導(dǎo)到了手機(jī)金屬殼上，最終導(dǎo)致觸電身亡，發(fā)生無可挽回的悲劇。

那么手機(jī)充電器輸出端為什么會帶有220V的交流電呢?隔離電源的選型要注意哪些事項(xiàng)?如何區(qū)分電源是隔離與非隔離?業(yè)內(nèi)通用的看法是：

1、隔離電源：電源的輸入回路和輸出回路之間沒有直接的電氣連接，輸入和輸出之間是絕緣的高阻態(tài)，沒有電流回路，如圖1所示：

圖1 采用變壓器的隔離電源

2、非隔離電源：輸入和輸出之間有直接的電流回路，例如，輸入和輸出之間是共地的。以隔離的反激電路和非隔離的BUCK電路為例，如圖2所示。

圖2 非隔離電源

01 隔離電源與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

由上述概念可知，對于常用的電源拓?fù)涠裕歉綦x電源主要有：Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔離電源主要有各種帶隔離變壓器的反激、正激、半橋、LLC等拓?fù)洹?/p>

結(jié)合常用的隔離與非隔離電源，我們從直觀上就可得出它們的一些優(yōu)缺點(diǎn)，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

使用隔離或非隔離的電源，需了解實(shí)際項(xiàng)目對電源的需求是怎樣的，但在此之前，可了解下隔離和非隔離電源的主要差別：

①隔離模塊的可靠性高，但成本高，效率差點(diǎn)。

②非隔離模塊的結(jié)構(gòu)很簡單，成本低，效率高，安全性能差。

因此，在如下幾個(gè)場合，建議用隔離電源：

①涉及可能觸電的場合，如從電網(wǎng)取電，轉(zhuǎn)成低壓直流的場合，需用隔離的AC-DC電源;

②串行通信總線通過RS-232、RS-485和控制器局域網(wǎng)(CAN)等物理網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，這些相互連接的系統(tǒng)每個(gè)都配備有自己的電源，而且各系統(tǒng)之間往往間隔較遠(yuǎn)，因此，我們通常需要隔離電源進(jìn)行電氣隔離來確保系統(tǒng)的物理安全，且通過隔離切斷接地回路，來保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊，同時(shí)減少信號失真;

③對外的I/O端口，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也建議對I/O端口做電源隔離。

總結(jié)的表如表1所示，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)幾乎是相反的。

表1 隔離電源和非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)

02 隔離電源與非隔離電源的選擇

通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知，它們各有優(yōu)勢，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們已可做成準(zhǔn)確的判斷：

①系統(tǒng)前級的電源，為提高抗干擾性能，保證可靠性，一般用隔離電源。

② 電路板內(nèi)的IC或部分電路供電，從性價(jià)比和體積出發(fā)，優(yōu)先選用非隔離的方案。

③ 對安全有要求的場合，如需接市電的AC-DC，或醫(yī)療用的電源，為保證人身的安全，必須用隔離電源，有些場合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

④ 對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響，一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

⑤ 對于采用電池供電，對續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場合，采用非隔離供電。

通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知，它們各有優(yōu)勢，對于一些常用的嵌入式供電設(shè)計(jì)，我們可總結(jié)出其選擇的場合。

1、隔離電源

系統(tǒng)前級的電源，為提高抗干擾性能，保證可靠性，一般用隔離電源;

對安全有要求的場合，如需接市電的AC-DC，或醫(yī)療用的電源和白色家電，為保證人身的安全，必須用隔離電源，如MPS的MP020，為原邊反饋隔離型AC-DC，適合于1~10W應(yīng)用 ;

對于遠(yuǎn)程工業(yè)通信的供電，為有效降低地電勢差和導(dǎo)線耦合干擾的影響，一般用隔離電源為每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電。

2、非隔離電源

電路板內(nèi)的IC或部分電路供電，從性價(jià)比和體積出發(fā)，優(yōu)先選用非隔離的方案;如MPS的MP150/157/MP174系列buck型非隔離AC-DC，適合于1~5W應(yīng)用;

對于工作電壓低于36V，采用電池供電，對續(xù)航力要求嚴(yán)苛的場合，優(yōu)先采用非隔離供電，如MPS的MP2451/MPQ2451。

隔離電源與非隔離電源優(yōu)缺點(diǎn)：

通過了解隔離與非隔離電源的優(yōu)缺點(diǎn)可知，它們各有優(yōu)勢，對于一些常用的嵌入式供電選擇，我們可遵循以下判斷條件：

對安全有要求的場合，如需接市電的AC-DC，或醫(yī)療用的電源，為保證人身的安全，必須用隔離電源，有些場合還必須用加強(qiáng)隔離的電源。

一般場合使用對模塊電源隔離電壓要求不是很高，但是更高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前業(yè)界普遍的隔離電壓水平為1500VDC以上。

03 隔離電源模塊選型的注意事項(xiàng)

電源的隔離耐壓在GB-4943國標(biāo)中又叫抗電強(qiáng)度，這個(gè)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。如下圖為隔離電源結(jié)構(gòu)圖。

隔離電源結(jié)構(gòu)圖

作為模塊電源的重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了隔離耐壓相關(guān)測試方法，簡單的測試時(shí)一般采用等電位連接測試，連接示意圖如下：

隔離耐壓測試示意圖

測試方法：

將耐壓計(jì)的電壓設(shè)為規(guī)定的耐壓值，電流設(shè)為規(guī)定的漏電流值，時(shí)間設(shè)為規(guī)定的測試時(shí)間值;

操作耐壓計(jì)開始測試，開始加壓，在規(guī)定的測試時(shí)間內(nèi)，模塊應(yīng)無擊穿，無飛弧現(xiàn)象。

注意在測試時(shí)焊接電源模塊要選取合適的溫度，避免反復(fù)焊接，損壞電源模塊。

除此之外還要注意：

1、要注意是AC-DC還是DC-DC。

2、隔離電源模塊的隔離耐壓。例如隔離1000V DC 是否滿足絕緣要求。

3、隔離電源模塊是否有進(jìn)行全面的可靠性測試。電源模塊要經(jīng)過性能測試、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。

4、隔離電源模塊的生產(chǎn)工廠產(chǎn)線是否規(guī)范。電源模塊生產(chǎn)線需要通過ISO9001, ISO14001，OHSAS18001等多項(xiàng)國際認(rèn)證，如下圖3所示。

圖3 ISO認(rèn)證

5、隔離電源模塊是否有應(yīng)用在工業(yè)、汽車等惡劣環(huán)境。電源模塊不僅僅大量應(yīng)用與惡劣的工業(yè)環(huán)境，同時(shí)在新能源汽車的BMS管理系統(tǒng)中也游刃有余。

04 關(guān)于隔離電源與非隔離電源的感悟

首先闡述一個(gè)誤區(qū)：很多人認(rèn)為非隔離電源不如隔離電源好，因?yàn)楦綦x電源貴，所以肯定貴的就好。

為什么現(xiàn)在大家的印象當(dāng)中用隔離電源比用非隔離的要好，其實(shí)不然，這種想法都是停留在幾年前的想法當(dāng)中。因?yàn)榍皫啄攴歉綦x的穩(wěn)定性確實(shí)沒有隔離穩(wěn)定，但隨著研發(fā)技術(shù)的更新，現(xiàn)如今非隔離已經(jīng)非常成熟，日漸穩(wěn)定。說到安全性，其實(shí)現(xiàn)在非隔離電源也是很安全的，只要在結(jié)構(gòu)稍微做下改動，對人體還是很安全的，同樣的道理，非隔離電源也是可以過很多安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，例如:ULTUVSAACE等。

實(shí)際上非隔離電源損壞的根源就是電源AC線兩端的浪涌電壓所致，也可以這么說，雷擊浪涌吧，這種電壓是加在電壓AC線兩端的瞬間高壓，有時(shí)高達(dá)三千伏，但時(shí)間很短，能量卻極強(qiáng)，在打雷時(shí)會發(fā)生，或是在同一條AC線上，當(dāng)一個(gè)大的負(fù)載斷開瞬間，因?yàn)殡娏鲬T性的原因也會發(fā)生，這個(gè)電壓進(jìn)入電源，對于非隔離BUCK電路，會瞬間傳達(dá)到輸出，擊壞恒流檢測環(huán)，或是進(jìn)一步擊壞芯片，造成300v直通，而燒掉整條燈管。對于隔離反激電源，會擊壞MOS,現(xiàn)象就是保管，芯片，MOS管全燒壞?，F(xiàn)在LED驅(qū)動電源，在使用過程中壞的，80%以上都是這兩種類似現(xiàn)象。而且，小型開關(guān)電源，就算是電源適配器，也經(jīng)常損壞的是這個(gè)現(xiàn)象，均是浪涌電壓所致，而在LED電源里，表現(xiàn)的更加普遍，這是因?yàn)?a target="_blank">LED的負(fù)載特性是特別的怕浪涌電壓的。

如果按照一般的理論來講，電子電路里，元器件越少，可靠性越高，相應(yīng)越多的元件的電路板可靠性則越低。實(shí)際上非隔離電路的元件是比隔離電路要少的，為什么隔離電路可靠性高。其實(shí)說白了，不是什么可靠性，而是非隔離電路對于浪涌太敏感，抑制能力差，隔離電路，因?yàn)槟芰渴窍冗M(jìn)入變壓器，然后從變壓器再輸送到LED負(fù)載的。BUCK電路是輸入電源一部分直接加在了LED負(fù)載上，故前者對浪涌抑制和衰減能力強(qiáng)，所以浪涌來時(shí)損壞的機(jī)率小而已。實(shí)際上，不隔離電源的問題主要是在于浪涌問題，目前這個(gè)問題，因?yàn)橹挥蠰ED燈具在大批量應(yīng)用時(shí)，從概率上才能看出其解決的程度，所以很多人沒有提出好的防治辦法，更多的人則是不知道浪涌電壓為何物，很多人。LED燈具壞了，也找不到原因，最后只能一句，什么此電源不穩(wěn)定就了結(jié)了，具體哪里不穩(wěn)定，他不知道。

非隔離電源一是效率，二是成本上比較有優(yōu)勢。

非隔離電源適合的場合：首先，是室內(nèi)的燈具，這種室內(nèi)用電環(huán)境較好，浪涌影響小。第二，使用的場合是高壓小電流，低壓大電流用非隔離沒有意義，因?yàn)榈蛪捍箅娏鞣歉綦x的效率并不比隔離的高，成本也低不到多少去。三，電壓相對較穩(wěn)定的環(huán)境中使用非隔離電源。當(dāng)然，如果有辦法解決掉抑制浪涌的問題，那么非隔離電源的應(yīng)用范圍將大大拓寬!

隔離電源因?yàn)槔擞康膯栴}，損壞率也不可小覷，一般那種返修回來，擊壞保險(xiǎn)，芯片，MOS的第一個(gè)應(yīng)該想到是浪涌問題。為了減少損壞率，在設(shè)計(jì)時(shí)就行要考慮到浪涌的因素進(jìn)去，或是在使用時(shí)要告戒用戶，盡量避免浪涌發(fā)生。(如室內(nèi)燈具，打雷時(shí)暫時(shí)先關(guān)掉)

綜合所述，使用隔離與非隔離很多時(shí)候都是因?yàn)槔擞窟@個(gè)問題，而浪涌問題和用電環(huán)境是息息相關(guān)的，所以很多時(shí)候使用隔離電源和非隔離電源不能一刀切，非隔離電源在節(jié)能，成本上都是很有優(yōu)勢的，所以要科學(xué)的選用非隔離還是隔離作為LED驅(qū)動電源。

05 總結(jié)

本文介紹了隔離電源和非隔離電源的區(qū)別，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適應(yīng)場合，以及隔離電源的選型注意事項(xiàng)，希望工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)能以此為參考，正確應(yīng)用電源在產(chǎn)品的研發(fā)中，以及在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后，快速定位問題所在。

原文標(biāo)題：隔離電源和非隔離電源的區(qū)別，小白必讀!

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