隔離式和非隔離式電源有何區(qū)別？各有什么優(yōu)勢(shì)？

隔離式和非隔離式電源有何區(qū)別？

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，隔離式電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)電氣和物理方法將電路分隔為兩個(gè)部分，把輸入與輸出隔離開來(lái)，從而防止輸入與輸出之間產(chǎn)生直接電流流動(dòng)（通常會(huì)利用變壓器實(shí)現(xiàn)）。非隔離式電源轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)電路，電路中的電流可以在輸入和輸出之間直接流動(dòng)。不熟悉電源的人員會(huì)另有疑問(wèn)：隔離式與非隔離式電源各有什么優(yōu)勢(shì)？我如何知道自己的應(yīng)用需要哪一種？

隔離基礎(chǔ)知識(shí)

電鍍隔離（通常簡(jiǎn)稱“隔離”）是指電路的一部分和另一部分之間的物理和電氣分離。隔離的結(jié)果是，每個(gè)隔離電路都有自己的回路或接地參考。在非隔離式轉(zhuǎn)換器中（如圖1左側(cè)所示），輸入和輸出共用接地，電流可以在它們之間流動(dòng)。但在隔離式轉(zhuǎn)換器中（如圖1右側(cè)所示），輸入和輸出返回各自的獨(dú)立接地，并且相互之間沒(méi)有直接輸送電流的路徑。

圖1：非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器（左），隔離式反激轉(zhuǎn)換器（右）

隔離式轉(zhuǎn)換器即使不允許電流在輸入和輸出之間流動(dòng)，仍然必須將功率和信息從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。有多種方法可以做到，但電源轉(zhuǎn)換器通常依賴兩種方法；通過(guò)變壓器或耦合電感器的電磁場(chǎng)傳輸電力，而信號(hào)則利用信號(hào)變壓器或采用光學(xué)隔離器的光學(xué)方式跨越隔離。

隔離不是絕對(duì)的。電壓足夠高，絕緣就會(huì)瓦解，電流即可流過(guò)。數(shù)據(jù)表通常會(huì)列出隔離電壓，這是在沒(méi)有電流流動(dòng)的情況下，可在短時(shí)間內(nèi)跨越隔離裝置施加的電壓。隔離額定值不可與工作電壓混淆，這是可連續(xù)施加在隔離上而不發(fā)生隔離擊穿的最大電壓。

隔離的優(yōu)勢(shì)

有幾種情況可能必須使用隔離式電源或借其為應(yīng)用帶來(lái)一些優(yōu)勢(shì)。這些情況包括安全合規(guī)、接地環(huán)路斷路和電平轉(zhuǎn)換。

安全合規(guī)

安全要求是使用隔離式電源轉(zhuǎn)換器的常見原因。對(duì)于利用可能有危險(xiǎn)的高壓供電的轉(zhuǎn)換器（例如通過(guò)交流電源供電的AC-DC轉(zhuǎn)換器），隔離功能將輸出與輸入端的危險(xiǎn)電壓分隔開。

在關(guān)注安全問(wèn)題時(shí)，還必須考慮隔離等級(jí)。應(yīng)考量安全標(biāo)準(zhǔn)，以確定指定應(yīng)用所需的絕緣級(jí)別。絕緣等級(jí)分為多種類型，包括功能、基礎(chǔ)、補(bǔ)充和強(qiáng)化。

功能絕緣：最為簡(jiǎn)單，而且雖然它提供隔離，卻不會(huì)提供任何防觸電保護(hù)。

基礎(chǔ)絕緣：只提供一個(gè)防觸電保護(hù)層。

補(bǔ)充絕緣：基礎(chǔ)絕緣外加一道冗余屏障。

強(qiáng)化絕緣：只有一層，卻相當(dāng)于兩層基礎(chǔ)屏障。

接地環(huán)路短路

由于隔離電源的輸入和輸出不共用接地，所以可以利用它們斷開接地環(huán)路。噪聲敏感型電路可以從中受益，可以斷開接地，從而隔絕開可能引發(fā)問(wèn)題的嘈雜電路。

浮動(dòng)輸出和電平轉(zhuǎn)換

隔離轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是浮動(dòng)輸出。盡管隔離輸出的輸出端子之間具有固定電壓，但是相對(duì)于與之隔離的電路中的電壓節(jié)點(diǎn)而言，它們沒(méi)有確定或固定的電壓，因而稱為浮動(dòng)電壓。但是，浮動(dòng)輸出可以將其中一個(gè)端子連接到另一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)，使其具有該節(jié)點(diǎn)的固定電壓?？梢岳眠@一點(diǎn)，相對(duì)于電路中的另一個(gè)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)換或反轉(zhuǎn)輸出電壓。

例如，圖2顯示將+Vout端子連接到輸入接地端子后，就會(huì)迫使輸出接地下降至低于輸入接地的水平，降幅等于Vout的值。在進(jìn)行此連接之前，Vin與Vout之間的電壓不確定，連接之后就提供了共同的電勢(shì)，使得兩端相互聯(lián)系起來(lái)。

圖2：反向連接

如圖3所示，將輸出接地端子連接到+Vin端子之后，+Vout端子相對(duì)于輸入接地就等于(Vin +Vout)。在這兩種情況下，由于兩端現(xiàn)在共用直接連接，因此都會(huì)失去從輸入到輸出的隔離。

圖3：輔助配置

具有浮動(dòng)輸出的多個(gè)隔離式轉(zhuǎn)換器也可以串聯(lián)，以提高輸出電壓或創(chuàng)建+/-電壓軌，如圖4所示。

圖4：使用兩個(gè)隔離式單輸出制作的正負(fù)電壓軌

應(yīng)謹(jǐn)慎操作，確保輸出真正產(chǎn)生浮動(dòng)。例如，兩個(gè)隔離式轉(zhuǎn)換器如果有輸出接地端子連接到機(jī)箱，就不再相對(duì)于彼此浮動(dòng)；如果輸出采用串聯(lián)連接，就會(huì)跨越其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器形成短路，因?yàn)閮蓚€(gè)端子都會(huì)連接到機(jī)箱上。在AC-DC轉(zhuǎn)換器中，有時(shí)會(huì)發(fā)生輸出接地端子連接到地面的情況，此時(shí)即便該端子被隔離，也不再發(fā)生浮動(dòng)。

非隔離的優(yōu)勢(shì)

盡管隔離具備許多優(yōu)勢(shì)，但仍然存在使用非隔離式轉(zhuǎn)換器的理由，這包括成本、尺寸和性能。

節(jié)約成本

隔離式轉(zhuǎn)換器常常比非隔離式轉(zhuǎn)換器更昂貴。造成成本差異的主要因素是使用變壓器代替電感器。變壓器常常需要定制生產(chǎn)，而非隔離式轉(zhuǎn)換器中的電感器可以購(gòu)買成品。如果需要更高級(jí)別的絕緣（如安全合規(guī)所需的規(guī)格），成本還會(huì)繼續(xù)增加。除變壓器外，隔離式設(shè)計(jì)中還需要加裝光耦合器等組件，而非隔離式設(shè)計(jì)中則無(wú)需加裝。與非隔離式設(shè)計(jì)相比，所有這些加裝件都增加了成本。

縮小尺寸

非隔離式轉(zhuǎn)換器往往比隔離式轉(zhuǎn)換器小。上述增加成本的組件占用的空間也比非隔離式設(shè)計(jì)采用的組件占用的空間多。除了用電感器代替變壓器之外，非隔離式轉(zhuǎn)換器還常常采用更高的切換頻率運(yùn)行，這就進(jìn)一步縮小了磁性組件和電容器的尺寸。

效率

非隔離式轉(zhuǎn)換器的效率和穩(wěn)壓性能也常常優(yōu)于隔離式轉(zhuǎn)換器。變壓器和光耦合器再次成為引起性能差異的主要影響因素。沒(méi)有了隔離屏障，就可以直接檢測(cè)和嚴(yán)格控制輸出，達(dá)到更好的穩(wěn)壓和瞬態(tài)性能。它們因?yàn)槌叽缧?，所以能夠更加接近?fù)載放置，以減少輸電線路效應(yīng)。

結(jié)論

選擇隔離式還是非隔離式轉(zhuǎn)換器，要取決于許多因素。某些應(yīng)用出于安全原因需要隔離，另一些則可以通過(guò)斷開接地環(huán)路或轉(zhuǎn)換參考電壓來(lái)利用浮動(dòng)輸出的優(yōu)勢(shì)。但是，如果不需要隔離，非隔離式轉(zhuǎn)換器就可以降低成本、縮小尺寸和/或提高效率。了解隔離的成本和優(yōu)勢(shì)是選擇合適轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

審核編輯：劉清