电源是否需要隔离？
发布于2024-10-18
电源使用的电压和电流与电路其他部分使用的电压和电流之间往往存在很大差异。例如，电源电路采用的可能是110V/220V主电压，需要通过一级或多级降压降至1V到5V，才能为集成电路供电。这些电压差异也会出现在多级电源内部。通常情况下，不同的电源域必须保持一定的距离，原因有多种，例如防止高功率电路干扰影响低功率信号，以及在电路发生故障时保护用户免受大电流的影响。
确定是否需要隔离
在某些情况下，电源设计人员必须决定是否要对电源电路进行物理隔离；如果需要隔离，则要决定采用哪种类型的隔离屏障。在许多情况下，IEC 60601-1:2005等标准已经解决了这一问题，这些标准规定了医疗设备的电路保护要求。UL、IEEE和IEC等组织负责制定这些标准，其中规定了间隙距离、隔离电压水平和绝缘电阻等规格。它们还规定了测试流程，以确保符合标准。
不过，有时我们也有充分的理由使用非隔离电源。与隔离电源相比，非隔离电源不需要那么多的元器件，因而体积更小，成本也更低，毕竟提供隔离屏障的元器件（如变压器或光耦合器）通常都很笨重。非隔离电源的效率也更高，因为它们不需要驱动额外的元器件，也不会受到变压器损耗的影响。但是，设计人员应该意识到非隔离电源带来的危险性，并采取预防措施来防止安全隐患，例如确保用户无法以有触电风险的方式与系统交互。因此，非隔离电源通常用于小功率应用或只有经过培训的人员才能使用的电源。
虽然隔离电源需要更多元器件，并且体积更大、成本更高，但使用隔离电源有一些非常令人信服的理由。其固有的操作安全性意味着未经培训的人员也可以使用它们。隔离屏障可用作传感信号的通道，以提供更精确的反馈和输出控制，还可以断开接地回路，因为接地回路可能会将不必要的噪声和反馈引入电路，并可能损坏敏感元器件。通过消除公共接地来隔离输入和输出电路就可以消除这种风险，从而使电源更稳定，输出更纯净。
电源中的独立输出电路还可以通过浮动输出和电平转换实现灵活性（图1）。在具有浮动输出的电源中，输出电压在端子之间是固定的。然而，由于没有公共接地，该电压与电路其他部分并不关联。电源输出可根据系统需求配置为正电压和负电压。浮动输出电压也可串联以产生更高的电压。一种简单的实施方案是，在电源中安装一个AC/DC转换级，然后再安装两个或多个隔离式DC/DC转换器，以获得最终电压。然后将DC/DC转换器的输出组合起来，产生所需的电压值。
图1：电源的隔离功能可实现浮动输出，这些输出可组合起来提供负电压。（图源：Analog Devices）
实施隔离
如果电路需要隔离，那么如何选择合适的技术和元器件，就完全取决于应用。有几个重要参数是需要考虑的，包括隔离耐压（隔离器能承受60秒而不发生故障的电压大小）以及电路的实际工作电压。在嘈杂的环境中以及使用快速开关器件的电路中，需要使用共模瞬态抗扰度（CMTI）来确保数据完整性。CMTI可防止大功率噪声耦合穿过隔离屏障并产生电流环路。爬电距离（两个导体之间沿最短物理路径的距离）和间隙（两个导体之间穿过空气的最短距离）也是重要的考虑因素，一些法规规定了这两个因素的最小值。在需要较强的隔离度以及较高的爬电距离和间隙值的应用中，较大的封装通常是一种解决方案。
设计人员可以通过多种不同的方式实现电源隔离，其中最常见的是光隔离、电容隔离和磁隔离。
光隔离
光隔离器的工作原理是使用LED将电信号转换为光源，然后通过半透明材料将其发射到隔离屏障的另一侧，由光电晶体管将其重新转换为电信号。光隔离器又称光耦合器，可提供高达数千伏的隔离电压，具有可接受的使用寿命，在较低频率下具有良好的响应时间，并能抵抗电磁干扰（EMI）和其他噪声（图2）。
图2：光耦合器将电信号转换成光信号，然后再转换回来，从而将一个电路与另一个电路隔离开来。（图源：sketch stock/stock.adobe.com）
但是，LED需要偏置才能在光耦合器中工作，这就会浪费能量。隔离屏障会随着时间的推移而衰减，因而设计人员必须留出更多的余量来应对衰减。光耦合器的高频响应也较差，对输入和输出电流变化的线性响应也存在缺陷。
由于通道之间存在光干扰，光耦合器往往在每个封装中只使用一个器件，从而增加了所需的元器件数量、尺寸和成本。不过，对于电源应用来说，这些缺点往往不是大问题，因为它们通常只需要一个反馈感应信号，而且使用的频率低于许多其他应用。现在，光耦合器也开始出现单个封装中包含多条线路的产品。
磁隔离
磁隔离是使用变压器来实现的，其中初级绕组通电产生磁场，从而在次级绕组中产生感应电流。两个绕组线圈可以缠绕在同一个磁芯上，但彼此之间是隔离的。
变压器已用于某些电压转换拓扑结构中，以升压或降压或提供多路输出。变压器本身具有隔离功能，只需这一个元器件就可以实现磁隔离。当变压器处于无电流流动的“关断”状态时，可以获得反馈，因为此时可以从输出电压的次级侧感应到反射电压。
然后，系统控制器可根据需要利用该反馈来改变输出。控制器可以是微控制器或定制设备，负责确保输出信号稳定。系统实际输出值的实时信息使其能够更准确地完成这一任务。由于所需的元器件较少，这种电路可以用于一些小型且经济高效的解决方案（图3）。不过，它也有一些缺点：它至少需要一个小负载，电流才能流动，感应才能工作；虽然调节效果通常可以接受，但不如具有专用隔离反馈路径的电路。
图3：这款简单的反激式转换器采用Analog Devices LT830X控制器，通过系统变压器感应输出电压。（图源：Analog Devices）
某些应用可能需要更严格的调节或长时间无负载运行。在这类应用中，可以使用单独的变压器来提供输出反馈，同时阻隔不需要的信号。这些磁隔离器（图4）通常采用单个封装，并且往往可以将系统的其他部分集成到同一封装中，以节省成本和电路板空间。它们的配置适合常用的电源拓扑结构，包括反激式和有源钳位正激式控制器。集成解决方案还可以包含一系列保护功能，例如过流和短路检测。
图4：磁隔离利用变压器将电路的不同区域隔开。（图源：Analog Devices）
磁隔离器可隔离高达1kV的电压；它们速度快、非常坚固耐用、带宽大，并且性能不会随着时间而降低。不过，在电机驱动器等EMI严重的应用中，它们可能会遇到一些问题。
电容隔离
顾名思义，电容隔离使用的是由介电材料隔开的两块导体板。这项技术具有多种优势，包括隔离度高、响应速度快、功耗低，以及具有良好的EMI抗扰度。
与磁隔离器一样，电容隔离器可以采用单独封装，也可以与其他元器件一起封装。一些公司已开发出使用二氧化硅作为电介质的集成器件。这种材料通常在IC生产中用于绝缘，因而可以在IC制造过程中直接实现电容隔离。除了提供隔离外，使用常规的制造工艺制造隔离器还能生产出具有良好防震性能的坚固元器件。
结语
在电源设计中是否实施隔离，取决于安全、性能和监管要求等因素。隔离具有显著的优势，包括增强用户的安全性、减少干扰和提高电源输出的稳定性。对于某些低功耗应用，非隔离电源可能更具成本效益和效率，但隔离电源的优势使其成为要求高可靠性和安全性的应用不可或缺的部分。设计人员必须仔细评估其特定应用的需求，以确定合适的隔离方法，并确保符合相关标准。