电源模块为何需要隔离？

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。电源是电子系统的心脏，工业应用中，为系统前级或接口供电的电源一般都要求有高的抗干扰性能，各种隔离型的模块电源模块应运而生。你或许知道隔离电源的设计方案，但你真的能够设计出一款稳定的电源吗？本文为你揭秘。     

一、电源模块为何需要隔离    

1、保护人员避免受到物理和电气伤害    

电源的隔离耐压在GB-4943国标中又叫抗电强度，这个GB-4943标准就是我们常说的信息类设备的安全标准，就是为了防止人员受到物理和电气伤害的国家标准，其中包括避免人受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。如下图1为隔离电源结构图。尤其是前级超出人体安全电压的直流DC-DC模块电源，如137.5VDC的铁路应用模块电源、光伏应用的1200VDC模块电源产品等，没有进行隔离的话，可能就会直接物理和电气伤害。在医疗行业，对电源的隔离要求更高，一般都要求是加强绝缘隔离，隔离越高漏电流越小，几个毫安的漏电流就可以夺走一个病人的生命。 

图1 GB-4943标准    

2、保护后级负载设备和系统    

隔离型电源输入与输出隔离分开，在电源产品出现异常时，可对后级负载设备和系统的保护作用，避免其受到电击伤害、物理伤害、爆炸等伤害。常有看到遭受雷击浪涌、瞬间高压冲击损坏的电源产品，电路板上一大片面积的元器件被炸飞碳化掉，其实很多器件是被高压强压直接的串扰和辐射伤害到了，避免高压强压对后级弱电的伤害，隔离起到非常好的作用。  

图2 后级负载损坏    

3、提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力    

隔离型电源去除隔离电路之间的接地环路，可切断共模、浪涌等干扰信号的传播路径，有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，能提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力，利于对干扰信号比较敏感的后级系统使用及集成，像仪器仪表、数据采集仪、嵌入式系统等高精度高要求的产品或系统，已被越来越广泛的应用，在对于远程工业通信的供电上，一般都用隔离电源为每个通信节点单独供电。同时也具有更高的安全性和可靠性，尤其是EMC特性的传导骚扰、辐射骚扰和ESD静电放电等性能上也更好一些，且在系统中可轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。 

图3 仪器仪表    

二、如何实现电源隔离    

目前业界电源隔离方案主要有两种：一种是使用变压器磁隔离+光耦光电隔离组合实现初级侧与次级侧之间的电气隔离。这种方式，电路简单成熟普遍，较容易实现，能实现高输出电压精度、线性调整率和负载调整率性能，满足目前电子产品的高性能要求。  

图4 光耦隔离方案    

另一种是只用变压器磁隔离的方案，这种变压器磁隔离原边反馈采样方式，对变压器的一致性要求比较高，且输出电压精度、线性调整率和负载调整率性能比较差。其实行业内也有人研究过采用压电陶瓷隔离，全新技术，性能很难达到前面两种方式，且仪器设备投入成本非常高，就基本没有再被研究推广使用。  

图5 原边反馈采样方案    

三、自主搭建VS模块方案    

目前有部分工程师在设计产品时，电源的方案选择会有这么一种想法，会认为不就那几个物料，都知道物料型号，并且都知道它们的单价，电源模块的价格相对于物料的成本显得较为昂贵，这部分用户想通过分立器件自行搭建，下面就让我从几点给你讲解，为什么要选择采购电源模块产品使用。    

1、方案选择    

在产品性能需求稍微明了之后，那接下来就是开始设计开发了，首先要做的就是电路方案的选取了，下面为大家列举一些比较常见的“反面教材”。    

比如设计开发一个市电交流输入转直流输出的，很多人的第一时间就想到采用工频变换电路方案，因为此方案比较简单，一个工频变压器，再加上个整流滤波就可以搞定，如下图6所示。使用此方案的产品的效率非常低，并且产品的体积会非常之大，在应用中还伴随着让人非常闹心的工频涡流声。而模块方案选用合适的变压器，并且多重工序层层保证变压器的产品一致性，保证产品最终性能。       

图6 变压器方案对比    

2、物料选型及PCB设计    

电路方案确定之后，接下来就需要进行产品性能参数的设计，要对电路方案中的电子元器件进行参数设计、计算与结构物料选型，在这个环节必须从多方面进行权衡。    

其一，物料的选型。在专业的模块电源厂商就可以做到兼得，会根据产品的不同规格需求，不同的应用条件，舍掉无需的物料规格，选择最优的所需物料规格。    

其二，电源模块的PCB的设计。因为模块电源产品有模块电源的PCB设计规范要求，它要考虑散热设计、EMC设计、干扰设计和生产工艺设计等等，涉及的内容非产多，所以PCB设计在模块电源产品开发过程中是作为最重要的环节之一来对待的，如图7所示。     

图7 PCB设计要求    

3、可靠性测试    

产品开发完成之后，并不能直接应用，为保证产品在实际应用中发挥最优性能，通常需要进行输入输出的每个性能测试、容差测试、瞬态条件测试、可靠性测试、EMC电磁兼容测试、高低温测试、极限测试、寿命测试、安规测试等测试，标准如下表1所示，且很多性能指标的测试还要深入细化到多点测试、长时间的测试、重复反复测试和批量的测试，所以测试一个产品或一个项目，短则半个多月，多则一个月以上，如下表2所示。 

表1 可靠性测试标准      

表2 测试设备   

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