隨著嵌入式行業(yè)的快速發(fā)展，在各種行業(yè)應(yīng)用中電源要求也越來(lái)越高，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隔離電源應(yīng)運(yùn)而生。但隔離電源中關(guān)鍵指標(biāo)——隔離電壓指的是什么？與爬電距離有什么關(guān)系？本文將從隔離電源的原理為你揭曉。
微電子行業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品使用場(chǎng)合的電磁環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也受到很大的影響。嵌入式產(chǎn)品的生產(chǎn)公司對(duì)產(chǎn)品加入各種隔離器件或隔離電路來(lái)減少工作現(xiàn)場(chǎng)的干擾，增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性。
電源作為嵌入式設(shè)備能源供給部分，是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的前提。電源的隔離尤為重要，電源隔離模塊的應(yīng)用也成為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的必備品。
在工業(yè)設(shè)備中，要求兩個(gè)設(shè)備之間的電源隔離，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個(gè)電源之間隔開，使他們相互獨(dú)立，從而減少外界干擾！
一、隔離電源的隔離耐壓和爬電距離介紹
1、隔離電源的隔離耐壓介紹
圖1 隔離電源內(nèi)部框圖
如圖1所示，隔離DC-DC電源模塊內(nèi)部框圖。
隔離耐壓指的是兩個(gè)沒有直接電氣連接的系統(tǒng)所能承受的最高絕緣電壓。
電源隔離使用場(chǎng)合不同，對(duì)應(yīng)的參數(shù)選擇也不用。如：AD-DC電源隔離，一般的工業(yè)場(chǎng)合要求隔離耐壓在3000VAC到4000VAC；DC-DC電源隔離一般工業(yè)場(chǎng)合要求1000VDC到2000VDC，特殊行業(yè)可能會(huì)高，醫(yī)療行業(yè)有要求6000VDC。
首先區(qū)別一下各項(xiàng)電壓指標(biāo)的單位，常見的又ADC、VAC和RMS，具體如下所示。
VAC/VDC分別指交流電壓與直流電壓，但隔離耐壓中交流與直流不能簡(jiǎn)單的進(jìn)行換算，例如，3000VAC的幅值電壓有4242V，但在實(shí)際應(yīng)用中隔離耐壓3000VAC與4242VDC并不等效。具體原因包括兩點(diǎn)，其一，對(duì)于隔離模塊，輸入輸出之間是存在隔離電容，對(duì)于直流信號(hào)，電容的阻抗無(wú)限大，因此隔離電容的大小對(duì)于直流信號(hào)沒有太大的影響，而對(duì)于交流信號(hào)就會(huì)有較大的影響，表現(xiàn)在漏電流會(huì)變大，或者直接超標(biāo)，系統(tǒng)報(bào)警。第二，AC與DC的另一個(gè)區(qū)別在于頻率會(huì)影響絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，頻率會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)降低，通常介電常數(shù)越高，絕緣能力越強(qiáng)。
RMS是指真有效值，簡(jiǎn)單而言即代表交流電相當(dāng)于直流電在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。也就是真有效值為10V的交流電與10V的直流電對(duì)相同的負(fù)載在相同的時(shí)間下所做的功相同。該單位通常不作為隔離耐壓的計(jì)量單位。
2、隔離電源爬電距離介紹
如何保證隔離耐壓的穩(wěn)定性和安全性，保證隔離電源模塊不被擊穿，我們就要計(jì)算爬電距離。兩個(gè)導(dǎo)電部件之間,或一個(gè)導(dǎo)電部件與設(shè)備及易接觸表面之間沿絕緣材料表面測(cè)量的最短空間距離沿絕緣表面放電的距離即泄漏距離也稱爬電距離，爬電距里=表面距離/系統(tǒng)最高電壓，根據(jù)污穢程度不同。
圖2 爬電距離示意圖
在IEC60950、GB4943-2011標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了不同電壓等級(jí)需要的最小安全距離，而安全距離又包括電氣間距和爬電距離兩種。對(duì)于開關(guān)電源主要需要保證最小安全距離的地方有以下兩個(gè)方面：
l一次側(cè)電路對(duì)外殼（保護(hù)地）的安全距離；
l一次側(cè)電路對(duì)二次側(cè)電路之間的安全距離。
隔離電源相較于非隔離電源的優(yōu)劣勢(shì)如下圖3所示。
圖3 隔離電源與非隔離電源對(duì)比
二、隔離電源的應(yīng)用
嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合各種干擾都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性帶來(lái)威脅，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，選擇好的隔離電源模塊和隔離通信模塊，能有效的屏蔽使用環(huán)境帶來(lái)的干擾，對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定工作帶來(lái)保障。
我們經(jīng)常會(huì)在媒體上看見一些手機(jī)充電爆炸，手機(jī)充電時(shí)觸電的新聞報(bào)道。隔離電源模塊能夠很好的保證產(chǎn)品的穩(wěn)定工作，更重要的是保護(hù)使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
隔離電源目前使用有兩種方式，器件分立搭建與采用DC-DC電源模塊，對(duì)比如下所示。
1、方案選擇
在產(chǎn)品性能需求稍微明了之后，那接下來(lái)就是開始設(shè)計(jì)開發(fā)了，首先要做的就是電路方案的選取了，下面為大家列舉一些比較常見的“反面教材”。
比如設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)市電交流輸入轉(zhuǎn)直流輸出的，很多人的第一時(shí)間就想到采用工頻變換電路方案，因?yàn)榇朔桨副容^簡(jiǎn)單，一個(gè)工頻變壓器，再加上個(gè)整流濾波就可以搞定，如下圖4所示。使用此方案的產(chǎn)品的效率非常低，并且產(chǎn)品的體積會(huì)非常之大，在應(yīng)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，并且多重工序?qū)訉颖ＷC變壓器的產(chǎn)品一致性，保證產(chǎn)品最終性能。
圖4 變壓器方案對(duì)比
2、物料選型及PCB設(shè)計(jì)
電路方案確定之后，接下來(lái)就需要進(jìn)行產(chǎn)品性能參數(shù)的設(shè)計(jì)，要對(duì)電路方案中的電子元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算與結(jié)構(gòu)物料選型，在這個(gè)環(huán)節(jié)必須從多方面進(jìn)行權(quán)衡。
其一，物料的選型。在專業(yè)的模塊電源廠商就可以做到兼得，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的不同規(guī)格需求，不同的應(yīng)用條件，舍掉無(wú)需的物料規(guī)格，選擇最優(yōu)的所需物料規(guī)格。
其二，電源模塊的PCB的設(shè)計(jì)。因?yàn)槟K電源產(chǎn)品有模塊電源的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范要求，它要考慮散熱設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、干擾設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等等，涉及的內(nèi)容非產(chǎn)多，所以PCB設(shè)計(jì)在模塊電源產(chǎn)品開發(fā)過程中是作為最重要的環(huán)節(jié)之一來(lái)對(duì)待的，如圖5所示。
圖5 PCB設(shè)計(jì)要求
致遠(yuǎn)電子隔離DC-DC電源可為用戶系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動(dòng)電壓，并有效解決靜電、浪涌所導(dǎo)致的供電不穩(wěn)問題，是板內(nèi)數(shù)據(jù)采集、通訊等子系統(tǒng)供電的理想方案。隔離電壓等級(jí)覆蓋1000VDC-6000VDC，滿足所有工況需求。
與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，致遠(yuǎn)電子定壓系列隔離電源模塊從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、芯片方案到元器件均采用業(yè)內(nèi)最優(yōu)方案 ，具備更高的集成度與可靠性， 能夠?yàn)橛脩鬒/O及通信隔離等應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)、可靠的解決方案。
