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凡亿专栏 | 隔离电源和非隔离电源,差别在哪里
隔离电源和非隔离电源,差别在哪里

隔离电源和非隔离电源,差别在哪里

两块电源模块都能输出5V,一块标着隔离,另一块没有,区别只是贵一点吗?不是。降压回答的是电压如何变化,隔离回答的是输入与输出之间有没有直接导电的连接。两件事不能混为一谈。对初学者,先弄清电路两侧的关系,比先背各种拓扑名字更重要:输出电压低,不自动等于可以安全触碰;板上有变压器,也不能单凭照片认定满足某项安全要求。我们先从连接关系入手,把这个常见概念讲清。

电源内部的变压器、储能电容与输出滤波器件各有分工。
图1:电源内部的变压器、储能电容与输出滤波器件各有分工。

电压变低了,连接关系未必改变

普通非隔离降压电路可以把较高的直流电压转换成较低电压,但输入与输出之间仍有直接的电气连接。常见降压模块的输入负端与输出负端就是同一个参考点。所谓参考点,是电路里用来说明其他节点电压的基准,并不天然等于大地。

因此,在输出端测到5V,只能说明测量两点之间的电压差是5V,不能单靠这个结果判断它们相对其他系统处于什么电位。尤其当输入端涉及危险电压时,不能把“低压输出”当作安全隔离的证明。图2的降压模块说明的是这类转换器外观,实际连接仍应以对应模块原理图和规格为准。

非隔离不意味着设计差。在允许共用参考地的低压系统里,它往往就是合适的方案。是否需要隔离,要由系统连接和安全要求决定,而不是把隔离当作所有项目都必须增加的一项高级功能。

降压模块实物;看到输出电压降低,仍不能据此判断是否具有电气隔离。
图2:降压模块实物;看到输出电压降低,仍不能据此判断是否具有电气隔离。

能量可以过去,导线不必直接连过去

隔离电源在输入与输出之间建立绝缘边界,使两侧不直接导电,同时让能量通过磁耦合等方式传递。变压器的两侧绕组就是一个容易理解的例子:原边绕组的变化产生磁场,副边绕组接收变化的磁通,由后续电路形成所需输出。

图3是一种反激类电路示意,重点看两个绕组之间没有直接导线。图中采用主动开关结构,不能把右侧开关一律当作普通二极管;不同实现的开关和控制方式会有区别。此处只用它识别隔离边界,不展开控制时序,也不提供可以直接照做的完整设计。

能量传递以外,输出稳不稳定还涉及控制。若控制器位于输入侧,却需要获得输出侧状态,相应反馈也要采用适合隔离边界的方式,或者通过其他已设计好的方法间接获得信息。不能画出了隔离绕组,却又用一根普通反馈导线把两侧直接连起来。

反激类电路的两侧绕组不直接连线,图中采用主动开关结构。
图3:反激类电路的两侧绕组不直接连线,图中采用主动开关结构。

有变压器,不代表安全问题已经解决

电源中的变压器局部;仅凭外观不能确认绝缘等级或安全认证。
图4:电源中的变压器局部;仅凭外观不能确认绝缘等级或安全认证。

看到图4这样的变压器,能够认识器件结构,但照片不能告诉我们绝缘系统能承受什么条件。具体是否满足用途,要核对器件规格、整机设计和对应的安全要求。隔离耐压指标、工作电压和长期可靠性也不是可以互相替代的概念。

此外,电气隔离并不意味着两侧之间完全没有任何耦合。实际器件仍可能有寄生电容等路径,因此“隔离了就绝对没有噪声”也不成立。不过,对第一次认识隔离的读者,此时不用急着推导这些细节,先把直接导电连接与其他耦合方式分开。

如果项目涉及市电、人体可接触端口或不同接地系统,应该在设计初期明确要求,并让有相应经验的人审核。不要通过带电拆开电源、临时跨接地线或改装测量设备来判断隔离。本文的图片用于认识结构,不是拆修步骤,更不是对某台设备安全等级的认定。

真正要检查的是整机边界

假设两个电路通过隔离电源供电,但随后接上一条普通通信线,这条线会不会重新连通两侧参考点?如果调试器、USB线或仪器地线跨过边界,又会改变什么?这些问题说明,电源隔离只能完成系统设计中的一部分。

图5把供电和信号画成两条需要分别处理的通道。实际检查时还要加入屏蔽层、机壳、保护地和调试连接。不是所有跨界连接都必须删除,而是要确认它们的用途、连接位置和设计依据;需要直接连接时,也应重新判断所声称的隔离范围是否仍然成立。

一个适合入门的动作,是先在整机框图上画一道边界线,再把所有跨线连接逐条列出:传什么、怎么传、是否直接导电、依据哪份规格。然后再选择合适的电源与接口方案。先画清关系,往往比只在物料表里寻找“隔离”两个字更接近工程问题本身。

隔离边界需要同时检查供电、信号和调试连接,不能只看电源模块。
图5:隔离边界需要同时检查供电、信号和调试连接,不能只看电源模块。

判断隔离,先看连接关系,再看器件和系统要求,不能只看输出电压或变压器外观。下次选择电源模块,先画输入侧、输出侧和全部跨界连接,明确哪些结论已有规格支持,哪些还需要审核。你的系统中,除了电源以外,通信线、调试线或机壳连接,会不会把原本打算分开的两侧重新连在一起?

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