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電源的隔離設計淺談

 隔離器件在電力電子設備上選用的元器件中十分重要,尤其在高電壓及大功率應用中不可或缺。典型的隔離器件被用于功能性隔離和安全隔離等功能電路,分別用于實現(xiàn)高壓功率電路和低壓控制電路的隔離,以及控制電路及可能被人體觸摸的接口電路的隔離。

 隔離系統(tǒng)設計框圖:

 之所以需要在變頻驅動及電源設計中使用隔離電路,其原因主要在于以下幾方面:

  • (1)降低噪聲干擾,電源中大功率器件開關動作產(chǎn)生的di/dt和dv/dt信號變化,經(jīng)由PCB布線的寄生參數(shù)或者其他電路的耦合通路,會在低壓電路信號中產(chǎn)生較高的噪聲,干擾電路正常工作。通過引入隔離器件,可以有效的分離功率電路和低壓控制電路,減小控制電路的噪聲。
  • (2)器件耐壓要求,通常變頻驅動及電源設備的主功率電路連接到危險電壓,比如AC 220V/380V電路,經(jīng)過整流后的直流電壓也高達540V以上,然而控制電路通常連接到安全地電壓,因此功率電路與住功率電路間需要隔離。
  • (3)設備互聯(lián),這些設備通常還需要與其他控制器連接,形成網(wǎng) 絡化控制,網(wǎng)絡中的設備可能并不連接在同一個地電平上,如果沒有隔離器件的存在,這些信號鏈路上的器件可能因為不同的地電平之間的壓差而損壞。
  • (4)安規(guī)絕緣要求,電力電子設備的部分電路可能會和人體或導 電外殼接觸,這部分電路應當處于安全電壓并與危險電壓電路完全隔離開來以滿足絕緣要求。
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k6666
LV.9
2
2021-04-12 19:10

功率電路、控制電路、接口電路的接地、電壓等級不同,安規(guī)要求也不同,因此他們之間通常都需要使用隔離器件實現(xiàn)電氣分離。不同的應用需求下有不同的隔離方案。功率電路和控制電路之間采用隔離型功率半導體驅動芯片,隔離型的電流電壓檢測等??刂齐娐泛徒涌陔娐分g采用數(shù)字輸入輸出信號的隔離芯片,隔離型的ADC和DAC芯片等。如果功率電路和控制電路之間的隔離已經(jīng)滿足了產(chǎn)品對應的全部安規(guī)及絕緣耐壓要求,那么控制電路和接口電路之間可以省去隔離。出于成本或器件選型考慮,也可以通過兩層隔離電路的靈活組合達到雙重絕緣的效果。

目前業(yè)界電源隔離方案主要有兩種:

一種是使用變壓器磁隔離+光耦光電隔離組合實現(xiàn)初級側與次級側之間的電氣隔離。這種方式,電路簡單成熟普遍,較容易實現(xiàn),能實現(xiàn)高輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能,滿足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。比如:

另一種是只用變壓器磁隔離的方案,這種變壓器磁隔離原邊反饋采樣方式,對變壓器的一致性要求比較高,且輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能比較差。其實行業(yè)內也有人研究過采用壓電陶瓷隔離,全新技術,性能很難達到前面兩種方式,且儀器設備投入成本非常高,就基本沒有再被研究推廣使用。

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k6666
LV.9
3
2021-04-12 19:20
@k6666
功率電路、控制電路、接口電路的接地、電壓等級不同,安規(guī)要求也不同,因此他們之間通常都需要使用隔離器件實現(xiàn)電氣分離。不同的應用需求下有不同的隔離方案。功率電路和控制電路之間采用隔離型功率半導體驅動芯片,隔離型的電流電壓檢測等??刂齐娐泛徒涌陔娐分g采用數(shù)字輸入輸出信號的隔離芯片,隔離型的ADC和DAC芯片等。如果功率電路和控制電路之間的隔離已經(jīng)滿足了產(chǎn)品對應的全部安規(guī)及絕緣耐壓要求,那么控制電路和接口電路之間可以省去隔離。出于成本或器件選型考慮,也可以通過兩層隔離電路的靈活組合達到雙重絕緣的效果。目前業(yè)界電源隔離方案主要有兩種:一種是使用變壓器磁隔離+光耦光電隔離組合實現(xiàn)初級側與次級側之間的電氣隔離。這種方式,電路簡單成熟普遍,較容易實現(xiàn),能實現(xiàn)高輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能,滿足目前電子產(chǎn)品的高性能要求。比如:[圖片]另一種是只用變壓器磁隔離的方案,這種變壓器磁隔離原邊反饋采樣方式,對變壓器的一致性要求比較高,且輸出電壓精度、線性調整率和負載調整率性能比較差。其實行業(yè)內也有人研究過采用壓電陶瓷隔離,全新技術,性能很難達到前面兩種方式,且儀器設備投入成本非常高,就基本沒有再被研究推廣使用。[圖片]

電源隔離PCB電路設計布局注意事項:在印刷電路板上布置隔離電源時,您將不得不接受這樣的事實,即您將要使用一些更大的組件。根據(jù)PCB電路設計的需要,這些變壓器可能會變得很大,并且可能會將您的放置策略拋諸腦后。 

您還應該提前計劃電源需要的PCB層堆疊。您將要確保在多層板配置中,電源組件所在的板的外層與敏感布線可能通過的內層之間具有電源或接地層。

在電源設計中,還應考慮其他一些布局注意事項:

放置:目標是保持電源連接盡可能短和直接,因此請保持盡可能緊密。首先從電源的主要組件開始,然后放置其余部分。您還需要將零件保持在電路板的同一側以進行直接布線,并消除通孔引起的任何阻抗。

布線:與展示位置一起使用時,布線應盡可能短而直接。確保使用足夠寬的走線寬度來處理當前負載。您還應該以45度角布線電源跡線中的拐角或將其倒圓。另一個重要的一點是要避免將其他信號走線盡可能地穿過電源區(qū)域。

接地層:為電源創(chuàng)建良好的牢固接地方案對于控制噪聲很重要。為了創(chuàng)建好的電源接地,使用實心平面而不是走線。創(chuàng)建電源的接地層也是一個好主意,該接地層與板的其余部分的公共接地層分開。這樣可以將電流返回路徑的噪聲與設計的其余部分隔離開,并防止常規(guī)的信號返回路徑試圖沖過公共平面上的嘈雜接地區(qū)域。然后,兩個接地層應在單個點連接,以使它們盡可能彼此隔離。

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lkings
LV.6
4
2021-07-13 20:24

滿足安規(guī)距離要求,用變壓器隔離,或者光耦。

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iszjt
LV.5
5
2021-07-14 13:54

感謝樓主分享?。。?/p>

我們經(jīng)常會在媒體上看見一些手機充電爆炸,手機充電時觸電的新聞報道。隔離電源模塊能夠很好的保證產(chǎn)品的穩(wěn)定工作,更重要的是保護使用者的生命和財產(chǎn)安全。如圖:隔離電源內部框圖

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2021-07-23 12:20
@k6666
電源隔離PCB電路設計布局注意事項:在印刷電路板上布置隔離電源時,您將不得不接受這樣的事實,即您將要使用一些更大的組件。根據(jù)PCB電路設計的需要,這些變壓器可能會變得很大,并且可能會將您的放置策略拋諸腦后。 您還應該提前計劃電源需要的PCB層堆疊。您將要確保在多層板配置中,電源組件所在的板的外層與敏感布線可能通過的內層之間具有電源或接地層。在電源設計中,還應考慮其他一些布局注意事項:放置:目標是保持電源連接盡可能短和直接,因此請保持盡可能緊密。首先從電源的主要組件開始,然后放置其余部分。您還需要將零件保持在電路板的同一側以進行直接布線,并消除通孔引起的任何阻抗。布線:與展示位置一起使用時,布線應盡可能短而直接。確保使用足夠寬的走線寬度來處理當前負載。您還應該以45度角布線電源跡線中的拐角或將其倒圓。另一個重要的一點是要避免將其他信號走線盡可能地穿過電源區(qū)域。接地層:為電源創(chuàng)建良好的牢固接地方案對于控制噪聲很重要。為了創(chuàng)建好的電源接地,使用實心平面而不是走線。創(chuàng)建電源的接地層也是一個好主意,該接地層與板的其余部分的公共接地層分開。這樣可以將電流返回路徑的噪聲與設計的其余部分隔離開,并防止常規(guī)的信號返回路徑試圖沖過公共平面上的嘈雜接地區(qū)域。然后,兩個接地層應在單個點連接,以使它們盡可能彼此隔離。

關注樓主更新,爬電距離對應的不同電壓標準和不用應用場合,能否講講,謝謝。

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2021-07-27 12:08

變壓器+光耦隔離比較常見

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lw200666
LV.2
8
2021-08-05 14:01

pwm ic有的方案放在原邊十光耦。有方案放在副邊+驅動變壓器,這兩種隔離哪種好,各有什么優(yōu)點?

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