隔离式与非隔离式电源：无故障的正确选择

在您作为PCB设计人员的职业生涯中，您的设计可能会受到某种监管要求的限制。无论是医疗、汽车、军事还是其他任何领域，您的设计最终都可能会受到审查并达到非常高的标准。通常，当这些法规生效时，电源隔离（或缺乏电源隔离）就会突然成为一个热门话题。

什么是电源隔离，什么是隔离式电源？电源隔离其实就是字面意思：电源与系统中的其余电路隔离。这是电力系统中的常见措施，并且理由充分。例如，使用非隔离式电源为您的医疗PCB供电时，通过电源进入设备的危险冲击或电涌的风险更大，可能会伤害用户（甚至可能伤害患者！）。

隔离式和非隔离式电源与设计人员和用户安全息息相关。本文中，我们谈论的不仅仅是您在实验室找到的交流或直流电源装置。对于许多数字和嵌入式系统，电源都集成在电路板中，而不是以单个集成电路的形式出现。电源隔离，即使集成到电路板或多电路板系统中，也有助于保护最终用户和其他设备。因此，让我们都帮自己一个忙，在开始设计之前考虑隔离式电源与非隔离式电源之间的区别。

什么是隔离式电源？

隔离式电源是一种与其供电的电路其余部分采取电气隔离的电源，通常通过隔离变压器实现。这意味着功率和电压从输入传输到输出，而这两个部分之间没有直接的电气连接。这些电源可以接受来自交流电源的大输入电压，并将输入转换为较低电压。后续的PFC和稳压器级可用于将输出电流限制为稳定值，从而确保下游元件免受电源输入的大电压和电流浪涌的影响。

对于实验室级的直流或交流电源，用户需要与隔离式电源的输出级进行交互。换句话说，用户可能需要插拔电线，调整前面板上的一些设置，或者以其他方式处理电源装置。通过隔离输入与输出，电源的最终用户在使用电源时受到电击的风险降低。通过隔离式电源，将交流转换为直流的典型拓扑结构如下所示。

通过隔离式变压器实现隔离式电源输出级的简单拓扑结构。

在上面的拓扑中，降压型变压器显示在输入端（在任何输入EMI滤波和整流器电路之间）作为交流-直流转换的一部分，但通常将其放置在整流器和PFC级之后，特别是在隔离式直流-直流开关转换器中。通常，在需要隔离的高电流开关直流-直流转换器中，隔离式直流-直流电源设计中的策略需要使用门驱动器电路提供的脉冲流以驱动MOSFET的半桥或全桥阵列。这基本是在谐振式LLC转换器中完成的。然后，该电路的脉动输出通过变压器降至较低电压，并通过电容器组进行平滑处理。这也是在反激式转换器中完成的，反激式转换器是一种常见类型的隔离式直流-直流开关转换器，尽管拓扑可能不同。

上面的拓扑并没有明确地向您展示一些重要的内容：如何真正实现隔离以及整体接地策略。在隔离式电源中，最多可能有3个接地区域：

• 初级接地（PGND）：这是变压器初级侧的接地区域，即电源的输入端。如果连接到单相或三相交流，输入端也可能存在地线连接（见下文）作为输入EMI滤波器电路中的连接。此接地区域应该延伸到变压器的初级端，其边缘定义了系统中出现隔离的位置。
• 次级接地（SGND）：此接地区域从变压器的次级侧开始，为系统的其余部分提供接地参考。该区域可能在您的系统中处于浮动状态，但在高电压系统中，如果次级接地在电源接地参考电平附近振荡，则次级端将与浮动导体一样，会产生很大的噪声。这两个GND区域均采用Y型电容，在交流处受到抑制。
• 机箱（地线）接地（PE或GND）：如果隔离式电源系统中存在这种情况，则通常是安全接地。它不应连接到隔离式电源的输出端，也不应连接到系统中任何下游设备或电路板的电源回路。机箱不是载流导体，除非发生故障。

请注意，无需标号“PGND”和“SGND”；就技术层面而言，您可以随意命名您的网络。如何实际连接这些区域以消除噪声并确保安全，同时保持直流隔离，这取决于具体应用。以下是一些可帮助您开始使用这些系统的资源：

• 如何在隔离式电源PCB布局中接地
• 用于电镀PCB安装孔的PCB接地技术

设计示例

下图显示了涉及隔离式电源的设计示例。在此电源中，我们实际上在输入和输出之间应用了两个级别的隔离：

• 最初在交流电输入处
• 在推挽式开关级和输出之间。

交流输入级未在下方显示，因为有多个参考设计可以处理初始交流/直流转换任务。交流整流级的输出被馈送到PFC电路，该电路通过开关操作来补偿转换器功率转换效率的降低。隔离式开关级如下所示。

这是一个LLC谐振开关转换器，它是我在其他地方展示的设计的变体。还有一个额外的门驱动器电路，可切换此谐振转换器初级侧和次级侧。我们知道此转换器是隔离式，因为初级和次级接地是不同的网络；它们仅与安全电容器相连接。

其他标准隔离式电源拓扑如下所示。这些只是拓扑；还需要门驱动器来驱动开关操作。反馈机制也用于真正的隔离式电源；反馈电路测量输出并调整驱动，PWM信号用于维持目标电压。

关于上述拓扑需要注意的一点是，电路可以部分或全部集成到集成电路中。这些集成电路提供高电流隔离，但具有低噪声所需的集成反馈和支持电路系统。它们更常用于需要低噪声和高效率的低功率系统。

变压器提供电流隔离

隔离式电源使用隔离变压器，在输入和输出部分之间提供电流隔离。变压器只是利用每个线圈中的交流电产生的磁场在线圈之间传输功率，并且电压会升高或降低，具体取决于变压器中的匝数比。通过变压器进行隔离的好处是，变压器上的输入和输出线圈之间没有直接的电气连接；每一端的导体不会相互接触。功率通过感应在设备的两个接地区域之间传输。这可以保护变压器下游的任何元件免受输入端的高电压/电流的影响，或者换句话说，下游的所有东西都是“隔离的”。

当需要反馈环路来监视和控制输出功率时，通常使用光隔离器将输出连接回较早的稳压器级。该元件使用一个红外二极管来确保高功率和低功率稳压器级之间的隔离。对于以低电压/电流运行的电源，通常可以将光隔离器直接连接到输出，尽管有些光隔离器IC可以接收更大的电压/电流水平。

隔离式电源需要考虑的一点是其效率。所有变压器都有一些损耗，既有绕组散热的形式，也有铁芯交变磁化引起的。输入交流电流振荡时，磁芯中使用的磁性材料（通常是铁或铁的铁磁合金）会被反复磁化。当交流输入产生的磁场非常大时，就会导致磁芯中的磁化饱和，从而限制输出功率（降低效率）并产生更大的磁芯损耗。这是决定变压器两端主要电压等级的因素之一。

此类型变压器可能出现在大型隔离式电源中。

隔离式与非隔离式电源

既然我们知道是什么将电源与您的电路板隔离，那么很明显，将变压器从设计链中移除会突然使其成为非隔离式电源。设计没有电源隔离的电路板很常见，但如果您在高功率下工作或使用快速开关电源，请在您的设计过程中考虑最终用户。如果您的客户受到电击，他们不但不会遗忘，还会让您官司缠身。

设计这些非隔离式电源设计的好处很多。首先，与隔离式电源设计相比，您将享受更多的电路板空间，因为您不需要在外壳中放置变压器。市场上有一些用于较低电压/电流的小型现成变压器，但随着您扩大规模，您将获享更多的电路板空间。您还可以使用非隔离式电源提高效率并从中获益。

非隔离式电源的设计总是存在触电风险。

值得注意的是，通常的做法是将非隔离式电源稳压器放置在隔离式电源或隔离式开关稳压器的下游。在此策略中，隔离式电源被放置在高功率交流或直流电源上，然后将电压降至对标准直流稳压器集成电路或电压调节器电路足够安全的水平。这有点复杂，但它的优点是可以检查您的安全要求以提供适当的保护。这方面的示例可能有点像为下游的少数设备（非隔离）供电的独立式医疗电源（隔离）。

哪一种适合您？

总之，通常电路板上的电源调节电路只是一个非隔离式电源。它们由不需要隔离的小型稳压器电路或芯片构建，因为它们可能不会产生大量电流，也不会在非常高的电压下运行。即使它们确实以高电流运行，用户也可能永远不会以有电击风险的方式与系统交互。因此，非隔离式电源适用于大多数小型电路板。通常只是一个降压转换器，然后是LDO，以将功率调节到所需水平。

如果您需要大功率交流到直流转换或大功率直流到直流转换，您通常会使用隔离式电源，而且很多时候电源会设计到自己的电路板上。接下来的进程取决于电源的特定特性（交流与直流、电源与电池等）、外壳的使用方式以及连接到电源的任何下游电路或系统中接地的定义方式。

如前所述，受监管行业通常需要隔离式电源，并且必须符合特定标准。示例包括：

• IEC 60601-1医疗设备安全标准
• IEC 62368-1，用于IT和AV设备（取代IEC 60950-1和IEC 60065）
• IEC 61204-7:2016，用于通用开关模式电源。

一些法规没有指定某些行业标准（例如，美国FDA在21CFR870.3605中对心血管设备的规定），但他们确实强制执行安全与EMC测试，以确保这些设备在其预期环境中完全兼容其他电子产品和基本安全标准。

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