非隔離電源你所不知道的優勢

2020-11-27 電子產品世界

　　你是不是認為所有工業現場系統的電源都應該使用隔離方案來提高可靠性呢?那你可能就走進了電源使用的誤區了，或許非隔離電源方案更適合你，這裡將為你一一揭曉。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201711/371314.htm

　　對電源進行隔離的初衷是為了將電源的前級設備與後級設備隔離開來，即使是前級設備出了問題也不會損壞後級設備。但在工作環境良好或整個系統的地是共用的場合中使用隔離電源的意義就並不大了，此時可以就使用非隔離電源，其電路拓撲更簡單，體積更小，效率極高並且具備短路保護、欠壓保護等功能。以下是容易被大家小看的高性能電源方案。

　　一、非隔離BUCK電源拓撲優勢

　　首先，非隔離Buck拓撲電路器件少，電路簡單。如下圖1所示，控制器通過控制Buck電路的開關MOSFET管T1並讓它工作在截止或飽和區來使輸入輸出達到伏秒平衡，從而得到我們所期望的輸出電壓。

　　其次，其相較於隔離電源轉換效率更高。由於少了變壓器的能量傳遞損耗，與使電晶體工作在放大區的傳統LDO三端穩壓器比起來損耗更低，如下圖2所示，兩者裸機大小差不多，但LDO線性電源由於效率低需要加散熱片，而非隔離BUCK電源可直接用電路中無需散熱片。

　　  

　　圖1 經典Buck拓撲電路

　　  

　　圖2 傳統LDO穩壓(左)與BUCK穩壓(右)

　　二、集成Buck降壓轉換晶片

　　你可能會疑問，非隔離Buck電源為什麼能夠有這樣的優勢呢?

　　非隔離Buck電源之所以能有這樣的優勢，(是由於使用了高集成的Buck晶片)是由於使用了集成Buck降壓轉換晶片，該晶片以Buck拓撲為框架將各種保護電路嵌入晶片內，使得Buck降壓電源模塊更加安全可靠。下圖3為某品牌的小體積降壓轉換晶片內部電路框圖，其尺寸長寬僅為3mm x 2mm，具有短路保護、過熱關斷保護、欠壓保護等功能，電路環路採用電壓、電流雙環控制，使得系統的穩定性更好，擁有不錯的電壓調整率與負載調整率，並且該類IC為了提高輕載效率，在輕載時自動進入調頻模式，通過降低開關頻率及損耗來提高輕載效率。

　　  

　　圖3 集成Buck電源轉換晶片內部框圖

　　三、Buck非隔離降壓模塊性能與可靠性

　　採用集成Buck降壓轉換晶片為方案的非隔離電源模塊不僅體積更小，且各項性能較優越。在Buck的設計中除了考慮基本的性能參數，還需要考慮什麼呢?

　　以廣州致遠電子公司自主研發的型號為E7815OS-500的非隔離降壓開板式電源模塊為例，該型號的基本參數如下表1所示。各項參數均為行業領先水平，且在10%負載下的轉換效率更是高達91%。

　　  

　　表1 E7815OS-500基本性能參數

　　除了基本參數，我們更多需要考慮的是它的可靠性。我們都知道，電子設備的可靠性及使用壽命與其模塊中電子器件的溫度、電壓應力、電流應力及所處的環境溫度有關。模塊中關鍵電子器件工作的環境越惡劣，電子器件的工作溫度越高可靠性與壽命就越低，一般器件的最大工作結溫為150℃，工作結溫的降額越充足，則器件的可靠性就越高。

　　如下表2所示為該電源模塊在常溫25℃下，從低壓19V到高壓36V各關鍵電子器件的溫度熱成像圖片，從圖中可以看出該模塊的關鍵器件表面最高溫度不超過80℃，經過理論計算其內部結溫不超過100℃，可保證模塊的可靠性。

　　  

　　表2 關鍵器件溫度

　　如下表3所示為集成IC內部MOSFET與外部續流二極體在常溫25℃下的實測電壓應力及電流應力，其電壓、電流應力留有一定裕量保證模塊可靠性。

　　  

　　表3 關鍵器件電壓、電流應力

　　四、在應用中怎樣提高非隔離電源的可靠性

　　設計完一款非隔離電源之後，我們要如何保證在現場應用中發揮其優越的性能呢?

　　首先要明確的是非隔離模塊雖然沒有隔離前後級的特性，但只要在一些應用場合中提高它的可靠性是完全可以不需要具有隔離功能的電源模塊，因此提高非隔離電源的應用可靠性是極其重要的。

　　從使用者出發，做到預留充足的餘量。大多數電源設計工程師在權衡性能指標、器件成本下，往往做不到把所有電子器件的安全工作裕量留得很足，在某些異常情況下想要更好的提高模塊的可靠性，應用的工程師除了要按照數據手冊的要求使用外，在選用模塊時也要留有30%以上的降額，這裡的降額不僅指輸出負載的降額，也指輸入電壓的降額。例如：如下表4所示，型號為E7815OS-500的非隔離電源模塊輸入電壓在24V以下時效率較高，而負載在50%~70%內效率較高且穩定，則可以選擇在輸入電壓為19V~24V、負載為50%~70%內使用可靠性相對安全性較高。

　　從開發人員出發，設計進行完善的可靠性測試。當然，除了對輸入電壓、負載電流進行降額使用以外，還可以增加外圍電路通過電磁兼容(EMC)相關的實驗來提高它的可靠性。

　　  

　　表4 效率與電壓、負載關係曲線圖

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