隔离or非隔离？电源选择大有讲究！-电路图讲解-电子技术方案

在给嵌入式系统设计电源电路，或选用成品电源模块时，要考虑的重要问题之一就是用隔离还是非隔离的电源方案。在进行讨论之前，我们先了解下隔离与非隔离的概念，及两者的主要特点。

一、电源隔离与非隔离的概念

电源的隔离与非隔离，主要是针对开关电源而言，业内比较通用的看法是：

1、隔离电源：电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路。

2、非隔离电源：输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的。

隔离电源示意图如图所示。

二、隔离电源与非隔离电源的优缺点

由上述概念可知，对于常用的电源拓扑而言，非隔离电源主要有：Buck、Boost、Buck-Boost等；而隔离电源主要有各种带隔离变压器的反激、正激、半桥、LLC等拓扑。

结合常用的隔离与非隔离电源，我们从直观上就可得出它们的一些优缺点，两者的优缺点几乎是相反的。

使用隔离或非隔离的电源，需了解实际项目对电源的需求是怎样的，但在此之前，可了解下隔离和非隔离电源的主要差别：

1、隔离模块的可靠性高，但成本高，效率差点。
2、非隔离模块的结构很简单，成本低，效率高，安全性能差。

因此，在如下几个场合，建议用隔离电源：

1、涉及可能触电的场合，如从电网取电，转成低压直流的场合，需用隔离的AC-DC电源；
2、串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据，这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源，而且各系统之间往往间隔较远，因此，我们通常需要隔离电源进行电气隔离来确保系统的物理安全，且通过隔离切断接地回路，来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真；
3、对外的I/O端口，为保证系统的可靠运行，也建议对I/O端口做电源隔离。

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1、基本名词

    常见的基本拓扑结构

    ■Buck降压
    ■Boost升压
    ■Buck-Boost降压-升压
    ■Flyback反激
    ■Forward正激
    ■Two-Transistor Forward双晶体管正激
    ■Push-Pull推挽
    ■Half Bridge半桥
    ■Full Bridge全桥
    ■SEPIC
    ■C’uk

    基本的脉冲宽度调制波形
    这些拓扑结构都与开关式电路有关。

    基本的脉冲宽度调制波形定义如下：

    2、Buck降压

    特点

    ■把输入降至一个较低的电压。
    ■可能是最简单的电路。
    ■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
    ■输出总是小于或等于输入。
    ■输入电流不连续 (斩波)。
    ■输出电流平滑。

  3、Boost升压

    特点

    ■把输入升至一个较高的电压。
    ■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。
    ■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
    ■输入电流平滑。
    ■输出电流不连续 (斩波)。

    4、Buck-Boost降压-升压

    特点

    ■电感、开关和二极管的另一种安排方法。
    ■结合了降压和升压电路的缺点。
    ■输入电流不连续 (斩波)。
    ■输出电流也不连续 (斩波)。
    ■输出总是与输入反向 (注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。
    ■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。

    5、Flyback反激

    特点

    ■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。
    ■输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。
    ■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。
    ■这是隔离拓扑结构中最简单的
    ■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

    6、Forward正激

    特点

    ■降压电路的变压器耦合形式。
    ■不连续的输入电流，平滑的输出电流。
    ■因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。
    ■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
    ■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。
    ■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

    7、Two-Transistor Forward双晶体管正激

    特点

    ■两个开关同时工作。
    ■开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。
    ■主要优点：
    ■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。
    ■无需对绕组磁道复位。

    8、Push-Pull推挽

    特点

    ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
    ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。

    9、Half-Bridge半桥

    特点

    ■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
    ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
    ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在FET上的电压与输入电压相等。

    10、Full-Bridge全桥

    特点

    ■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
    ■开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
    ■全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在 FETs上的电压与输入电压相等。
    ■在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。

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