隔離式和非隔離式電源有何區(qū)別？

簡單說來，隔離式電源轉(zhuǎn)換器通過電氣和物理方法將電路分隔為兩個部分，把輸入與輸出隔離開來，從而防止輸入與輸出之間產(chǎn)生直接電流流動（通常會利用變壓器實現(xiàn)）。非隔離式電源轉(zhuǎn)換器只有一個電路，電路中的電流可以在輸入和輸出之間直接流動。不熟悉電源的人員會另有疑問：隔離式與非隔離式電源各有什么優(yōu)勢？我如何知道自己的應(yīng)用需要哪一種？

隔離基礎(chǔ)知識

電鍍隔離（通常簡稱“隔離”）是指電路的一部分和另一部分之間的物理和電氣分離。隔離的結(jié)果是，每個隔離電路都有自己的回路或接地參考。在非隔離式轉(zhuǎn)換器中（如圖1左側(cè)所示），輸入和輸出共用接地，電流可以在它們之間流動。但在隔離式轉(zhuǎn)換器中（如圖1右側(cè)所示），輸入和輸出返回各自的獨立接地，并且相互之間沒有直接輸送電流的路徑。

圖1：非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器（左），隔離式反激轉(zhuǎn)換器（右）

隔離式轉(zhuǎn)換器即使不允許電流在輸入和輸出之間流動，仍然必須將功率和信息從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。有多種方法可以做到，但電源轉(zhuǎn)換器通常依賴兩種方法；通過變壓器或耦合電感器的電磁場傳輸電力，而信號則利用信號變壓器或采用光學(xué)隔離器的光學(xué)方式跨越隔離。

隔離不是絕對的。電壓足夠高，絕緣就會瓦解，電流即可流過。數(shù)據(jù)表通常會列出隔離電壓，這是在沒有電流流動的情況下，可在短時間內(nèi)跨越隔離裝置施加的電壓。隔離額定值不可與工作電壓混淆，這是可連續(xù)施加在隔離上而不發(fā)生隔離擊穿的最大電壓。

隔離的優(yōu)勢

有幾種情況可能必須使用隔離式電源或借其為應(yīng)用帶來一些優(yōu)勢。這些情況包括安全合規(guī)、接地環(huán)路斷路和電平轉(zhuǎn)換。

安全合規(guī)

安全要求是使用隔離式電源轉(zhuǎn)換器的常見原因。對于利用可能有危險的高壓供電的轉(zhuǎn)換器（例如通過交流電源供電的AC-DC轉(zhuǎn)換器），隔離功能將輸出與輸入端的危險電壓分隔開。

在關(guān)注安全問題時，還必須考慮隔離等級。應(yīng)考量安全標準，以確定指定應(yīng)用所需的絕緣級別。絕緣等級分為多種類型，包括功能、基礎(chǔ)、補充和強化。

功能絕緣：最為簡單，而且雖然它提供隔離，卻不會提供任何防觸電保護。

基礎(chǔ)絕緣：只提供一個防觸電保護層。

補充絕緣：基礎(chǔ)絕緣外加一道冗余屏障。

強化絕緣：只有一層，卻相當于兩層基礎(chǔ)屏障。

接地環(huán)路短路

由于隔離電源的輸入和輸出不共用接地，所以可以利用它們斷開接地環(huán)路。噪聲敏感型電路可以從中受益，可以斷開接地，從而隔絕開可能引發(fā)問題的嘈雜電路。

浮動輸出和電平轉(zhuǎn)換

隔離轉(zhuǎn)換器的另一個優(yōu)勢是浮動輸出。盡管隔離輸出的輸出端子之間具有固定電壓，但是相對于與之隔離的電路中的電壓節(jié)點而言，它們沒有確定或固定的電壓，因而稱為浮動電壓。但是，浮動輸出可以將其中一個端子連接到另一個電路節(jié)點，使其具有該節(jié)點的固定電壓。可以利用這一點，相對于電路中的另一個點來轉(zhuǎn)換或反轉(zhuǎn)輸出電壓。

例如，圖2顯示將+Vout端子連接到輸入接地端子后，就會迫使輸出接地下降至低于輸入接地的水平，降幅等于Vout的值。在進行此連接之前，Vin與Vout之間的電壓不確定，連接之后就提供了共同的電勢，使得兩端相互聯(lián)系起來。

圖2：反向連接

如圖3所示，將輸出接地端子連接到+Vin端子之后，+Vout端子相對于輸入接地就等于(Vin +Vout)。在這兩種情況下，由于兩端現(xiàn)在共用直接連接，因此都會失去從輸入到輸出的隔離。

圖3：輔助配置

具有浮動輸出的多個隔離式轉(zhuǎn)換器也可以串聯(lián)，以提高輸出電壓或創(chuàng)建+/-電壓軌，如圖4所示。

圖4：使用兩個隔離式單輸出制作的正負電壓軌

應(yīng)謹慎操作，確保輸出真正產(chǎn)生浮動。例如，兩個隔離式轉(zhuǎn)換器如果有輸出接地端子連接到機箱，就不再相對于彼此浮動；如果輸出采用串聯(lián)連接，就會跨越其中一個轉(zhuǎn)換器形成短路，因為兩個端子都會連接到機箱上。在AC-DC轉(zhuǎn)換器中，有時會發(fā)生輸出接地端子連接到地面的情況，此時即便該端子被隔離，也不再發(fā)生浮動。

非隔離的優(yōu)勢

盡管隔離具備許多優(yōu)勢，但仍然存在使用非隔離式轉(zhuǎn)換器的理由，這包括成本、尺寸和性能。

節(jié)約成本

隔離式轉(zhuǎn)換器常常比非隔離式轉(zhuǎn)換器更昂貴。造成成本差異的主要因素是使用變壓器代替電感器。變壓器常常需要定制生產(chǎn)，而非隔離式轉(zhuǎn)換器中的電感器可以購買成品。如果需要更高級別的絕緣（如安全合規(guī)所需的規(guī)格），成本還會繼續(xù)增加。除變壓器外，隔離式設(shè)計中還需要加裝光耦合器等組件，而非隔離式設(shè)計中則無需加裝。與非隔離式設(shè)計相比，所有這些加裝件都增加了成本。

縮小尺寸

非隔離式轉(zhuǎn)換器往往比隔離式轉(zhuǎn)換器小。上述增加成本的組件占用的空間也比非隔離式設(shè)計采用的組件占用的空間多。除了用電感器代替變壓器之外，非隔離式轉(zhuǎn)換器還常常采用更高的切換頻率運行，這就進一步縮小了磁性組件和電容器的尺寸。

效率

非隔離式轉(zhuǎn)換器的效率和穩(wěn)壓性能也常常優(yōu)于隔離式轉(zhuǎn)換器。變壓器和光耦合器再次成為引起性能差異的主要影響因素。沒有了隔離屏障，就可以直接檢測和嚴格控制輸出，達到更好的穩(wěn)壓和瞬態(tài)性能。它們因為尺寸小，所以能夠更加接近負載放置，以減少輸電線路效應(yīng)。

結(jié)論

選擇隔離式還是非隔離式轉(zhuǎn)換器，要取決于許多因素。某些應(yīng)用出于安全原因需要隔離，另一些則可以通過斷開接地環(huán)路或轉(zhuǎn)換參考電壓來利用浮動輸出的優(yōu)勢。但是，如果不需要隔離，非隔離式轉(zhuǎn)換器就可以降低成本、縮小尺寸和/或提高效率。了解隔離的成本和優(yōu)勢是選擇合適轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

審核編輯：劉清