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隔离式与非隔离式电源转换器

2019年12月3日作者 Ron Stull - 7 分钟阅读

隔离式和非隔离式电源有何区别？

简单说来，隔离式电源转换器通过电气和物理方法将电路分隔为两个部分，把输入与输出隔离开来，从而防止输入与输出之间产生直接电流流动（通常会利用变压器实现）。非隔离式电源转换器只有一个电路，电路中的电流可以在输入和输出之间直接流动。不熟悉电源的人员会另有疑问：隔离式与非隔离式电源各有什么优势？我如何知道自己的应用需要哪一种？

隔离基础知识

电镀隔离（通常简称“隔离”）是指电路的一部分和另一部分之间的物理和电气分离。隔离的结果是，每个隔离电路都有自己的回路或接地参考。在非隔离式转换器中（如图1左侧所示），输入和输出共用接地，电流可以在它们之间流动。但在隔离式转换器中（如图1右侧所示），输入和输出返回各自的独立接地，并且相互之间没有直接输送电流的路径。

隔离式转换器即使不允许电流在输入和输出之间流动，仍然必须将功率和信息从一侧传输到另一侧。有多种方法可以做到，但电源转换器通常依赖两种方法；通过变压器或耦合电感器的电磁场传输电力，而信号则利用信号变压器或采用光学隔离器的光学方式跨越隔离。

隔离不是绝对的。电压足够高，绝缘就会瓦解，电流即可流过。数据表通常会列出隔离电压，这是在没有电流流动的情况下，可在短时间内跨越隔离装置施加的电压。隔离额定值不可与工作电压混淆，这是可连续施加在隔离上而不发生隔离击穿的最大电压。

隔离的优势

有几种情况可能必须使用隔离式电源或借其为应用带来一些优势。这些情况包括安全合规、接地环路断路和电平转换。

安全合规

安全要求是使用隔离式电源转换器的常见原因。对于利用可能有危险的高压供电的转换器（例如通过交流电源供电的AC-DC转换器），隔离功能将输出与输入端的危险电压分隔开。

在关注安全问题时，还必须考虑隔离等级。应考量安全标准，以确定指定应用所需的绝缘级别。绝缘等级分为多种类型，包括功能、基础、补充和强化。

功能绝缘： 最为简单，而且虽然它提供隔离，却不会提供任何防触电保护。
基础绝缘： 只提供一个防触电保护层。
补充绝缘： 基础绝缘外加一道冗余屏障。
强化绝缘： 只有一层，却相当于两层基础屏障。

接地环路短路

由于隔离电源的输入和输出不共用接地，所以可以利用它们断开接地环路。噪声敏感型电路可以从中受益，可以断开接地，从而隔绝开可能引发问题的嘈杂电路。

浮动输出和电平转换

隔离转换器的另一个优势是浮动输出。尽管隔离输出的输出端子之间具有固定电压，但是相对于与之隔离的电路中的电压节点而言，它们没有确定或固定的电压，因而称为浮动电压。但是，浮动输出可以将其中一个端子连接到另一个电路节点，使其具有该节点的固定电压。可以利用这一点，相对于电路中的另一个点来转换或反转输出电压。

例如，图2显示将+Vout端子连接到输入接地端子后，就会迫使输出接地下降至低于输入接地的水平，降幅等于Vout的值。在进行此连接之前，Vin与Vout之间的电压不确定，连接之后就提供了共同的电势，使得两端相互联系起来。

如图3所示，将输出接地端子连接到+Vin端子之后，+Vout端子相对于输入接地就等于(Vin +Vout)。在这两种情况下，由于两端现在共用直接连接，因此都会失去从输入到输出的隔离。

具有浮动输出的多个隔离式转换器也可以串联，以提高输出电压或创建+/-电压轨，如图4所示。

应谨慎操作，确保输出真正产生浮动。例如，两个隔离式转换器如果有输出接地端子连接到机箱，就不再相对于彼此浮动；如果输出采用串联连接，就会跨越其中一个转换器形成短路，因为两个端子都会连接到机箱上。在AC-DC转换器中，有时会发生输出接地端子连接到地面的情况，此时即便该端子被隔离，也不再发生浮动。

非隔离的优势

尽管隔离具备许多优势，但仍然存在使用非隔离式转换器的理由，这包括成本、尺寸和性能。

节约成本

隔离式转换器常常比非隔离式转换器更昂贵。造成成本差异的主要因素是使用变压器代替电感器。变压器常常需要定制生产，而非隔离式转换器中的电感器可以购买成品。如果需要更高级别的绝缘（如安全合规所需的规格），成本还会继续增加。除变压器外，隔离式设计中还需要加装光耦合器等组件，而非隔离式设计中则无需加装。与非隔离式设计相比，所有这些加装件都增加了成本。