«23-летняя стюардесса авиакомпании China Southern Airlines получила удар током, разговаривая по своему iPhone 5 во время зарядки», — эта новость привлекла широкое внимание в интернете. Могут ли зарядные устройства представлять опасность для жизни? Эксперты анализируют утечку тока через трансформатор внутри зарядного устройства для мобильных телефонов, утечку переменного тока 220 В на постоянный контакт и через линию передачи данных на металлический корпус мобильного телефона, что в конечном итоге приводит к поражению электрическим током и необратимой трагедии.
Почему же выходное напряжение зарядного устройства для мобильного телефона составляет 220 В переменного тока? На что следует обратить внимание при выборе изолированного источника питания? Как отличить изолированные и неизолированные источники питания? Общепринятое мнение в отрасли:
1. Изолированный источник питания: Между входным контуром и выходным контуром источника питания нет прямого электрического соединения, а вход и выход находятся в изолированном высокоомном состоянии без токового контура, как показано на рисунке 1:
2, неизолированный источник питания:Между входом и выходом имеется петля постоянного тока, например, вход и выход являются общими. В качестве примеров взяты изолированная схема обратноходового преобразователя и неизолированная схема понижения напряжения (BUCK), как показано на рисунке 2. Рисунок 1. Изолированный источник питания с трансформатором.
1. Преимущества и недостатки изолированного и неизолированного источников питания.
Согласно вышеизложенным концепциям, для общей топологии источника питания неизолированный источник питания в основном включает в себя понижающий, повышающий, понижающе-повышающий и т. д. Источник питания с изоляцией в основном имеет различные топологии обратноходового, прямого хода, полумостового, LLC и другие топологии с изолирующими трансформаторами.
В сочетании с обычно используемыми изолированными и неизолированными источниками питания мы можем интуитивно понять некоторые из их преимуществ и недостатков; преимущества и недостатки этих двух вариантов практически противоположны.
Чтобы использовать изолированные или неизолированные источники питания, необходимо понимать, какие источники питания необходимы для конкретного проекта, но перед этим следует разобраться в основных различиях между изолированными и неизолированными источниками питания:
① Изолирующий модуль имеет высокую надежность, но высокую стоимость и низкую эффективность.
②Конструкция неизолированного модуля очень проста, имеет низкую стоимость, высокую эффективность и низкие показатели безопасности.
Поэтому в следующих случаях рекомендуется использовать изолированный источник питания:
① В случаях, когда существует вероятность поражения электрическим током, например, при переходе от сети к источникам постоянного тока с низким напряжением, необходимо использовать изолированный источник питания переменного и постоянного тока;
② Последовательная шина связи передает данные через физические сети, такие как RS-232, RS-485 и локальную сеть контроллера (CAN). Каждая из этих взаимосвязанных систем оснащена собственным источником питания, и расстояние между системами часто бывает большим. Поэтому для обеспечения физической безопасности системы обычно требуется изолировать источник питания. Изолирование и отключение контура заземления защищает систему от воздействия переходных высоковольтных помех и снижает искажение сигнала.
③ Для внешних портов ввода/вывода, чтобы обеспечить надежную работу системы, рекомендуется изолировать источник питания портов ввода/вывода.
Сводная таблица представлена в Таблице 1, а преимущества и недостатки этих двух вариантов практически противоположны.
Таблица 1 Преимущества и недостатки изолированных и неизолированных источников питания
2. Выбор изолированного и неизолированного источника питания
Понимая преимущества и недостатки изолированных и неизолированных источников питания, каждый из которых имеет свои преимущества, мы смогли сделать точные выводы о некоторых распространенных вариантах встраиваемых источников питания:
① Источник питания системы обычно используется для улучшения помехоустойчивости и обеспечения надежности.
② Питание ИС или части схемы на печатной плате, исходя из экономичности и объема, преимущественное использование неизолированных схем.
③ В целях безопасности, при подключении к источнику переменного тока муниципальной электросети или источнику питания медицинского назначения для обеспечения безопасности человека необходимо использовать источник питания. В некоторых случаях необходимо использовать источник питания для усиления изоляции.
④ Для электроснабжения удаленных промышленных коммуникаций, чтобы эффективно снизить влияние географических различий и помех в проводных соединениях, обычно используется отдельный источник питания для питания каждого узла связи.
⑤ При использовании батарейного питания используется неизолированный источник питания для обеспечения строгого срока службы батарей.
Понимая преимущества и недостатки изолированного и неизолированного питания, мы обнаруживаем, что у каждого из них есть свои преимущества. Для некоторых распространённых встраиваемых источников питания мы можем кратко описать причины их выбора.
1.Iизолированный источник питания
Для повышения помехозащищенности и обеспечения надежности обычно используют изоляцию.
В целях безопасности, если вам необходимо подключиться к источнику переменного тока муниципальной электросети или источнику питания для медицинского использования и бытовой техники, чтобы обеспечить безопасность человека, вы должны использовать источник питания, такой как MPS MP020, для оригинальной обратной связи переменного тока и постоянного тока, подходящий для приложений мощностью 1 ~ 10 Вт;
Для электроснабжения удаленных промышленных коммуникаций, с целью эффективного снижения влияния географических различий и помех в проводных соединениях, обычно используется раздельное электропитание для питания каждого узла связи отдельно.
2. Неизолированный источник питания
Питание ИС или какой-либо схемы на печатной плате зависит от соотношения цены и объема, а также предпочтительным является решение без изоляции, например, понижающий неизолированный преобразователь переменного тока в постоянный серии MPS MP150/157/MP174, подходящий для 1 ~ 5 Вт;
В случае рабочего напряжения ниже 36 В для подачи питания используется аккумуляторная батарея, при этом предъявляются строгие требования к долговечности, поэтому предпочтительны неизолированные источники питания, такие как MP2451/MPQ2451 от MPS.
Преимущества и недостатки изолированного и неизолированного источников питания
Понимая преимущества и недостатки изолированных и неизолированных источников питания, можно сказать, что у каждого из них есть свои преимущества. При выборе некоторых распространённых встраиваемых источников питания можно руководствоваться следующими критериями оценки:
В целях безопасности, если вам необходимо подключиться к источнику переменного тока муниципальной электросети или источнику питания для медицинских целей, чтобы обеспечить безопасность человека, вы должны использовать источник питания, а в некоторых случаях необходимо использовать источник питания с усиленной изоляцией.
Как правило, требования к напряжению изоляции питания модуля не очень высоки, но более высокое напряжение изоляции может обеспечить меньший ток утечки питания модуля, более высокую безопасность и надежность, а также улучшенные характеристики электромагнитной совместимости. Поэтому общий уровень напряжения изоляции превышает 1500 В постоянного тока.
3, меры предосторожности при выборе модуля изоляции питания
Сопротивление изоляции источника питания также называется электрической прочностью в национальном стандарте GB-4943. Этот стандарт GB-4943 устанавливает стандарты безопасности информационного оборудования, которые часто используются для предотвращения физического и электрического воздействия на человека, включая предотвращение поражения человека электрическим током, физических повреждений и взрывов. Ниже представлена структурная схема изолированного источника питания.
Схема структуры изоляции мощности
В качестве важного показателя мощности модуля стандарт также устанавливает требования к изоляции и методу испытания на герметичность. Как правило, при простых испытаниях используется метод равнопотенциального соединения. Принципиальная схема подключения выглядит следующим образом:
Значимая диаграмма сопротивления изоляции
Методы испытаний:
Установите напряжение сопротивления напряжения на указанное значение сопротивления напряжения, ток установите на указанное значение утечки, а время установите на указанное значение времени испытания;
Рабочие манометры начинают проверку и начинают опрессовку. В течение заданного времени испытания модуль должен быть чистым и без дугового разряда.
Обратите внимание, что модуль питания сварки следует выбирать во время тестирования, чтобы избежать повторной сварки и повреждения модуля питания.
Кроме того, обратите внимание:
1. Обратите внимание, является ли это AC-DC или DC-DC.
2. Изоляция силового модуля изоляции. Например, соответствует ли напряжение постоянного тока 1000 В требованиям к изоляции.
3. Проведение комплексных испытаний на надежность изолирующего силового модуля. Силовой модуль должен пройти следующие испытания: тестирование производительности, испытания на допуски, испытания в переходных условиях, испытания на надежность, испытания на электромагнитную совместимость (ЭМС), испытания на высокие и низкие температуры, испытания в экстремальных условиях, испытания на ресурс, испытания на безопасность и т. д.
4. Стандартизирована ли производственная линия изолированных силовых модулей. Линия по производству силовых модулей должна пройти ряд международных сертификаций, таких как ISO9001, ISO14001, OHSAS18001 и т. д., как показано на рисунке 3 ниже.
Рисунок 3 Сертификация ISO
5. Применяется ли изолирующий силовой модуль в суровых условиях, таких как промышленность и автомобилестроение? Силовой модуль применяется не только в суровых промышленных условиях, но и в системах управления BMS (системами управления зданием) новых энергетических транспортных средств.
4,Tвосприятие изолированной и неизолированной силы
Прежде всего, разъясняется недоразумение: многие люди думают, что неизолированное питание не так хорошо, как изолированное, поскольку изолированное питание стоит дорого, поэтому оно и должно быть дорогим.
Почему сейчас у всех сложилось впечатление, что изолированная система питания лучше, чем неизолированная? На самом деле, эта идея осталась в силе несколько лет назад. Поскольку неизолированная система питания в предыдущие годы действительно не имела никакой изоляции и стабильности, но с развитием технологий НИОКР неизолированная система питания достигла высокого уровня зрелости и становится всё более стабильной. Говоря о безопасности, следует отметить, что неизолированная система питания также очень безопасна. Даже если её структура немного изменена, она по-прежнему безопасна для человеческого организма. По этой же причине неизолированная система питания может соответствовать многим стандартам безопасности, например, Ultuvsaace.
Фактически, основная причина повреждения неизолированного источника питания вызвана скачком напряжения на обоих концах линии переменного тока. Можно также сказать, что волна молнии является скачком напряжения. Это напряжение представляет собой мгновенное высокое напряжение на обоих концах линии переменного тока, иногда достигающее трех тысяч вольт. Но время очень короткое, а энергия чрезвычайно сильна. Это происходит во время грозы или в той же линии переменного тока, когда отключается большая нагрузка, потому что также возникает инерция тока. Изолирующая схема BUCK мгновенно передает сигнал на выход, повреждает кольцо обнаружения постоянного тока или далее повреждает чип, вызывая прохождение 300 В и сжигание всей лампы. В изолирующем антиагрессивном источнике питания будет поврежден МОП-транзистор. Это явление заключается в том, что выгорают накопитель, чип и МОП-трубки. В настоящее время светодиодные источники питания выходят из строя во время использования, и более 80% из них являются этими двумя похожими явлениями. Более того, небольшие импульсные источники питания, даже адаптеры питания, часто выходят из строя из-за этого явления, вызванного волновым напряжением, а в блоках питания светодиодов оно встречается ещё чаще. Это связано с тем, что нагрузочные характеристики светодиодов особенно чувствительны к волновому напряжению.
Согласно общей теории, чем меньше компонентов в электронной схеме, тем выше её надёжность, и чем меньше надёжность печатной платы, тем ниже надёжность компонентов. Фактически, неизолированные схемы менее надёжны, чем изолированные. Почему же надёжность изолирующей схемы высокая? На самом деле, дело не в надёжности, а в слишком высокой чувствительности неизолированной схемы к перенапряжению, низкой ингибирующей способности и изолирующей схеме, поскольку энергия сначала поступает в трансформатор, а затем от него передаётся светодиодной нагрузке. Понижающая схема является частью входного источника питания, непосредственно подключаемого к светодиодной нагрузке. Следовательно, вероятность повреждения первой схемы от перенапряжения высока, так как она подавляет и ослабляет перенапряжение, поэтому её вероятность невелика. На самом деле, проблема отсутствия изоляции в основном связана с проблемой перенапряжения. В настоящее время эта проблема заключается в том, что светодиодные лампы можно увидеть только с вероятностью, которую они могут увидеть с вероятностью. Поэтому многие не предлагают эффективного метода предотвращения. Многие не знают, что такое волновое напряжение. Светодиодные лампы выходят из строя, и причину не удается найти. В конце концов, есть только одно предложение: «Что этот блок питания нестабилен, и это будет исправлено». Где конкретно эта нестабильность, он не знает.
Неизолированный источник питания эффективен, а второе — более выгоден по стоимости.
Неизолированные источники питания подходят для следующих случаев: Во-первых, это внутренние светильники. В таких условиях электроснабжение лучше, а влияние волн невелико. Во-вторых, область применения — низкое напряжение и небольшой ток. Неизолированные источники питания не имеют смысла при низком напряжении, поскольку эффективность при низком напряжении и больших токах не выше, чем у изолированных, а стоимость значительно ниже. В-третьих, неизолированные источники питания используются в относительно стабильной среде. Конечно, если решить проблему подавления скачков напряжения, область применения неизолированных источников питания значительно расширится!
Из-за проблемы волн нельзя недооценивать уровень повреждений. Как правило, при ремонте, возврате, повреждении страховки, микросхем и МОП-транзисторов в первую очередь следует учитывать проблему волн. Чтобы снизить уровень повреждений, необходимо учитывать факторы перенапряжения при проектировании или прекращать работу устройств, когда они используются, и стараться избегать перенапряжения. (Например, выключайте лампы в помещении на время ремонта).
Подводя итог, можно сказать, что использование изолированных и неизолированных источников питания часто обусловлено проблемой волновых нагонов, а проблемы волн и электроснабжения тесно связаны. Поэтому зачастую невозможно использовать изолированное и неизолированное питание одновременно. Стоимость очень выгодна, поэтому для питания светодиодов необходимо выбирать либо неизолированное, либо изолированное питание.
5. Резюме
В этой статье рассматриваются различия между изолированным и неизолированным питанием, а также их преимущества и недостатки, возможности адаптации и выбор изолированного питания. Надеюсь, инженеры смогут использовать это в качестве справочного материала при проектировании продукта. А в случае выхода продукта из строя, быстро определить проблему.
Время публикации: 08 июля 2023 г.
