隔離式和非隔離式電源有何區別？各有什么優勢？

隔離式和非隔離式電源有何區別？

簡單說來，隔離式電源轉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生直接電流流動（通常會利用變壓器實現）。非隔離式電源轉換器只有一個電路，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勢？我如何知道自己的應用需要哪一種？

隔離基礎知識

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。在非隔離式轉換器中（如圖1左側所示），輸入和輸出共用接地，電流可以在它們之間流動。但在隔離式轉換器中（如圖1右側所示），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：非隔離式降壓轉換器（左），隔離式反激轉換器（右）

隔離式轉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傳輸到另一側。有多種方法可以做到，但電源轉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隔離器的光學方式跨越隔離。

隔離不是絕對的。電壓足夠高，絕緣就會瓦解，電流即可流過。數據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，這是可連續施加在隔離上而不發生隔離擊穿的最大電壓。

隔離的優勢

有幾種情況可能必須使用隔離式電源或借其為應用帶來一些優勢。這些情況包括安全合規、接地環路斷路和電平轉換。

安全合規

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

在關注安全問題時，還必須考慮隔離等級。應考量安全標準，以確定指定應用所需的絕緣級別。絕緣等級分為多種類型，包括功能、基礎、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。

基礎絕緣：只提供一個防觸電保護層。

補充絕緣：基礎絕緣外加一道冗余屏障。

強化絕緣：只有一層，卻相當于兩層基礎屏障。

接地環路短路

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問題的嘈雜電路。

浮動輸出和電平轉換

隔離轉換器的另一個優勢是浮動輸出。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點，使其具有該節點的固定電壓?？梢岳眠@一點，相對于電路中的另一個點來轉換或反轉輸出電壓。

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換器也可以串聯，以提高輸出電壓或創建+/-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

應謹慎操作，確保輸出真正產生浮動。例如，兩個隔離式轉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；如果輸出采用串聯連接，就會跨越其中一個轉換器形成短路，因為兩個端子都會連接到機箱上。在AC-DC轉換器中，有時會發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，也不再發生浮動。

非隔離的優勢

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

節約成本

隔離式轉換器常常比非隔離式轉換器更昂貴。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，而非隔離式轉換器中的電感器可以購買成品。如果需要更高級別的絕緣（如安全合規所需的規格），成本還會繼續增加。除變壓器外，隔離式設計中還需要加裝光耦合器等組件，而非隔離式設計中則無需加裝。與非隔離式設計相比，所有這些加裝件都增加了成本。

縮小尺寸

非隔離式轉換器往往比隔離式轉換器小。上述增加成本的組件占用的空間也比非隔離式設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

非隔離式轉換器的效率和穩壓性能也常常優于隔離式轉換器。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，達到更好的穩壓和瞬態性能。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。

結論

選擇隔離式還是非隔離式轉換器，要取決于許多因素。某些應用出于安全原因需要隔離，另一些則可以通過斷開接地環路或轉換參考電壓來利用浮動輸出的優勢。但是，如果不需要隔離，非隔離式轉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勢是選擇合適轉換器以實現優化設計的關鍵。

審核編輯：劉清