隔离式与非隔离式电源转换器

　　DC-DC 转换器的隔离是指电流隔离，这意味着电路的两个部分之间没有金属/直接传导路径。隔离将始终在输入级和输出级之间形成屏障，并且可能需要电路功能、安全或两者兼而有之。

　　图 1：典型隔离电路图

　　在隔离式转换器中，输入和输出级具有单独的接地，而在非隔离式转换器中，电流能够直接在两侧之间流动，因为它们共用一个接地。隔离通常是通过在电路中加入变压器来实现的，以便使用电磁能传输电力。这会造成一些效率损失，但使用精心设计的变压器，可以将其降至最低。

　　在某些情况下，有必要通过隔离边界路由信号。这对于需要反馈信号的稳压设备尤其必要。为了保持隔离，这些信号也必须被隔离。在交流信号的情况下，可以使用小型信号变压器，而对于直流信号，隔离通常由光耦合器提供。

　　绝缘是通过在导体之间提供电绝缘来实现的，要么与空气，要么更常见的是，使用某种形式的胶带或其他非导电材料。它通常表示为电压，施加高于此电平的电压会导致隔离击穿。

　　隔离转换器 – 优势

　　隔离的最大优势可能是安全合规性，尤其是在市电供电设备中。隔离栅可防止危险的电源电压出现在可能接触的输出端——这在患者可能直接连接到电路的医疗应用中尤其重要。

　　有四个主要的隔离级别

　　功能/操作绝缘：这仅出于操作原因，不提供任何冲击保护基本绝缘：提供防震保护的单层绝缘补充绝缘：在基本绝缘的基础上增加另一层以提供冗余加强绝缘：单一屏障提供双倍基本保护在许多应用中，噪声可能是一个问题，并且由于隔离电源不共享接地，它们可以插入电路中以消除接地环路。这对于将敏感的模拟轨与嘈杂的数字轨分开很有用。

　　非隔离式转换器 – 优势

　　图 2：典型的非隔离电路图

　　一般而言，非隔离式转换器的使用灵活性不如隔离式转换器。但是，它们确实为不需要隔离的设计人员带来了许多好处。

　　主要区别在于非隔离式转换器没有变压器，并且不需要在输入和输出之间进行任何物理分离，因此这通常会使它们更小更轻。它还提高了效率，因为无需考虑变压器损耗。

　　非隔离式转换器的设计往往更简单，因为跨越隔离边界的任何信号都不需要隔离，从而无需光隔离器和/或信号变压器。BOM 的减少意味着非隔离式转换器的成本往往更低。

　　多转换器系统

　　在需要多个电源轨的更复杂的系统中，使用多个转换器将单个输入电压转换为系统所需的所有电压。如果需要隔离，则不必对所有转换器进行隔离。通常，“大容量”转换器用于在进一步转换之前将输入电压降低到较低水平。

　　中压轨被称为“中间总线”，大容量转换器通常被称为“中间总线转换器”（IBC）——它们在电信系统中很常见，它们将标称的 48/53 V 电池电压转换为 12 V ，在一系列非隔离式转换器产生各种负载所需的电压之前。由于这些转换器放置在它们所馈送的负载附近，因此这些转换器通常被称为“负载点”转换器 (PoL)。

　　随着计算、数据中心和人工智能 (AI) 等高性能应用的最新趋势，将电源电压从 12 V 转移到 48 V，主要是为了减少电流和相关损耗，因此正在考虑中间总线方法。

　　但是，由于这些类型的应用由 AC/DC 开关模式电源 (SMPS) 供电，因此无需在 IBC 内进行隔离，因为 SMPS（如果指定正确）包含系统所需的安全隔离。这意味着设计这些系统的工程师能够利用新型非隔离 IBC，它具有尺寸更小、效率更高和成本更低的优势。

　　概括

　　隔离在电源解决方案中是一项非常有用的功能，因为它能够提供安全操作、减少噪声/接地环路，并允许电压轨相互之间的配置方式具有灵活性。

　　然而，在能够使用非隔离式转换器的地方，设计人员能够利用更小的尺寸、更高的效率和更低的成本。