14. 隔离电源模块
模块描述
隔离电源模块通过变压器或光耦实现输入输出电气隔离,隔离电压可达1000V-5000V。采用反激、正激、推挽等隔离拓扑,或成品隔离DC-DC模块(如B0505S、MGJ6D)。隔离电源可消除地环路干扰、提供安全隔离、实现不同地电位系统的互连。在电赛中用于信号隔离、高压侧采样、多系统互连、工业通信等场合,是安全和抗干扰的关键技术。
工作原理
[输入] → [隔离DC-DC] → [隔离输出]
12V 变压器隔离 12V
↓
[原边] [副边]
PWM开关 整流滤波
↓ ↓
[反馈光耦隔离]
↑ ↓
[PWM调节] [误差放大]
反激隔离拓扑:
开关导通:原边电感储能,副边二极管截止
开关关断:原边能量转移到副边,输出电容充电
隔离:变压器原副边完全隔离,无电气连接
反馈:TL431+光耦隔离反馈,调节输出电压
其他隔离方案:
正激:适合大功率,效率高
推挽:双管推挽,变压器利用率高
LLC谐振:高效率,软开关
技术指标
- 成品模块: B0505S-1W, MGJ6D-12V (6W), LMR50-24 (50W) - 输入电压: 5V/12V/24V (标称),范围±10% - 输出电压: 5V/12V/24V单路或±12V双路 - 输出功率: 1W-50W (常用) - 隔离电压: 1000V-5000V DC - 效率: 75-90% (取决于功率和拓扑) - 纹波: <100mV (1W模块), <50mV (高端模块) - 工作频率: 50kHz-500kHz - 温度范围: -40°C至+85°C - MTBF: >100万小时
接口管脚定义(B0505S示例)
| 管脚 | 名称 | 功能 | 说明 |
| —— | —— | —— | —— |
| 1 | -Vin | 输入负 | 输入地 |
| 2 | +Vin | 输入正 | +5V输入 |
| 3 | -Vout | 输出负 | 隔离地 |
| 4 | +Vout | 输出正 | +5V隔离输出 |
板上设置和信号指示
- 输入滤波: 100μF电解+100nF瓷片 - 输出滤波: 100μF电解+100nF瓷片 - 隔离模块: DIP或SMD封装隔离DC-DC - 隔离间隙: PCB上输入输出间隔>5mm - 爬电距离: 符合安规要求(隔离电压/V × 2mm) - LED指示: 输入侧和输出侧独立指示 - 测试点: 隔离前后电压测试点 - 安装: 模块加导热硅胶固定
电气指标
- 输入范围: ±10% (如4.5-5.5V for B0505S) - 输出精度: ±5% (无反馈), ±1% (带反馈) - 负载调整率: <3% (10%-100%负载) - 线性调整率: <1% - 隔离电压: 1000V DC (基本隔离), 3000V (加强隔离) - 隔离电容: <100pF (输入-输出) - 隔离电阻: >10^9Ω - 纹波噪声: <1% Vout (峰峰值) - 效率: 78-85% (1W), 85-90% (10W+) - 短路保护: 持续短路保护 - 过载保护: 130-150%额定功率
使用说明
1. 模块选择: 根据功率、隔离电压、输入输出电压选型 2. 输入滤波: 输入端并联电容,减小纹波和EMI 3. 输出滤波: 输出端并联电容,改善负载瞬态响应 4. 散热: >5W功率需加散热片或风冷 5. 隔离测试: 万用表测输入输出间电阻应>10MΩ 6. 耐压测试: 用耐压测试仪测试隔离电压 7. 负载测试: 阶跃负载测试输出稳定性 8. EMC: 输入输出加共模电感和磁珠
全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- 2019年C题: 线路负载及故障检测装置(高压侧隔离) - 2017年A题: 微电网模拟系统(多系统隔离) - 2013年A题: 单相AC-DC变换电路(高低压隔离) - 2011年: 数据采集系统(信号隔离) - 历年: 工业控制、高压测量类题目
应用技术要点总结
1. 隔离作用: 打断地环路、防止共模干扰、提供安全隔离 2. 功率选择: 留20-30%余量,避免过载降额 3. 并联扩流: 输出并联需均流电阻或用均流模块 4. 串联升压: 输出串联可得更高电压(注意隔离) 5. 双路输出: ±12V双路供运放等差分电路 6. 反馈隔离: 输出可调需光耦+TL431隔离反馈 7. 通信隔离: RS485/CAN配合隔离电源实现完全隔离 8. EMC设计: Y电容、共模电感抑制传导干扰