Cô lập - những điều cơ bản

Cách ly trong bộ chuyển đổi DC/DC là cách ly điện hóa , nghĩa là không có đường dẫn kim loại/dẫn điện trực tiếp giữa hai phần của mạch. Cách ly này luôn tạo ra một rào cản giữa tầng đầu vào và tầng đầu ra, và có thể cần thiết cho chức năng mạch, an toàn hoặc cả hai.

Trong bộ chuyển đổi cách ly, tầng đầu vào và đầu ra có đất riêng biệt, trong khi ở bộ chuyển đổi không cách ly, dòng điện có thể chạy trực tiếp giữa hai đầu vì chúng dùng chung đất. Sự cách ly thường được tạo ra bằng cách tích hợp một biến áp vào mạch để công suất được truyền tải bằng năng lượng điện từ. Điều này có thể gây ra một số tổn thất hiệu suất, nhưng với một biến áp được thiết kế cẩn thận, điều này có thể được giảm thiểu.

Trong một số trường hợp, cần phải định tuyến tín hiệu qua ranh giới cách ly. Điều này đặc biệt cần thiết với các thiết bị được điều chỉnh khi cần tín hiệu phản hồi. Để duy trì tính cách ly, các tín hiệu này cũng phải được cách ly. Trong trường hợp tín hiệu AC, có thể sử dụng một biến áp tín hiệu nhỏ, trong khi đối với tín hiệu DC, việc cách ly thường được thực hiện bằng bộ ghép quang.

Sự cách điện được tạo ra bằng cách cung cấp lớp cách điện giữa các dây dẫn, có thể bằng không khí hoặc thường xuyên hơn là bằng băng dính hoặc vật liệu không dẫn điện khác. Độ cách điện thường được biểu thị bằng điện áp, và việc đặt điện áp cao hơn mức này có thể làm mất khả năng cách điện.

Bộ chuyển đổi riêng biệt – những lợi ích

Có lẽ lợi thế lớn nhất của cách ly là tuân thủ an toàn, đặc biệt là trong các thiết bị sử dụng nguồn điện lưới. Rào chắn cách ly ngăn ngừa điện áp nguồn nguy hiểm xuất hiện ở đầu ra, nơi chúng có thể tiếp xúc - điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như y tế, nơi bệnh nhân có thể được kết nối trực tiếp với mạch điện.

Có bốn cấp độ cô lập chính

• Cách điện chức năng / vận hành: chỉ dành cho mục đích vận hành và không cung cấp bất kỳ khả năng bảo vệ chống sốc nào
• Lớp cách nhiệt cơ bản: một lớp cách nhiệt duy nhất có khả năng chống sốc
• Lớp cách điện bổ sung: thêm một lớp nữa vào lớp cơ bản để tạo sự dự phòng
• Lớp cách nhiệt được gia cố: một lớp chắn duy nhất cung cấp khả năng bảo vệ gấp đôi so với lớp cách nhiệt cơ bản

Trong nhiều ứng dụng, nhiễu có thể là một vấn đề, và vì các nguồn riêng biệt không dùng chung đất, chúng có thể được lắp vào mạch để loại bỏ các vòng tiếp địa. Điều này có thể hữu ích để tách đường ray analog nhạy cảm khỏi đường ray kỹ thuật số nhiễu.

Bộ chuyển đổi không cách ly – những lợi ích

Nhìn chung, bộ chuyển đổi không cách ly kém linh hoạt hơn khi sử dụng so với bộ chuyển đổi cách ly. Tuy nhiên, chúng mang lại một số lợi ích cho các nhà thiết kế khi không yêu cầu cách ly.

Sự khác biệt chính là bộ chuyển đổi không cách ly không có biến áp và không yêu cầu bất kỳ sự tách biệt vật lý nào giữa đầu vào và đầu ra, vì vậy điều này thường làm cho chúng nhỏ hơn và nhẹ hơn. Nó cũng cải thiện hiệu suất vì không cần tính đến tổn thất biến áp.

Thiết kế của bộ chuyển đổi không cách ly thường đơn giản hơn vì không cần cách ly ở bất kỳ tín hiệu nào vượt qua ranh giới cách ly, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ cách ly quang và/hoặc bộ biến áp tín hiệu. Việc giảm thiểu chi phí sản xuất đồng nghĩa với việc bộ chuyển đổi không cách ly thường có chi phí thấp hơn.

Hệ thống đa bộ chuyển đổi

Trong các hệ thống phức tạp hơn yêu cầu nhiều đường điện, nhiều bộ chuyển đổi được sử dụng để chuyển đổi một điện áp đầu vào thành tất cả các điện áp mà hệ thống yêu cầu. Nếu cần cách ly, không nhất thiết phải cách ly tất cả các bộ chuyển đổi. Thông thường, một bộ chuyển đổi "khối" được sử dụng để giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn trước khi chuyển đổi tiếp theo.

Đường ray điện áp trung bình được gọi là "bus trung gian" và bộ chuyển đổi khối thường được gọi là "bộ chuyển đổi bus trung gian" (IBC) – chúng phổ biến trong các hệ thống viễn thông, nơi chúng chuyển đổi điện áp danh định 48/53 V của pin thành 12 V, trước khi một loạt các bộ chuyển đổi không cách ly tạo ra điện áp cần thiết cho các tải khác nhau. Vì các bộ chuyển đổi này được đặt gần các tải mà chúng cấp nguồn, chúng thường được gọi là bộ chuyển đổi "điểm tải" (PoL).

Với xu hướng gần đây trong các ứng dụng hiệu suất cao như điện toán, trung tâm dữ liệu và trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm chuyển điện áp cung cấp từ 12 V sang 48 V, chủ yếu để giảm dòng điện và tổn thất liên quan, phương pháp bus trung gian cũng đang trở thành lựa chọn phổ biến ở đó.

Tuy nhiên, vì các loại ứng dụng này được cấp nguồn bằng nguồn điện chuyển mạch AC/DC (SMPS) nên thường không cần cách ly an toàn bên trong IBC vì SMPS (nếu được chỉ định đúng) đã bao gồm cách ly an toàn theo yêu cầu của hệ thống. Điều này có nghĩa là các kỹ sư thiết kế các hệ thống này có thể tận dụng một loại IBC không cách ly mới, mang lại lợi ích về kích thước nhỏ hơn, mật độ công suất cao hơn, hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn.

Bản tóm tắt

Cách ly là một tính năng rất hữu ích trong các giải pháp điện vì nó có thể đảm bảo hoạt động an toàn, giảm tiếng ồn/vòng lặp tiếp đất và cho phép linh hoạt trong cách cấu hình các thanh điện áp liên quan đến nhau.

Tuy nhiên, khi có thể sử dụng bộ chuyển đổi không cách ly, các nhà thiết kế có thể tận dụng được lợi thế về kích thước nhỏ hơn, mật độ công suất cao hơn, hiệu quả tốt hơn và chi phí thấp hơn.

Kiến trúc bus trung gian đã phổ biến trong nhiều thập kỷ và cho đến gần đây, IBC vẫn là một thiết bị biệt lập. Tuy nhiên, vì phương pháp này đang tìm kiếm các ứng dụng mới như điện toán hiệu năng cao và truyền dữ liệu, nên IBC không cần tính năng biệt lập vì nó đã có trong các hệ thống SMPS front-end.