「中国南方航空の23歳の客室乗務員が、充電中のiPhone5で通話中に感電死した」というニュースは、ネット上で大きな注目を集めています。充電器は命を危険にさらすのでしょうか？専門家は、携帯電話の充電器内部の変圧器の漏電、220VACの交流電流が直流端に漏電し、データ線を通って携帯電話の金属ケースに至り、最終的に感電死に至り、取り返しのつかない悲劇を引き起こしたと分析しています。
では、なぜ携帯電話の充電器の出力は220V ACなのでしょうか？絶縁型電源を選ぶ際には、どのような点に注意すべきでしょうか？絶縁型電源と非絶縁型電源の違いは何でしょうか？業界では次のような見解が一般的です。
1. 絶縁電源: 電源の入力ループと出力ループの間には直接の電気的接続はなく、図1に示すように、入力と出力は電流ループのない絶縁された高抵抗状態にあります。
2、非絶縁電源：入力と出力の間に直流ループが存在する場合、例えば入力と出力が共通である場合などです。図2に示すように、絶縁型フライバック回路と非絶縁型バック回路を例として挙げます。図1 トランスを用いた絶縁型電源
1.絶縁電源と非絶縁電源のメリットとデメリット
上記の概念によれば、一般的な電源トポロジーの場合、非絶縁電源には主に降圧、昇圧、バックブーストなどが含まれます。絶縁電源には主にフライバック、フォワード、ハーフブリッジ、LLC、および絶縁トランスを使用したその他のさまざまなトポロジーが含まれます。
一般的に使用されている絶縁型電源と非絶縁型電源を組み合わせると、それぞれの長所と短所を直感的に理解できます。両者の長所と短所はほぼ逆です。
絶縁型電源または非絶縁型電源を使用するには、実際のプロジェクトで電源がどのように必要になるかを理解する必要がありますが、その前に、絶縁型電源と非絶縁型電源の主な違いを理解しておく必要があります。
① 絶縁モジュールは信頼性が高いですが、コストが高く、効率が低いです。
②非絶縁モジュールの構造は非常にシンプルで、コストが低く、効率が高く、安全性能が低いです。
したがって、次のような場合には、絶縁電源を使用することをお勧めします。
① 系統から低電圧の直流電力を得る場合など、感電の危険がある場合は、絶縁型交流直流電源を使用する必要があります。
② シリアル通信バスは、RS-232、RS-485、コントローラローカルエリアネットワーク（CAN）などの物理ネットワークを介してデータを伝送します。これらの相互接続されたシステムはそれぞれ独自の電源を備えており、システム間の距離が離れている場合が多くあります。そのため、システムの物理的なセキュリティを確保するには、通常、電源を電気的に分離する必要があります。接地ループを分離・遮断することで、システムは過渡的な高電圧の影響から保護され、信号歪みが低減されます。
③ 外部I/Oポートについては、システムの信頼性の高い動作を確保するために、I/Oポートの電源を分離することをお勧めします。
まとめると表1のようになりますが、両者のメリットとデメリットはほぼ正反対です。
表1 絶縁型電源と非絶縁型電源の長所と短所
2、絶縁電源と非絶縁電源の選択
絶縁型電源と非絶縁型電源の長所と短所を理解することで、それぞれに独自の長所があり、一般的な組み込み電源のオプションについて正確な判断を下すことができます。
① システムの電源は、一般的に耐干渉性能を向上させ、信頼性を確保するために使用されます。
② ICや回路基板内の一部の回路の電源には、コスト効率や量産性を重視し、非絶縁方式を優先的に採用する。
③ 安全確保のため、市営電力のAC-DC電源または医療用電源に接続する必要がある場合は、人体への安全を確保するため、必ず電源を使用してください。場合によっては、絶縁を強化するために電源を使用する必要があります。
④ 遠隔産業通信の電源については、地理的な違いや配線結合干渉の影響を効果的に低減するために、通常、各通信ノードに単独で電力を供給する個別電源が使用されます。
⑤ バッテリー電源を使用する場合は、バッテリー寿命を厳守するために非絶縁電源を使用します。
絶縁型電源と非絶縁型電源のメリットとデメリットを理解することで、それぞれにメリットがあります。一般的に使用される組み込み電源設計において、絶縁型電源と非絶縁型電源が選ばれるケースをまとめました。
1.I絶縁電源
耐干渉性能を向上させ、信頼性を確保するために、通常は絶縁が使用されます。
安全上の安全要件のため、市営電力のAC-DC、または医療用、白物家電の電源に接続する必要がある場合は、人の安全を確保するために、1〜10Wのアプリケーションに適した、MPS MP020などのオリジナルフィードバックAC-DC電源を使用する必要があります。
遠隔産業通信の電源については、地理的な差異や配線結合干渉の影響を効果的に低減するために、各通信ノードに単独で電力を供給する個別電源が一般的に使用されています。
2. 非絶縁電源
IC または回路基板の一部の回路は、価格比と容量によって電源が供給され、非絶縁ソリューションが好まれます。たとえば、MPS MP150/157/MP174 シリーズ降圧非絶縁 AC-DC は 1 ~ 5W に適しています。
動作電圧が 36V 未満の場合は、バッテリーを使用して電源を供給しますが、耐久性に関して厳しい要件があり、MPS の MP2451/MPQ2451 などの非絶縁電源が優先されます。
絶縁電源と非絶縁電源のメリットとデメリット
絶縁型電源と非絶縁型電源のメリットとデメリットを理解することで、それぞれにメリットがあります。一般的に使用される組み込み電源の選択肢については、以下の判断基準に従うことができます。
安全要件のため、市営電力のAC-DCまたは医療用電源に接続する必要がある場合は、人の安全を確保するために、電源を使用する必要がありますが、場合によっては絶縁電源を強化する必要があります。
一般的に、モジュール電源の絶縁電圧に対する要件はそれほど高くありませんが、絶縁電圧を高くすることで、モジュール電源のリーク電流が低減し、安全性と信頼性が向上し、EMC特性も向上します。そのため、一般的な絶縁電圧レベルは1500VDC以上です。
3絶縁電源モジュールの選択に関する注意事項
電源装置の絶縁抵抗は、GB-4943国家規格では耐電気強度とも呼ばれています。このGB-4943規格は、いわゆる情報機器の安全基準であり、人体への物理的・電気的損傷を防止するための国家規格であり、感電、物理的損傷、爆発などによる人体への損害を回避することが含まれています。以下は、絶縁電源の構造図です。
分離電源構造図
モジュール電力の重要な指標として、絶縁および耐圧試験方法の基準も規格に規定されています。一般的に、簡易試験では等電位接続試験が用いられます。接続回路図は以下の通りです。
絶縁抵抗の重要な図
試験方法:
耐電圧を規定の耐電圧値に設定し、電流を規定の漏れ電流値に設定し、時間を規定の試験時間値に設定します。
動作圧力計が試験を開始し、加圧を開始します。規定の試験時間中、モジュールにはパターンやフライアークが発生していない状態である必要があります。
溶接が繰り返されてパワーモジュールが損傷するのを防ぐため、テスト時に溶接パワーモジュールを選択する必要があることに注意してください。
さらに、次の点に注意してください。
1. AC-DC か DC-DC かに注意してください。
2. 絶縁電源モジュールの絶縁。例えば、1000V DCが絶縁要件を満たしているかどうか。
3. 絶縁電源モジュールは包括的な信頼性試験を受けているか。電源モジュールは、性能試験、耐性試験、過渡条件試験、信頼性試験、EMC電磁両立性試験、高温・低温試験、極限試験、寿命試験、安全性試験などを実施する必要があります。
4. 絶縁型電源モジュールの生産ラインが標準化されているかどうか。電源モジュールの生産ラインは、図3に示すように、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001など、いくつかの国際認証を取得する必要があります。
図3 ISO認証
5. 絶縁電源モジュールは、産業や自動車などの過酷な環境に適用されるか。電源モジュールは、過酷な産業環境だけでなく、新エネルギー車のBMS管理システムにも適用されます。
4,T孤立力と非孤立力の認識
まず、誤解を説明します。多くの人は、非絶縁電源は絶縁電源ほど優れていないと考えています。絶縁電源は高価なので、高価に違いないからです。
なぜ今、誰もが非絶縁型電源よりも絶縁型電源の方が良いと考えているのでしょうか？実は、この考え方は数年前の考え方にとどまっています。以前の非絶縁型電源は、確かに絶縁性と安定性に欠けていましたが、研究開発技術の進歩により、非絶縁型電源は非常に成熟し、より安定したものになっています。安全性について言えば、実は非絶縁型電源も非常に安全です。構造を少し変更するだけで、人体への安全性は変わりません。同じ理由で、非絶縁型電源はUltuvsaaceなど、多くの安全基準にも合格しています。
実は、非絶縁型電源の損傷の根本原因は、電源ACラインの両端に発生するサージ電圧です。雷サージとも呼ばれます。この電圧は、ACラインの両端に瞬間的に発生する高電圧で、時には3000ボルトに達することもあります。しかし、時間は非常に短く、エネルギーは非常に強力です。雷鳴時や、同じACライン上で大きな負荷が切断されたときに発生します。電流慣性も発生するためです。絶縁型BUCK回路は瞬時に出力に伝わり、定電流検出リングを損傷したり、チップをさらに損傷したりして、300Vの過電圧を流し、ランプ全体を焼損させます。絶縁型耐アグレッシブ電源の場合、MOSが損傷します。この現象は、ストレージ、チップ、およびMOSチューブが焼損することです。現在、LED駆動電源は使用中に不良が発生しており、その80%以上はこれら2つの類似した現象です。さらに、小型スイッチング電源は、電源アダプタであっても、波状電圧によって引き起こされるこの現象によって損傷を受けることが多く、LED電源ではさらに一般的です。これは、LEDの負荷特性が波状電圧を特に恐れているためです。
一般的な理論によれば、電子回路の部品数が少ないほど信頼性が高く、部品数が多いほど回路基板の信頼性は低くなります。実際、非絶縁回路は絶縁回路よりも信頼性が低いです。なぜ絶縁回路の信頼性が高いのでしょうか？実は信頼性ではなく、非絶縁回路はサージに敏感で、抑制能力が低く、絶縁回路も劣っています。これは、エネルギーがまずトランスに入り、トランスからLED負荷に伝わるためです。降圧回路は入力電源の一部であり、LED負荷に直接接続されています。そのため、前者はサージの抑制と減衰に優れ、損傷を受ける可能性が高く、その影響は小さいです。実際、非絶縁の問題は主にサージの問題によるものです。現在、この問題はLEDランプが確率からしか見えないという点に起因しています。そのため、多くの人が適切な防止策を提案していません。電圧波とは何かを知らない人が増えています。LEDランプが壊れても、原因が分からない人が増えています。結局、一言だけ。「この電源が不安定なのは、いずれ解決するだろう。具体的にどこが不安定なのかは、彼には分からない」
非絶縁電源は効率が良いのが1番で、2つ目はコスト面で有利なことです。
非絶縁電源が適している用途：まず、屋内ランプです。屋内電源環境は良好で、電波の影響も小さいです。次に、使用用途は低電圧・小電流です。低電圧・大電流の効率は絶縁型より高くなく、コストもはるかに低いため、低電圧電流には非絶縁型は意味がありません。さらに、非絶縁型電源は比較的安定した環境で使用されます。もちろん、サージ抑制の問題を解決できれば、非絶縁型電源の適用範囲は大幅に広がります。
波の問題により、被害率を過小評価してはいけません。一般的に、修理返品、破損保険、チップ、MOSなどの機器は、まず波の問題を考慮する必要があります。被害率を下げるには、設計時にサージ要因を考慮するか、使用時に使用を中止し、サージを回避するように努める必要があります。（例えば、室内灯など、使用中に一時的に電源を切るなど）
まとめると、絶縁型と非絶縁型の使い分けは、波浪サージの問題が原因となることが多く、波浪問題と電力環境は密接に関連しています。そのため、絶縁型電源と非絶縁型電源の使い分けを個別に判断するのは難しい場合が多くあります。コスト面では非常に有利であるため、LED駆動用電源としては非絶縁型か絶縁型かを選択する必要があります。
5. まとめ
本稿では、絶縁型電源と非絶縁型電源の違い、それぞれの長所と短所、適用事例、そして絶縁型電源の選定基準についてご紹介します。エンジニアの皆様には、本稿が製品設計の参考としてご活用いただければ幸いです。また、製品に不具合が生じた場合は、速やかに問題点を特定してください。
投稿日時: 2023年7月8日
