高压电源控制板接口隔离技术
一台油烟净化用高压电源，输出直流40kV，最大电流300mA，整机功率约12kW。控制板是低压侧，24V供电，MCU跑闭环；高压侧是整流与倍压网络，悬浮在40kV输出电位上。低压侧与高压侧之间必须隔离，否则低压通讯口直接挂在40kV上，一上电就烧。隔离点共四处：反馈采样从高压侧回低压侧、驱动信号从低压侧去高压侧开关管、对外RS485通讯、对外模拟量输入输出。每一处隔离坏了都是整机停机，隔离设计是控制板可靠性的命门。
反馈采样隔离早期用光耦。高压侧采样到的电压电流信号，先V/F变换变成频率，再通过线性光耦传回低压侧MCU计数。线性光耦的电流传输比CTR新器件约100%，跑三年后掉到50%，反馈增益跟着漂1%，输出电压从40kV漂到39.6kV，现场油烟净化效果下降。光耦CTR随温度、电流、时间漂移，是模拟隔离的先天缺陷。后来改成隔离放大器，隔离放大器增益精度0.5%，十年漂移小于0.2%，光耦退到只开关量信号通道，模拟量全走隔离放大器。
数字隔离器取代光耦走开关信号。开关量通道有八路：高压使能、故障复位、联锁状态、过流告警、过压告警等。这些通道早期用普通晶体管光耦，传播延迟约5µs，在开关频率20kHz时延迟占空比误差0.1%，够用；但光耦CMTI共模瞬态抗扰度只有10kV/µs，高压侧开关管每次关断，漏极dv/dt约5kV/µs，通过光耦寄生电容耦合进低压侧，误触发一次。换数字隔离器，CMTI做到100kV/µs，传播延迟50ns，误触发消失。数字隔离器单价是光耦的两倍，但没有CTR漂移，五年不用换。
隔离器两端爬电距离要留够。板上隔离器件正下方，PCB上铣一条贯通槽，槽宽2mm，把两侧铜箔从板厚方向隔开，沿面爬电距离从原来的8mm拉到20mm。隔离器件本身封装下爬电距离按规格书是8mm，对应基本绝缘；要做到加强绝缘，封装下爬电距离要加到14mm以上，选型时选宽体封装，爬电距离16mm。早期用窄体封装，爬电距离8mm，装机一年后隔离槽沿面出现碳化细痕，因为40kV高压侧与低压侧之间虽然通过隔离器隔离，但板上残余电位差仍有数千伏。宽体封装加铣槽，爬电距离20mm，两年没有再沿面。
隔离电源单独做一路。低压侧24V经过隔离DC-DC模块输出给高压侧采样电路供电，模块输入输出隔离电压5kVrms，隔离电容约100pF。这个100pF在开关频率20kHz下仍有少量共模电流耦合，约0.5mA，通过隔离电容从高压侧地串到低压侧地。在模块输出端加一只10µH共模电感与10µF电容，把共模电流压到50µA。早期没加共模电感，隔离电容耦合的共模电流在采样回路上形成0.5mV偏置，叠加在40kV分压信号上，读数偏差0.2%。
RS485通讯隔离在对外接口处。外部上位机通过RS485与控制板通讯，上位机在车间另一头，两地地电位差可能有几十伏，不隔离直接共地，地环路电流在通讯线上产生共模电压，通讯误码。RS485收发器前后加数字隔离器，隔离电压5kVrms，通讯速率115200bps。隔离器两侧各放一只共模电感，抑制通讯线上的共模噪声。早期通讯口用普通非隔离收发器，车间变频器启动时通讯误码率从10^-9升到10^-4，加上隔离后误码率回到10^-9。通讯隔离是工业现场必备，不是选配。
隔离屏障在PCB上是一条物理分割带。从隔离器件到板边，沿一条直线把整板分成高压侧与低压侧，分割带内不铺铜、不走线、不过孔，带宽8mm。分割带两端接到板边铣槽，把沿面路径折到板厚方向。分割带上不允许有任何跨接元件，除了那颗隔离器件本身。早期有一颗0Ω电阻为了两边地连通跨接在分割带上，等于把隔离屏障开了个洞，高压侧共模电流通过0Ω电阻灌进低压地，隔离白做。发现后那颗0Ω去掉，两边地只通过隔离器里的绝缘介质隔开，不直接金属连通。
驱动信号隔离用脉冲变压器。低压侧MCU发出20kHz PWM，通过一只1:1脉冲变压器耦合到高压侧开关管栅极驱动电路。脉冲变压器隔离电压按工作电压峰值加裕量，这台电源母线400V，变压器按5kVrms选，爬电距离8mm。脉冲变压器原边副边之间绕屏蔽层，屏蔽层接低压侧地，把原边开关噪声屏蔽掉。早期变压器没加屏蔽层，原边漏极dv/dt通过变压器寄生电容耦合到副边，栅极驱动信号上叠1V尖峰，开关管误导通一次烧管子。加屏蔽层后尖峰压到0.2V，不再误导通。
隔离屏障两侧地电位差有多大要算。高压侧采样电路地，相对低压侧地，在正常工作时电位差约等于高压输出纹波在采样电阻上的压降，这台电源纹波5V，所以两地电位差在5V到50V之间波动。故障时高压侧短路，采样电路地瞬间跳到数百伏。隔离器要按故障工况选耐压，不能按正常工况。正常工况50V，故障工况500V，隔离器按5kVrms选，留十倍裕量。隔离器选小了，故障时先穿，穿了之后低压侧跟着烧。
数字隔离器布局要紧贴连接器。隔离器放在分割带中央，两侧信号走线尽量短，原边走线不超过10mm，副边不超过10mm。早期把隔离器放在低压侧，副边走线横跨分割带到高压侧20mm长，这段走线与高压侧平行，耦合电容约1pF，CMTI能力从100kV/µs降到20kV/µs有效抗扰，但实际瞬态还是误触发。改版隔离器居中，两侧走线都短，CMTI标称100kV/µs实测得住。隔离器件位置决定实际抗扰度，标称值是理想位置下测的。
隔离电源模块输出纹波要压。隔离DC-DC模块输出5V给高压侧采样运放，模块本身输出纹波约50mV，直接供运放，运放电源抑制比在20kHz处约60dB，纹波压到0.05mV，但开关频率谐波在100kHz处电源抑制比降到40dB，纹波漏到采样输出1mV。在模块输出加LC滤波，电感10µH、电容10µF，100kHz纹波压到0.1mV。早期没加LC，采样输出里有100kHz尖峰，读数跳动。隔离电源纹波影响采样精度，不是只供电就行。
隔离器件失效模式是短路。光耦内部发光管与受光管之间绝缘击穿后，原副边短路，高压侧电位直接灌到低压侧，低压MCU整片烧。隔离器件失效后不是开路，是短路，短路比开路更危险。在隔离屏障两侧加限流电阻与瞬态抑制二极管，短路时限流电阻把电流限制在mA级，TVS把电压钳位到低压侧耐受值。早期没加保护，一次光耦短路，MCU与通讯口全烧，损失两千多元；加保护后，光耦短路时限流电阻发烫但低压侧没坏，换光耦十分钟。
模拟量输入输出隔离用隔离放大器。外部给定0到10V电压控制输出设定值，外部反馈4到20mA回读实际电流。这两路信号从外部接线端进控制板，外部接线端在车间里，可能带共模噪声，也可能意外短路到220V。在接线端与MCU之间加隔离放大器，隔离电压2.5kVrms，增益精度0.5%。早期外部给定用直接电阻分压，不隔离，车间里一台电焊机启动，共模电压串进给定端，输出电压跟着跳5kV，油烟净化器打火。加隔离放大器后给定端稳如泰山，电焊机启动不再跳。
隔离屏障在PCB上不能被涂层桥接。整板三防漆浸涂时，涂层跨过分割带，涂层本身绝缘，但涂层吸潮后沿分割带表面形成微弱导电膜，隔离电阻从10^12Ω降到10^8Ω，高压侧共模电流通过涂层串到低压侧。处理办法是分割带内不浸涂，浸涂前用胶带把分割带盖住，固化后撕胶带，分割带保持裸板。早期整板浸涂，分割带也被涂层盖住，梅雨季隔离电阻掉到100MΩ，共模电流串到低压侧。盖胶带这一步多花20秒，但梅雨季隔离性能稳。
隔离屏障每年用绝缘电阻表测一次。500V绝缘电阻表表笔跨隔离屏障两侧，新板阻值在10^12Ω以上，跑三年后掉到10^10Ω，梅雨季再掉一个数量级。阻值连续两年下降超过一个数量级，安排整板烘干，80℃烘8小时，阻值回升。有一块板阻值掉到50MΩ，烘干后回到2GΩ，没换板。隔离屏障不是不坏，是慢慢劣化，靠年度测量抓趋势。测量时表笔不碰铜箔边缘，碰边缘测出来的是沿面阻值，不是体阻值。
隔离器件来料每批抽测耐压。每批十只隔离器抽两只，加5kV直流耐压持续1分钟，漏电流小于1µA才算过。早期不抽测，装机后半年内零星有隔离器穿板，查下来是某一批器件隔离层有微缺陷。抽测后缺陷件在进厂就筛掉，装机后零失效。抽测成本每批约两百元，比现场换板省。隔离器件是小元件，坏了修起来要拆周边元件，工时比元件本身贵十倍。
脉冲变压器屏蔽层接低压侧地，不接高压侧地。屏蔽层接高压侧地时，原边开关噪声通过屏蔽层直接串到高压侧地，起不到屏蔽作用。接低压侧地，屏蔽层把原边电场挡住，副边感应噪声小一半。屏蔽层只接一端，双端接会形成地环路。早期屏蔽层悬空，电场从屏蔽层边缘绕过去，屏蔽效能差；接低压侧地后屏蔽效能翻倍。屏蔽层接地方式要试，不是接了就行。
隔离屏障两侧地铜在PCB上宽度不一致。高压侧地铜窄，低压侧地铜宽，宽地铜在屏障边缘对窄侧形成分布电容，电容在高频下把两边地连通。把两侧地铜在屏障边缘做成等宽过渡，电容从3pF压到0.5pF。早期没做过渡，两侧地铜宽差一倍，共模电流通过分布电容串到低压侧，读数多1mV。等宽过渡多走5mm板边，板面积占一点，但共模小一截。过渡铜箔上不走过孔，过孔在屏障边缘又是一个耦合点。
隔离设计的代价是板面积。分割带8mm、隔离器件宽体封装、隔离DC-DC模块、两侧滤波元件，这些加起来占板面积两成。早期想省面积把分割带压到4mm，爬电距离不够，梅雨季沿面放电。隔离面积省不得，省了就要在现场还。这台油烟净化电源跑了三年，隔离屏障处没有出现过故障，光耦换过一只CTR老化的，数字隔离器没换过。至今在潮湿沿海车间装机，梅雨季前要测一次隔离电阻，低于100MΩ安排烘干处理，这个阈值还在摸索，100MΩ是目前试出来的警戒线。
