隔離型 vs. 非隔離型電源轉換器差異化剖析：DC-DC 選型關鍵與案例

目錄

1. 引言：隔離型 vs. 非隔離型 DC-DC 轉換器為何重要？

2. DC-DC 轉換器是什麼？應用與工作原理

3. 隔離型 DC-DC 轉換器是什麼？原理、優勢與典型應用

4. 隔離型在不同電路中的應用範例

5. 隔離型 DC-DC 轉換器的典型應用領域

6. 非隔離型 DC-DC 轉換器是什麼？拓樸、優點與典型應用

7. 隔離型 vs. 非隔離型 DC-DC 轉換器差異比較（安全/效率/體積/成本）

8. 何時選「隔離型」DC-DC 轉換器？

9. 何時選「非隔離型」DC-DC 轉換器？

10. 總結：隔離型與非隔離型 DC-DC 的選型要點與常見架構


引言：隔離型 vs. 非隔離型 DC-DC 轉換器為何重要？

DC-DC 轉換器在現代電子產品中扮演關鍵角色，能夠將直流電(DC)從一個電壓等級轉換至另一個電壓等級。此功能對於不同電壓需求的設備至關重要，可確保最佳性能與效率。隔離型與非隔離型 DC-DC 轉換器的區別十分重要，核心差異在於輸入端與輸出端是否存在電氣隔離(galvanic isolation)。隔離型透過變壓器/耦合元件傳遞能量，切斷直流導通路徑，可建立電氣安全邊界、抑制共地迴路、降低差模與共模雜訊干擾；非隔離型則與系統共地，效率更高、體積/成本更具優勢，適合板上就地負載端供電(Point-of-Load, POL)。因其會影響基於安全性、尺寸、成本與效率等因素的設計決策。工程師與設計人員必須了解這些差異，才能針對特定應用選擇合適的轉換器。以下將深入探討。


DC-DC 轉換器是什麼？應用與工作原理


DC-DC 轉換器(DC-DC Converter) 是一種將直流電壓從一個等級轉換至另一個等級的電子電路，其核心目的在於為不同電壓需求的電路或系統提供穩定且高效率的電源。此類轉換器廣泛應用於 工業自動化、通訊設備、交通運輸、醫療儀器、再生能源系統 等領域，是現代電子系統中不可或缺的關鍵組件。

其工作原理基於開關電源技術(Switching Power Technology)，透過高速開關元件(如 MOSFET或GaN元件)在導通與關斷之間快速切換，藉由電感、變壓器或電容等元件暫時儲存與釋放能量，以實現電壓的升降或隔離。如圖 1 所示，典型電源轉換系統主要由功率開關元件、控制 IC，以及磁性元件(電感／變壓器)與濾波電容所構成，這些關鍵元件共同影響轉換效率、EMI 表現與整體系統可靠性。


圖1. 開關式電源核心元件示意圖


如圖2所示，DC-DC 轉換器廣泛應用於電子設備中，因為不同的子電路需要不同的電壓才能正常運作。透過將單一電源轉換為多組電壓輸出，DC-DC 轉換器簡化了系統設計並降低成本。應用範圍涵蓋消費性電子到汽車系統，其中精確的電壓調節對於運算放大器、感測器等精密積體電路(IC)的可靠運作至關重要。


圖2. DC-DC轉換器在系統電路板中的實際應用範例


隔離型 DC-DC 轉換器是什麼？原理、優勢與典型應用

「隔離型」是指轉換器具備電氣隔離(galvanic isolation)功能，使輸入端(一次側)與輸出端(二次側)形成兩個彼此獨立的電路，中間沒有直接導通的電氣路徑，因此可避免不同電路之間的電能量直接流通與共地干擾。即使電能量無法直接流通，仍可如圖3、圖4所示，透過隔離變壓器以電磁感應方式傳遞：一次側先將電能轉換為磁能，再由二次側將磁能轉回電能輸出給負載。

同時，為了在隔離狀態下仍能穩定輸出並進行控制，電訊號可如圖3所示藉由光耦(optocoupler)等隔離元件傳送，在保持電氣隔離的同時完成回授控制；而圖4則呈現典型電路架構：一次側開關驅動變壓器，二次側經整流與濾波形成輸出，並由控制電路取得輸出取樣後進行回授調節。


圖3. 隔離型 DC-DC 轉換器之電氣隔離與能量／訊號傳遞示意圖



圖4. 隔離型 DC-DC 轉換器典型電路架構圖



隔離型的價值：安全邊界與抗干擾能力

電氣安全

如圖5所示，透過變壓器或光耦等電氣隔離元件建立輸入與輸出之間的電氣隔離屏障，有效防止差模高電壓從一次側直接竄入二次側，保護低電壓元件與操作人員安全。這在醫療設備、工業自動化以及電力系統等需符合安規(如 IEC 60601-1、IEC 62368-1)的應用中特別重要。


圖5. 隔離型 vs 非隔離型 DC-DC：系統保護效果對比


抑制雜訊干擾與消除地迴路

如圖6所示，電氣隔離可有效阻斷成對正負電壓並形成閉合迴路的差模雜訊干擾。同時當系統中不同功能區塊的電路地電位存在差異，且相互導通連結時，即會產生地迴路共模雜訊電流，導致信號失真甚至元件損壞。隔離型DC-DC轉換器也在低頻段內，消除地迴路共模雜訊電流，避免系統漏電流透過地迴路流經設備中，提供信號穩定性及可靠度。


圖6. 隔離型與非隔離型轉換器的雜訊隔離效果


隔離型在不同電路中的應用範例

以下提供隔離型DC-DC轉換器應用在各類電路的範例：

  • 電源電路(Power Circuit)

    • 雜訊源特性：開關電源的高di/dt與寄生電容耦合，容易產生高頻共模電流；大電流迴路若跨區回流，會把雜訊帶進弱訊區域。
    隔離的作用：

    • • 斷開一次側與二次側的直流參考點，切斷地迴路，降低漏電流在系統間循環。
    • • 讓一次側雜訊主要在原側循環，限制共模電流穿越系統邊界。


    • 數位電路(Digital Circuit)

      • 雜訊源特性：高速邏輯(MCU/FPGA/SerDes/DDR)會出現ground bounce，回流路徑若跨區或拉長，易誘發EMI與時序抖動。
      隔離的作用：

      • • 在通訊介面(RS-485/CAN/LVDS/以太網PHY側)加隔離式DC-DC與數位隔離器，把數位回流限制在本區，避免遠端地電位差導致ESD/浪湧經訊號線回灌。
      • • 當多板卡跨長線連接(例如PLC I/O模組)，隔離能避免跨系統地電位差注入共模電流，維持誤碼率與鏈路穩定。


      • 類比電路(Analog Circuit)

        • 雜訊源特性：感測器/運放/ADC 低電平信號極易受共模擾動與地迴路影響。
        隔離的作用：

        • • 將量測前端(如熱電偶、霍爾電流、橋式感測器)與系統主控地分離，打斷低頻地迴路，避免共模流入前級放大器。
        • • 與隔離式放大器/隔離式ADC搭配，讓高CMR的量測鏈能在多地參考環境下維持準確度。


          隔離型應用案例

          案例簡述1：類比量測與數位處理的隔離

          如圖7所示，範例中感測器端輸入的電壓或電流為連續的類比訊號，必須經由放大與模數轉換(ADC)，轉為數位資料供後端控制器或資料擷取系統使用。然而，類比電路與數位電路共用同一接地層時，地電位差與回流阻抗常會造成雜訊耦合。

          這種干擾會導致以下問題：

          • • 類比訊號在ADC轉換前被數位開關雜訊污染，產生轉換誤差或漂移。
          • • 回流電流穿越不同電路區域，形成地迴路共模電流，降低整體系統的信號完整性。


            為了解決上述問題，系統在ADC與數位處理電路之間導入隔離電路(Digital Isolation Circuitry)，並使用隔離型DC-DC轉換器為隔離區域提供獨立電源。

            此設計能有效：

            • • 阻斷類比與數位地之間的雜訊耦合，避免共地干擾。
            • • 防止高電位或瞬態電壓傳入數位控制端，提升系統安全性。
            • • 確保訊號的準確性與穩定度，特別適用於工業感測、醫療量測與資料擷取系統。



                圖7. 感測器輸入至數位輸出之隔離式訊號流程圖


                案例簡述2：多模組通訊與多電源隔離架構

                如圖8所示，在此應用架構中，系統透過 Compact PCI 總線與外部模組交換資料，內部包含 PCI Bridge、CPLD、DAC、運算放大器 (OPA) 等多個功能電路。為確保不同模組之間的電氣安全與信號完整性，系統在關鍵節點使用光耦陣列 (Photo-coupler Array) 與隔離型 DC-DC 轉換器實現電氣隔離 (Galvanic Isolation)。

                整體設計邏輯如下：

                • • 通訊層面：串行通訊總線(RS-232、RS-485、CAN等)在傳輸過程中，各模組通常由不同電源供應，且物理距離較長，容易產生地電位差。透過隔離型DC-DC轉換器可切斷共地路徑，避免地迴路共模雜訊電流造成通訊干擾或設備損壞。
                • • 電源層面：示意中 12 V 輸入經多組隔離型DC-DC轉換器，轉換為 5 V、±12 V、±15 V 等多組獨立電源，各自為不同子系統供電，確保類比、數位及通訊電路不互相耦合。
                • • 信號層面：DAC與OPA形成的訊號輸出部分亦經隔離後驅動DB-37介面，使外部設備在連接時不會將高電壓或雜訊反灌回控制板。


                  這樣的設計可同時達成：

                  • • 強化系統安全性 – 隔離切斷瞬態高電壓路徑，防止系統間的高壓耦合與損壞。
                  • • 提升通訊穩定性 – 減少共模干擾與接地噪聲引起的信號失真。
                  • • 改善系統可靠度 – 多電源隔離降低干擾擴散，使整體系統運作更穩定。
                    此類架構廣泛應用於 工業控制系統、資料擷取卡、通訊介面模組 等領域，是高可靠隔離電源設計的典型範例。



                    圖8. CompactPCI 模組通訊與多電源Galvanic Isolation架構示意


                    隔離型的架構彈性：擴充、串聯與多輸出


                    • 1. 寬電壓與電流範圍

                      • 能夠輕鬆應對輸入與輸出之間的大電壓比與大電流差，例如將 110VDC 高壓轉換成低壓邏輯電源，或將低壓大電流轉換至高壓小電流，滿足高功率與高隔離需求的應用。

                    • 2. 可串聯使用

                      • 如圖9所示，多個隔離型轉換器可串聯配置，實現更高的總輸出電壓，並保持各模組間的電氣獨立性，常見於高壓測試設備與特種工業電源架構。


                      圖9. 隔離型DC-DC轉換器串聯架構示意


                    • 3. 支援多輸出

                      • 隔離型轉換器可在同一個隔離結構下提供多組獨立輸出電壓，滿足多種負載需求，例如同時供應邏輯電路、驅動電路與通訊模組，減少額外電源模組的使用。

                    • 4. 可靈活接地

                      • 由於輸出端浮地(Floating Ground)，設計者可根據需求將輸出端任意接地或懸浮使用，以適應不同的系統接地策略，例如差動放大器、感測器隔離供電或跨接地網路的系統。

                    • 5. 可升降壓

                      • 透過變壓器的匝比設計，可同時實現升壓與降壓功能，比非隔離型設計更靈活，適合需要跨大電壓範圍轉換的應用，如電動車 BMS、能源儲存系統(ESS)與分布式電源架構(DPA)。


                    隔離型 DC-DC 轉換器的典型應用領域

                    • 工業系統

                      • 廣泛用於 PLC、工業自動化控制器、馬達驅動器、感測器網路等，負責不同子系統之間的電源隔離與電壓轉換。隔離設計可避免生產現場的高電壓突波、電磁干擾(EMI)影響控制電路，確保多設備長時間穩定運行，並提升系統抗擾度與安全性。

                    • 鐵路系統

                      • 適用於軌道交通的信號系統、列車控制系統與車載設備。鐵路供電環境中常伴隨高壓瞬變、強烈電磁干擾及長距離傳輸產生的地電位差，隔離型 DC-DC 轉換器可在不同電氣區段之間建立安全隔離，保護通訊與控制模組的可靠性，同時滿足 EN 50155 等鐵道專用標準。

                    • 再生能源

                      • 應用於太陽能逆變器、風力發電機控制系統及儲能設備(ESS)中，用於發電端與控制端之間的電壓轉換與隔離。隔離可防止高壓直流母線干擾低壓控制電路，提升系統效率與安全性，同時符合 IEC 62109 等可再生能源安全規範。

                    • 醫療設備

                      • 廣泛用於病患接觸型儀器(如監護儀、心電圖機、輸液泵、醫用成像設備等)，為高精度測量與信號處理模組提供隔離電源，避免漏電或雜訊傳導至病患，並符合 IEC 60601-1 對於隔離電壓與漏電流的嚴格要求，確保病患與操作者的安全。


                    非隔離型 DC-DC 轉換器是什麼？拓樸、優點與典型應用

                    如圖10所示，非隔離型 DC-DC 轉換器不具備電氣隔離，輸入與輸出之間有直接的電氣連接，且處於相同的電位。此類轉換器常用於升壓或降壓，常見類型包括降壓(Buck)、升壓(Boost)與降升壓(Buck-Boost)轉換器。其以簡單設計與高效率著稱。


                    圖10. 非隔離型 DC-DC 轉換器典型電路架構圖

                    非隔離型的主要優點

                    • 1. 轉換效率高

                      • 由於非隔離型 DC-DC 轉換器省略了變壓器及相關隔離元件，功率傳輸路徑更短、能量損耗更低，通常可達至少90% 以上的效率。這對於電池供電系統(如行動裝置、物聯網節點、可攜式儀器)特別重要，因為更高的效率意味著更低的熱損耗與更長的續航時間。

                    • 2. 體積小

                      • 結構簡單、元件數量少，使非隔離型設計能在相同輸出功率下達到更高的功率密度。例如降壓型(Buck)轉換器可做到僅數毫米見方的封裝，適合空間受限的應用，如穿戴式裝置、緊湊型嵌入式系統與車用電子模組。

                    • 3. 成本低

                      • 由於無需變壓器、高耐壓隔離材料及複雜的絕緣結構，非隔離型轉換器的 BOM 成本與製造成本明顯低於隔離型方案。這對於大量生產的消費性電子與成本敏感型應用(如智慧家電、LED 照明模組、入門級通訊設備)具有極高的經濟效益。


                    非隔離型的典型應用

                    • 1. 智慧型手機

                      • 在智慧型手機中，非隔離型 DC-DC 轉換器(如降壓 Buck、升壓 Boost 與降升壓 Buck-Boost 拓樸)被用於電池電源管理(PMIC)與多軌穩壓，確保不同模組(處理器、顯示器、無線模組、相機等)獲得精準且穩定的電壓。非隔離設計在此類低電壓、同一電源域的系統中能達到高效率與小尺寸，延長電池續航並減少發熱。

                    • 2. 電腦

                      • 桌上型電腦、筆記型電腦與伺服器的 CPU、GPU、記憶體及晶片組通常由非隔離型負載點轉換器(PoL Converter)供電，能在主電源(如 12V、19V)降壓至極低的核心電壓(如 1V 以下)。非隔離型架構能以高效率提供大電流輸出，並快速響應負載變化，確保運算性能與穩定性。

                    • 3. 汽車

                      • 在車用電子中，非隔離型 DC-DC 轉換器常用於將 12V 或 48V 電池電壓降壓至電子控制單元(ECU)、資訊娛樂系統、照明模組及 ADAS 感測器所需的工作電壓。由於車內多數電路共用同一電源系統且對效率、散熱與體積有嚴格要求，非隔離設計能提供緊湊且高效的解決方案。

                    • 4. 感測器

                      • 在物聯網(IoT)、智慧製造與工業自動化領域中，感測器節點通常空間有限、功耗受限，且運作電壓與系統電源接近。非隔離型 DC-DC 轉換器能以極小封裝提供穩定電壓，支援低功耗模式，延長電池壽命，同時保持量測精度與系統穩定性。


                    隔離型 vs. 非隔離型 DC-DC 轉換器差異比較（安全/效率/體積/成本）

                    在選擇適合的 DC-DC 轉換器類型時，了解兩者的差異對設計決策至關重要。以下為主要比較項目與技術說明：

                    項目 隔離型DC-DC轉換器 非隔離型 DC-DC轉換器
                    電氣
                    隔離與安全性                    		 透過變壓器或光耦建立輸入與輸出間的隔離屏障，能阻斷差模與共模雜訊傳遞，消除地迴路干擾，維持信號穩定與系統可靠度。
                    可防止一次側高電壓竄入二次側，保護低電壓元件與操作人員安全，符合醫療與工業安規(IEC 60601-1、IEC 62368-1 等)。                    		 輸入與輸出共地，無隔離屏障，雜訊可能經共地路徑傳遞，容易受干擾或產生地迴路問題。
                    無法提供電氣防護，僅適用於低壓單板內部電源轉換，不具安規隔離功能。
                    轉換
                    效率                    		 由於隔離需要額外的變壓器、繞線與絕緣層，會增加磁性損耗與導通損耗，因此效率相對略低。但隨著高頻開關技術與低損耗磁性材料的應用，效率已大幅提升。 結構簡單、能量路徑短，減少磁性元件與隔離材料造成的損耗，通常能達到更高的轉換效率(90% 以上常見)。
                    產品
                    體積                    		 因變壓器、絕緣結構及安規間距需求，相同功率下體積通常較大(約為非隔離型的 1.5～3 倍)，常見於對安全隔離有要求且空間相對充裕的應用。 省略變壓器與隔離結構，可採緊湊布局與小型磁性元件，體積明顯小於隔離型，適合空間受限的應用。

                    輸入/輸出電壓
                    與電流差異

                    		 可藉由變壓器匝比靈活調整，實現大範圍的升壓或降壓(如 1,500V → 5V)，同時保持電氣隔離。 可升壓、降壓或降升壓，但電壓變換範圍有限，通常用於同一電源域內的中小比例電壓轉換。
                    成本 需額外的變壓器、絕緣材料、PCB 佈局與安規認證，製造成本較高，適合高安全需求應用。 省略變壓器與高耐壓隔離結構，BOM 成本低且製造簡單，適合成本敏感、大量生產的應用。
                    應用
                    領域                    		 工業控制系統(隔離多模組電源域)、醫療設備(病患隔離保護)、再生能源系統(高壓母線與控制電路隔離)、鐵路系統(長距離供電與抗干擾需求)。 消費性電子(手機、平板)、汽車電子(同一電池系統的降壓供電)、感測器與物聯網設備(體積小且效率要求高)。


                    何時選「隔離型」DC-DC 轉換器？

                    • 需要安全邊界：人機接觸、不同 SELV/PELV 區域、或法規要求基本/加強絕緣。
                    • 跨地或地電位不確定：系統分段、長線傳輸、或地電位差存在風險。
                    • 差模共模雜訊敏感：如量測、感測、通訊介面等系統，需透過隔離降低 DM／CM 雜訊耦合。
                    • 前端高壓或雜訊源：先在前端建立一次/二次電氣隔離邊界，再由後端進行多路電源分配(POL)。


                      何時選「非隔離型」DC-DC 轉換器？

                      • 同地、板上就地供電(POL)：從 12/24/48 V 降至多組邏輯/核心電壓。
                      • 目標是效率、功率密度與成本：空間有限且無安全隔離需求。
                      • 快速多路輸出：多個小功率點，非隔離降壓器具高效率與良好瞬態。

                      ※常見系統架構：前端「隔離」建安全與EMI邊界 → 後端「非隔離」做多路 POL。兩者並用，取長補短。


                      總結：隔離型與非隔離型 DC-DC 的選型要點與常見架構

                      總的來說，隔離型與非隔離型 DC-DC 轉換器各有明顯的優勢與限制，應根據應用的安全規範要求、效率目標、成本預算與電壓轉換範圍等因素綜合評估後選擇。

                      • 隔離型適合需要跨高低壓系統、跨接地網路或必須滿足安規隔離要求的場合，能提供優異的安全防護與抗干擾能力。
                      • 非隔離型則適用於同一電源域內的高效穩壓，特別是在空間有限或對成本敏感的設計中，能兼顧性能與尺寸。


                      MINMAX Technology作為高品質隔離型與非隔離型 DC-DC 轉換器的領先設計與製造商，在產品設計中兼顧可靠性、功率密度與國際安規認證，並能針對不同產業提供專業的電源解決方案。

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                      而對於設計空間有限、需追求更高轉換效率且不要求隔離的應用，我們建議選擇 M78AR-1 系列，此系列在高效率、低成本與穩定輸出之間取得最佳平衡，非常適合用於消費性電子、車用電子模組與緊湊型嵌入式系統。

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