电子产品世界

1．1．2 线性光耦隔离电路的设计
在电路设汁中，隔离传输电路是比较常用的电路之一，隔离就是将一部分与其他部分中的非理想影响分离开来，在电子电路中，电介质通过阻断直流(DC)电来实现两个通信点的隔离。泄漏电流测试需要加上工频电压及以上的高电压，期间即使流过很小的交流(AC)电流，也会给人体造成致命的伤害。设计隔离电路的作用就是使人体免受危险电压或危险电流的损坏。高压与低压隔离电路如图4所示。
在医疗设备、工业控制、高精度数据采集、长距离通信、高低压混合系统等电路设计中，经常要用到隔离电路，一般来说，隔离分为光耦隔离、电磁隔离和电容隔离、磁耦隔离四种方法，下面介绍各自的优缺点。
(1)光电隔离技术
光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。光耦合器(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。光耦合技术的主要优点是，光具有对外部电子或磁场内在的抗扰性，而且，光耦合技术允许使用恒定信息传输。光耦合器的不足之处主要体现在速度限制、功耗以及LED老化上。还有，光耦合隔离方式适合传输低频信号和直流信号，且功耗较大。
(2)电磁隔离技术
电感耦合技术使用两个线圈之间的变化磁场在一个隔离层上进行通信。最常见的例子就是变压器，其磁场大小取决于主级和次级绕组的线圈结构(匝数／单位长度)、磁芯的介电常数以及电流振幅。电感耦合技术的优点是，可能存在的共模差异和差分传输特性。变压器的精心设计允许噪声和信号频率重叠，但是会呈现出噪声高共模阻抗和信号低差分阻抗。另一个优点是，信号能量传输可达到近100％的效率，从而使低功耗隔离器成为可能。其主要缺点是对外部磁场(噪声)的磁化。
(3)电容隔离技术
电容耦合技术是在隔离层上采用一个不断变化的电场传输信息。各电容器极板之间的材料是一个电介质隔离器，并形成隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能。使用一个电容隔离层的好处是，在尺寸大小和能量传输方面的高效率，以及对磁场的抗扰度。电容耦合技术的缺点是其没有差分信号和噪声，并且信号共用相同的传输通道，这一点与变压器不同。这就要求信号频率要大大高于噪声预期频率，这样隔离层电容就呈现出信号的低阻抗，以及噪声的高阻抗。
(4)磁耦隔离技术
磁耦技术是一种芯片级变压器隔离技术。Icoupler磁耦数字隔离器就是在上述背景下，由美国模拟器件公司ADI设计开发的一款适合高压环境的隔离电路。Icoupler是ADI公司的一项专利隔离技术，是一种基于芯片尺寸的变压器，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管(LED)与光敏三极管的结合，因采用了高速的iCOMS工艺，因此在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光耦技术。同时能满足医用设备高电压工业应用、电源以及其他高隔离度环境的严格隔离要求，非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、数据转换器接口、各种总线隔离以及其他多通道隔离应用。磁耦产品的优点有：
速度高 最高速率可达到150 Mb／s；
功耗低 工作时的功耗仅为传统光耦产品的1／10，最小工作电流为0．8 mA；
性能更高 时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；瞬态抗扰度可高达25 kV／μs。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的两倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍。
体积更小 集成度更高，最多一个芯片上集成了4个通道；PCB节省60％～70％左右，采用了低成本SOIC封装；
应用方便 同一芯片内提供正向和反向通信通道，而且不用任何外围分立元件；
可靠性高 寿命长，省去传统光电转换部分，寿命与其他CMOS器件相同；
当然，磁耦合隔离方式适合传输高频信号，不能用于直流或低频信号的传输，且需要对隔离输出信号整形后才能为接收数字电路使用，但其功耗较小。
在泄漏电流隔离数据采集电路中，需要隔离的信号有ADC控制信号(直流电平)、ADC工作时钟信号(几兆甚至更高频率的信号)，在这样的应用条件下，如果用普通的光耦隔离器件，只能隔离直流或者低频信号，所以采用光耦技术很难满足对泄漏电流隔离的需求。而磁耦隔离器件不能传输低频信号以及直流信号，且磁耦隔离对数字信号的传输性能较好，即使传输模拟信号，也会引起信号的失真，解决方法就是可以对需要传输的模拟信号进行电平抬高，使得模拟信号的最小电流值可以驱动隔离器件工作，才会保证被传输信号的不失真。另外一个解决的方法就是如果将需要传输的低频信号调制到高频载波上，再用磁耦合隔离电路隔离传输，在接收端再用解调电路提取出低频信号，可以实现用磁耦合隔离电路传输低频信号的目的。本文设计的新型磁耦合隔离电路不用调制和解调电路就可以实现低频和直流信号的磁耦合隔离传输，而且电路结构简单、功耗小，信号传输延迟很小。
本文采用模拟隔离放大器进行隔离，实现测试系统与被测对象电气上的隔离，选用高线性度模拟光电耦合器HCNR201，其主要参数介绍如下：具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；具有大于1 MHz的频带带宽；输入电压范围为0～15 V。电路如图5所示。

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关键词： F2812 2812 320F TMS