新型磁耦合隔离电路设计

新型磁耦合隔离电路设计

  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，常用的隔离方式有光耦合隔离和磁耦合隔离两种，光耦合隔离方式适合传输低频信号和直流信号，但功耗较大；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。
    然而在大多数的隔离电路设计实践中，往往既需要隔离传输低频信号甚至是直流，又需要传输几兆赫兹以上的高频信号。例如在隔离数据采集电路中，需要隔离的信号有ADC的控制信号(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，如果单用光耦合隔离方式或磁耦合隔离方式都很难满足电路的工作要求。两种隔离方式组合工作又会使电路设计复杂，增加系统功耗。因此在数字宽频隔离电路的设计中，要么选用响应频率更高的光耦合隔离器件(同时带来功耗增加、成本上升、时序调试困难等缺点)，要么设法解决磁耦合隔离器件不能传输低频信号的问题。
    本文通过对磁耦合隔离原理的分析，提出一种磁耦合隔离电路改进方法，采用此方法后，可以使磁耦合隔离电路即能传输高频信号，又能准确恢复低频信号，从而很好的解决了磁耦合隔离电路不能传输低频信号的问题，拓展磁耦合隔离电路的应用范围。

1 磁耦合隔离电路的基本原理
    磁耦合隔离(脉冲变压器隔离)是指利用电磁感应原理，把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生变化的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈激励信号相关的变化信号输出，在整个信号的传输过程中，初级与次级之间没有发生电连接，从而达到隔离初次级的目的。
    由于只有变化的信号电流才能在磁耦合隔离电路的初级产生变化磁场，从而在次级电路中感应出输出信号，只有变化频率高于某一值的信号才能在初次级之间传输，而变化频率较低的信号在传输过程中会发生严重畸变，直流信号不能在初次级之间传输。因此普通的磁耦合隔离技术只能在高频信号的隔离传输中使用。
    磁耦合隔离的传输波形如图1所示。

    通过上图可以看出，高频信号(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔离传输，低频信号(10 kHz)经磁耦合隔离后波形畸变严重。由此证明，如不对磁耦合隔离电路进行改进，就不能应用于对低频信号的隔离传输。为了使磁耦合隔离技术能够应用于对低频信号的隔离传输，本文设计了一种新型磁耦合隔离电路。
2 磁耦合隔离电路设计原理
    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。但是这种方法就必须在隔离电路的初、次级加入调制和解调电路，这样做不仅电路复杂、功耗较大、而且信号传输的延迟不可控，因此在电路设计中很少采用。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。
2．1 基本原理
    该设计的基本原理是：在不大量增加电路成本和不增加信号传输延迟的条件下，设法使对低频信号的磁耦合隔离传输转变为对高频信号的磁耦合隔离传输，并在接收端恢复出需要传输的信号。
    观察需要传输低频数字信号的波形，它是一位变化的数字信号，其特征与一位计数器的输出十分相似。受此启发，假设需要传输的信号在接收端就是一个一位计数器的输出，那么对于此计数器，只要知道它的初始状态，计数脉冲的发生时刻，就可以很容易地得到其任意时刻的输出波形。在发送端只需要发送信号状态变化的信息，在接收端就能够根据此信息重建低频信号。
2．2 低频信号传输
    如前所述，磁耦合隔离电路的接收端如果用一位计数器重建输出信号的话，那么在电路的输入端就应是一位计数器的逆，即将输入的低频传输信号看作计数器的输出信号，根据计数器的输出信号变化反推出计数脉冲，再将此计数脉冲隔离输出到接收端，控制接收端输出的变化，从而实现在输出端重建传输信号的功能。
    在输入端根据低频传输信号构建出的计数脉冲的宽度受3个条件的限制：1)隔离电路传输信号的上限频率；2)脉冲变压器的响应频率；3)计数器的上限工作频率。关于脉冲宽度的选取，在后面的将有详细说明。
2．3 直流信号传输
    计数器的初始态和计数脉冲发生时刻决定计数器任意时刻的输出，为了传输直流电平，在电路上电之初，将隔离电路的初级和次级复位到‘0’，如果要传输的信号为低电平，则隔离电路不会有计数脉冲传输，次级输出保持低电平不变；加电后后如果传输高电平，则相当于在电路初级施加了一个由低到高的电平跳变，此跳变使初级驱动电路产生一个计数脉冲并传输到次级接收计数器，次级接收计数器的输出在初始电平的基础上发生反转，变成高电平输出，并一直保持到下一个计数脉冲到来为止。这样无论是高电平还是低电平在次级都会得到完整恢复，从而实现直流电平磁耦合隔离传输的功能。

3 磁耦合隔离电路的实现
    为了实现磁耦合隔离传输低频或直流信号的功能，初级驱动电路和次级接收电路的设计是关键，为了实现简单，调试方便，实现双向信号隔离传输，这里在一片CPLD中用VHDL语言分别描述实现初级驱动电路和次级接收电路，图2是新型磁耦合隔离驱动模块的结构框图，它们被配置在一片CPLD中，构成磁耦合隔离收发驱动模块，模块的设计和实现在下面详细说明。

3．1 初级驱动电路的实现
    磁耦合隔离电路初级驱动单元由Inputs和Drive两个模块组成，其中InputS模块完成对输入电路的复位，Drive模块用于产生与输入信号状态变化相关的窄脉冲驱动信号。两模块的VHDL实现说明如下：
3．1．1 InputS模块的实现
    为了保证发送和接收信号的电平变化同步，在隔离驱动单元上电时必须首先对初级驱动单元和接收单元复位。以保证两单元的初始态相同。如果需要隔离传输高电平信号，在复位过程结束后，在初级驱动单元必须自动产生一个由低到高的跳变，以便使次级接收电路同时把输出电平由复位状态反转刭高电平，保证初级、次级初始电平一致，自动产生的由低到高的跳变必须在复位信号结束后再延迟一段时间，在Drive模块稳定工作后产生。以此保证该跳变沿被Drive模块响应。
3．1．2 Drive模块的实现
    Drive模块完成的功能是：在复位信号EnT=‘0’时使DriveOut=‘0’，在EnT=‘1’时，在每一个TranS的跳变延产生一个40ns的脉冲输出，驱动脉冲变压器的初级线圈。
    Drive模块的VHDL实现如下：
   

3．1．3 初级驱动单元的功能仿真
   使用QuartusII 9．0对磁耦合隔离电路初级驱动单元进行功能仿真，得到功能仿真曲线如图3所示。

    从上图看出，在1的位置后，虽然没有输入信号(SInput)的变化，输出驱动波形中也产生了一个驱动脉冲，这就是为了保证在输入信号初始值为高电平时保持输入和输出的一致，由电路自动加入的；在位置2，复位后次级接收电路初始态已经为低电平，输入信号的初始值也为低电平，隔离输入输出一致，故不需要自动加入驱动脉冲。
3．2 次级接收模块的实现
    Receive构成磁耦合隔离电路的次缀接收模块，该模块完成的功能为：在复位信号到来后，接收电路复位输出为‘0’，而后每接收到一个脉冲，输出反转一次。由于复位后接收模块的初始态已与初级输入信号的初始值一致，初级输入信号每发生一次跳变，初级驱动电路输出一个脉冲，因此在任何时刻，次级接收电路的输出都与初级输入信号一致。从而实现低频或直流信号的磁耦合隔离传输。该模块实际上就是一个带复位功能的一位计数器，关于它的VHDL实现在参考文献中有现成的例子，此处不再赘述。
    InputS模块的功能仿真波形如图4所示。

3．3 模块工作频率的说明
    一般来说，对于上升沿持续时间在50ns左右脉冲变压器，传输信号跳变沿驱动脉冲的宽度至少应大于此时间，在本设计中，选用60 ns的脉冲作为传输信号跳变沿驱动脉冲的宽度，为了使两个相邻的传输信号跳变沿驱动脉冲能够被接收模块准确识别，它们之间应至少间隔一个脉冲宽度的时间，这样算起来，传输信号的最短持续时间应为120ns，而对于直流信号上述模块也能准确传输(原理前面已经述及)，因此该模块传输信号的频率范围是0～8 MHz。对于高于8 MHz的数字信号，模块将不能正确工作。
    上述分析是在脉冲变压器上升沿为50ns的前提下给出的，如果上升沿时间再短些，模块的工作频率上限还可提高。
3．4 新受磁耦合隔离电路应用
    新型磁耦合隔离模块的应用电路如图5所示，该电路用于完成信号Sin1到Sour2，Sin2到Sout1的磁耦合隔离传输。在电路中，U1、U2为脉冲变压器ITNA-0235-D103，上升沿持续时间50 ns；U3、U4为Schmitt触发器，用于将脉冲变压器输出的信号整形成脉冲信号，测试点①②  ③的信号波形如图前面中所示。R5、C1和R6、C2分别组成两个磁耦合隔离驱动模块的上电复位电路，两个复位电路的时间常数应设计在10μs左右，以保证模块稳定复位；R1、R2和R3、R4分别组成两个电平移动电路，用于将脉冲变压器输出的交流信号移动到0～VCC的范围。在模块配置到CPLD时DriveOut引脚必须配置成ITL模式以增加电流驱动能力。电路在实际使用时，EnT与EnR可以改成由逻辑信号直接控制，这样就可以使驱动模块稳定时间可控，在由于受到干扰而使电路出现错误时，可以通过施加EnT与EnR信号使电路恢复正常工作。

    对上述电路测试，得到如下测试结果：
    1)电路能够准确传输直流信号；
    2)对小于8 MHz的数字信号跳变沿的传输延迟小于50 ns，对于8 MHz以上的数字信号上述电路不能工作；
    3)电路功耗，由于用于信号传输驱动的逻辑电路只占CPLD的很小部分(在应用电路中，CPLD选用EPM240TC100，使用16个逻辑单元，占总逻辑单元数的7％，其他单元用作别的用途)，准确功耗很难测量，但是在传输直流信号时磁耦合隔离部分的功耗与光隔的功耗对比就足以说明问题。传输高电平时，光隔电路需要持续消耗10 mA的电流，以维持稳定输出高电平；而上述磁耦合隔离电路则只需要在最初的40 ns内消耗电流，其他时间磁耦合隔离部分消耗的电流为0，因此传输直流信号时，上述电路的功耗要远小于光隔电路。

4 结论
    该设计的创新点在于：1)以窄脉冲表示传输信号的状态改变；2)以窄脉冲的磁耦合隔离传输代替输入信号的隔离传输，降低隔离电路的功耗；3)实现低频和直流信号的磁耦合隔离传输；4)驱动电路简单，接收和发送模块共需要16个逻辑单元就可实现上述功能；5)信号传输延迟很小。
    存在的问题：1)传输信号的上限频率受限，只能传输0～8 MHz的方波信号；2)在电路上电到复位信号结束的一段时间(10μs以内)，电路不能正确传输信号，必须保证在此时间段内传输信号状态稳定，否则后面的信号将全部错误。
    总之，正是由于该设计具有电路简单、功耗小、能够实现磁耦合隔离传输低频信号，且信号传输延迟很小等特点，拓展了磁耦合隔离技术的应用领域。