CN101454980B - 模拟绝缘多路复用器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟绝缘多路复用器，即使在使用了小型的变压器的情况下也不会引起磁饱和，并且使用温度范围宽。具备：第1开关元件(FET 1)，对应于外部信号生成驱动控制信号；驱动用绝缘变压器(T1)，经由第1电阻(R1)向一次侧施加驱动控制信号，向二次侧输出被绝缘的驱动控制信号；第2开关元件(FET 2)，按照被绝缘的驱动控制信号对模拟信号输入进行斩波；以及模拟信号绝缘变压器(T2)，向二次侧输出被绝缘的斩波模拟信号，并且，还具备二次侧输出调整电路(10)，该二次侧输出调整电路具有：第2电阻(R2)，在驱动用绝缘变压器(T1)的一次侧与第1电阻(R1)并联连接；以及电容器(C1)，一端接地且另一端与第2电阻串联接连。

Description

模拟绝缘多路复用器

技术领域

本发明涉及用于去除信号源的接地的影响来收集模拟信号的模拟绝缘多路复用器。

背景技术

为了去除信号源的接地的影响并且低成本地收集模拟信号，以往采用使用将模拟信号的各点与地绝缘的模拟绝缘多路复用器的模拟信号收集装置。

图6是安装了以往的模拟绝缘多路复用器的模拟信号收集装置的结构图。另外，图7是以往的模拟绝缘多路复用器的电路结构图。在图7所示的模拟绝缘多路复用器中，为了与地绝缘地输入模拟信号，需要向模拟信号绝缘变压器T2的一次侧施加使用FET开关FET2(相当于第2开关元件)对模拟信号进行斩波而得到的信号。

因此，为了对FET开关FET2进行驱动，采用如下方法：对于驱动用绝缘变压器T1的一次侧，利用其他FET开关FET1(相当于第1开关元件)来控制电流的通断(例如参照专利文献1)。在专利文献1中，示出了模拟信号绝缘变压器T2的一次侧的FET开关FET2的各种结构，并且示出了对驱动用绝缘变压器T1进行脉冲驱动。

另外，提出了组合二极管以及线圈来作为对驱动用绝缘变压器T1进行驱动的电路，由此，对应于数据来减少驱动时间从而减少下陷(sag)的方法(例如参照专利文献2)。

专利文献1：特公昭60-10449号公报

专利文献2：特开昭63-158911号公报

发明内容

但是，在以往技术中存在如下问题。在以往的模拟绝缘多路复用器中，是驱动用绝缘变压器驱动恒定的脉冲电压的方法。因此，如果希望使变压器小型化，则下陷变大，或者在高温时变压器引起磁饱和，从而有时无法正常地收集模拟数据。

图8是示出以往的模拟绝缘多路复用器中的驱动用绝缘变压器T1的二次侧电压V2的时间波形的图。通过变压器小型化，在驱动开始时，具有超过FET开关FET2的阈值电压Vth的充分的电压。但是在驱动的后半，由于下陷，电压降低而无法超过Vth，由此FET开关FET2无法接通。

另外，对应于数据而缩短对驱动时间进行控制等的驱动时间的方法在模拟多路复用器中，常常以驱动脉冲恒定的间隔来进行，从而难以应用。而且，如果缩短驱动时间，则从多路复用器输出的模拟信号的脉冲宽度变窄，所以引起所连接的放大器的响应时间不足而无法充分稳定，或者后级的采样保持无法响应这样的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于得到一种模拟绝缘多路复用器，即使在使用了小型或超小型的变压器的情况下也不会引起磁饱和，并且使用温度范围宽。

本发明的模拟绝缘多路复用器具备：第1开关元件，通过与外部信号对应的开关来生成驱动控制信号；驱动用绝缘变压器，经由第1电阻向一次侧施加驱动控制信号，并向二次侧输出被绝缘的驱动控制信号；第2开关元件，按照被绝缘的驱动控制信号对模拟信号输入进行斩波，生成斩波模拟信号；以及模拟信号绝缘变压器，向一次侧施加斩波模拟信号，并向二次侧输出被绝缘的斩波模拟信号，并且还具备：二次侧输出调整电路，该二次侧输出调整电路具有：第2电阻，一端连接在驱动用绝缘变压器的一次侧与第1电阻之间；以及电容器，一端接地且另一端与第2电阻串联接连。

根据本发明，可以得到如下的模拟绝缘多路复用器：具备包括电阻以及电容器的串联电路的二次侧输出调整电路，通过将该二次侧输出调整电路的元件值设计成期望的值，可以使驱动用绝缘变压器的二次侧的电压波形接近期望的形状，即使在使用了小型或超小型的变压器的情况下也不会引起磁饱和，并且使用温度范围宽。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的模拟绝缘多路复用器的结构图。

图2是示出本发明的实施方式1中的驱动用绝缘变压器的二次侧电压的时间波形的图。

图3是本发明的实施方式2中的模拟绝缘多路复用器的结构图。

图4是本发明的实施方式3中的模拟绝缘多路复用器的结构图。

图5是本发明的实施方式4中的模拟绝缘多路复用器的结构图。

图6是安装了以往的模拟绝缘多路复用器的模拟信号收集装置的结构图。

图7是以往的模拟绝缘多路复用器的电路结构图。

图8是示出以往的模拟绝缘多路复用器中的驱动用绝缘变压器的二次侧电压的时间波形的图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的模拟绝缘多路复用器的优选的实施方式进行说明。

本发明的模拟绝缘多路复用器通过具备二次侧输出调整电路，可以对应于来自外部的控制信号的ON/OFF期间，确保用于对模拟信号输入进行斩波的驱动用绝缘变压器的二次侧电压超过阈值电压的充分的期间，并且可以加快背向摆动(back swing)的收敛。

实施方式1

图1是本发明的实施方式1中的模拟绝缘多路复用器的结构图。图1中的模拟绝缘多路复用器由驱动用绝缘变压器T1、模拟信号绝缘变压器T2、场效应晶体管FET 1、FET 2、电阻R1～R3、二极管D1以及电容器C1构成。

此处，场效应晶体管FET 1相当于第1开关元件，场效应晶体管FET 2相当于第2开关元件。另外，电阻R1～R3分别相当于第1电阻～第3电阻。另外，以下说明了将场效应晶体管用作开关元件的情况，但还可以应用晶体管等其他开关元件。

接下来，对本实施方式1中的模拟绝缘多路复用器的动作进行说明。从数字元件输出的来自外部的控制信号从信号线L1被施加到FET 1的栅极。然后，FET 1对应于该来自外部的控制信号的ON/OFF期间进行开关动作，其结果，在信号线L2上得到驱动控制信号。

在FET 1成为ON的瞬间，对电容器C1充入电源电压Vc，在FET 1刚刚成为ON之后的充分短的时间内，电容器C1被认为是电压Vc的电池。另外，驱动用绝缘变压器T1的一次绕组在FET 1刚刚成为ON之后的过渡状态下，阻抗变大，几乎不流过电流。因此，与驱动用绝缘变压器T1连接的信号线L2的电压V_L2在FET 1刚刚成为ON之后，用下式(1)给出。

[式1]

$V_{L2}=\frac{R1}{R1+R2}(\mathrm{Vc}-V_{D1})---\left(1\right)$

图2是示出本发明的实施方式1中的驱动用绝缘变压器T1的二次侧电压V2的时间波形的图。如图2所示，如果将FET 1成为ON的时刻t1的V2的值设为Vs，则电压Vs＝V_L2，通过调整R1和R2的值，可以设定成超过FET 2的阈值电压Vth的电压。

接下来，FET 1成为ON，随着时间经过，从被充电成Vc的电容器C1经由R2以及R1流过放电电流，信号线L2的电压逐渐上升。该放电电流的时间常数τ用下式(2)给出，可以利用C1的电容以及(RI+R2)来变更时间常数。

[式2]

τ＝(R1+R2)×C1               (2)

与信号线L2的电压大致同样的电压作为驱动用绝缘变压器T1的二次侧的电压出现，成为图2所示的波形。即，通过根据上式(1)(2)恰当地设计电阻R1、R2的电阻值以及电容器C1的电容值，可以减少在以往技术中成为问题的下陷的影响，并且可以在与来自外部的控制信号的ON期间对应的充分的时间Tdrv期间，将V2保持在Vth以上。

其结果，在Tdrv的期间，FET 2成为ON，在该期间，模拟信号Va经由模拟信号绝缘变压器T2，在二次侧的信号线L3上作为与Va的振幅对应的输出而得到。

如果FET 1对应于来自外部的控制信号而从ON变为OFF(相当于图2中的时刻t2)，则流向驱动用绝缘变压器T1的一次侧的电流被切断，所以由于驱动用绝缘变压器T1所具有的电感而发生反电动势。

由于该反电动势，信号线L2的电压从Vc的电压上升，二极管D1成为反向偏置而D1成为OFF(此时等价于没有D1的状态)。因此，成为从信号线L2断开电容器C1的状态，与连接了C1的情况相比，可以加快背向摆动的收敛。

如上所述，根据实施方式1，通过在驱动用绝缘变压器的一次侧具备二次侧输出调整电路，可以使驱动用绝缘变压器的二次侧的电压波形接近与外部的控制信号对应的期望的形状。其结果，可以得到即使在将小型或超小型的变压器用作驱动用绝缘变压器的情况下也不会引起磁饱和并且使用温度范围宽的模拟绝缘多路复用器。

实施方式2

图3是本发明的实施方式2中的模拟绝缘多路复用器的结构图。本实施方式2中的图3的结构与之前的实施方式1中的图1的结构相比，二次侧输出调整电路10的内部结构不同。具体而言，二极管的数量在图1中仅为D1这1个，但在图3中由D1、D2这2个构成。

基本动作与之前的实施方式1相同。即，在FET 1成为ON的瞬间，对电容器C1充入电源电压Vc，在FET 1刚刚成为ON之后的充分短的时间内，电容器C1被认为是电压Vc的电池，这一点与实施方式1相同。

另外，在本实施方式2中，由于串联连接了二极管D1以及D2，所以如果设D1以及D2有同一电压下降，则2V_D1成为反向偏置电压。然后，与驱动用绝缘变压器T1连接的信号线L2的电压V_L2在FET 1刚刚成为ON之后，用下式(3)给出。

[式3]

$V_{L2}=\frac{R1}{R1+R2}(\mathrm{Vc}-V_{D1})---\left(3\right)$

即，在本实施方式2中，也可以通过调整R1和R2的值，将Vs的值设定成超过FET 2的阈值电压Vth的电压。特别是，在本实施方式2中，与之前的实施方式1相比，过渡时的V_L2电压降低V_D1，所以可以减小R2的值，从而得到设计的自由度。

如上所述，根据实施方式2，通过串联连接2个以上的二次侧输出调整电路的二极管，也可以得到与之前的实施方式1同样的效果。进而，通过增加二极管的数量，可以增大电阻值的设计自由度。

实施方式3

图4是本发明的实施方式3中的模拟绝缘多路复用器的结构图。本实施方式3中的图4的结构与之前的实施方式1中的图1的结构比较，二次侧输出调整电路10的内部结构不同。具体而言，代替图1中的二极管D1，而具备相当于第3开关元件的FET 3、电阻R6、电容器C2。二次侧输出调整电路10以外的基本结构与图1相同。

在图4中，从数字元件输出的来自外部的控制信号从信号线L1被施加到FET 1以及FET 3的栅极，在该控制信号为“H(高)”时，FET 1以及FET 3这两方成为ON。在FET 3成为ON时，电容器C1被连接，而成为C1和(R1+R2)的时间常数电路，这一点与之前的实施方式1相同。

即，在FET1成为ON的瞬间，对电容器C1充入电源电压Vc，在FET 1刚刚成为ON之后的充分短的时间内，电容器C1被认为是电压Vc的电池。

另外，驱动用绝缘变压器T1的一次绕组在FET 1刚刚成为ON之后的过渡状态下，阻抗变大而几乎不流过电流。因此，与驱动用绝缘变压器T1连接的信号线L2的电压V_L2在FET 1刚刚成为ON之后用在实施方式1中描述的式(1)给出。

如果FET 1按照来自外部的控制信号而成为OFF，则同时FET 3也成为OFF，而从信号线L2断开电容器C1。其结果，可以加快背向摆动的收敛。FET 1刚刚成为ON之后的动作以及OFF后的动作也与实施方式1相同，可以直接应用图2所示的波形图。

如上所述，根据实施方式3，通过在二次侧输出调整电路中，代替二极管而使用第3开关元件，也可以得到与之前的实施方式1同样的效果。进而，通过使用第3开关元件而去掉二极管，可以在不考虑由于二极管引起的正向电压降的情况下，设计二次侧输出调整电路内的元件值。

实施方式4

图5是本发明的实施方式4中的模拟绝缘多路复用器的结构图。本实施方式4中的图5的结构与之前的实施方式1中的图1的结构比较，二次侧输出调整电路10的内部结构不同。具体而言，去掉图1中的二极管D1、电阻R3，而具备相当于第4电阻的电阻R4。二次侧输出调整电路10以外的基本结构与图1相同。

在图5中，从数字元件输出的来自外部的控制信号从信号线L1被施加到FET1的栅极，在该控制信号为“H”时，FET 1成为ON。如果FET 1成为ON，则电容器C1被连接，而成为C1和(R1+R2)的时间常数电路，这一点与之前的实施方式1相同。

数字元件为ON时的动作波形与图2相同。另一方面，在数字元件成为OFF时，成为经由电阻R4以及R2在变压器的一次绕组上连接了C1的状态。

为了使变压器的背向摆动快速收敛，优选如实施方式1～3所示当数字元件成为OFF时，断开C1。但是，通过使C1与变压器一次绕组之间具有某种程度以上的电阻值，也具有背向摆动稳定效果。

因此，本实施方式4中的二次侧输出调整电路10如图5所示构成为在驱动用绝缘变压器T1的一次侧还插入了相当于第4电阻的电阻R4。即，在变压器一次绕组与C1之间除了设置电阻R2以外，还设置作为第4电阻的电阻R4，从而抑制数字元件成为OFF时的背向摆动。

如上所述，根据实施方式4，通过在二次侧输出调整电路中，去掉二极管或第3开关元件，而使用第4电阻，也可以针对来自外部的控制信号的ON期间得到与之前的实施方式1同样的效果。进而，针对来自外部的控制信号的OFF期间，与使用了二极管或第3开关元件的情况相比时，虽然背向摆动的收敛性较差，但可以在简化了电路结构的基础上抑制背向摆动。

Claims (5)

1.一种模拟绝缘多路复用器，具备：

第1开关元件，通过与外部信号对应的开关来生成驱动控制信号；

驱动用绝缘变压器，经由第1电阻向一次侧施加上述驱动控制信号，并向二次侧输出被绝缘的驱动控制信号；

第2开关元件，按照上述被绝缘的驱动控制信号对模拟信号输入进行斩波，生成斩波模拟信号；以及

模拟信号绝缘变压器，向一次侧施加上述斩波模拟信号，并向二次侧输出被绝缘的斩波模拟信号，

其特征在于，通过在上述驱动用绝缘变压器的一次侧与上述第1电阻并联地连接第2电阻的一侧，在上述第2电阻的相反一侧连接二极管的阴极侧，在上述二极管的阳极侧连接电容器的一侧，并将上述电容器的相反一侧接地，从而设置由上述第2电阻、上述二极管以及上述电容器构成的串联电路，为了对上述电容器进行充电而将上述电容器的上述一侧经由第3电阻连接到电源，从而在上述第1开关元件从断开变成接通时，使上述驱动用绝缘变压器的驱动电压立即成为恒定电压，之后，以规定的时间常数使上述驱动电压上升。

2.根据权利要求1所述的模拟绝缘多路复用器，其特征在于，

上述二极管构成为串联连接了2个以上的二极管。

3.根据权利要求1所述的模拟绝缘多路复用器，其特征在于，

代替串联地插入在上述第2电阻与上述电容器之间的上述二极管，插入与上述第1开关元件同样地进行开关的第3开关元件，上述第1开关元件与上述外部信号对应地开关。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的模拟绝缘多路复用器，其特征在于，上述开关元件是场效应晶体管。

5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的模拟绝缘多路复用器，其特征在于，上述开关元件是晶体管。

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