CN101777249B - 一种抗电磁干扰的隔离端子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗电磁干扰的隔离端子。该隔离端子包括主电路板和端子接口板，主电路板垂直插接在端子接口板之上；并使用低漏磁、低扰度的平板式变压器作为信号隔离部件。主电路板上包括信号输入、信号输出和电源模块三部分，三部分之间由壕沟进行隔离，壕沟不间断一直通到端子接口板上，壕沟上不布置走线。本隔离端子采用新颖巧妙的电路板结构设计，能够满足空间射频调幅电磁场对电磁兼容能力的要求，并且有利于充分利用产品内部空间，使产品体积小型化。

Description

一种抗电磁干扰的隔离端子

技术领域

本发明涉及一种隔离端子，尤其涉及一种将电路板垂直拼接，并使用平板式变压器作为信号隔离部件，从而具有较强抗电磁干扰能力的隔离端子，属于测试仪器仪表技术领域。

背景技术

隔离端子也称为模拟信号隔离器或者信号隔离放大器。它是安装在工业生产过程中进行信号处理的中心计算机和分布在生产现场的设备、仪表、传感器之间的装置，具有将现场采集信号进行电气隔离、放大、线性化、设置报警、安全保护等方面的作用。隔离配电器是隔离端子系列产品中的一种类型。它的输入端具有为外接的二线制现场变送器供电的功能，同时接收这个现场变送器的信号。

隔离端子所要隔离的输入信号包括：电压信号、电流信号、各种变送器信号、表征温度的热电阻信号、表征温度的热电偶信号、开关量信号等。

隔离端子最重要的性能是使输入输出各部分在电气上相互隔离，即隔离端子的输入输出各部分之间不存在共同的电位参考点，这称之为“隔离”。实现信号隔离的常用技术手段有两种。第一种是采用光电耦合器。光电耦合器适合于隔离脉冲数字信号，使用范围比较有限。第二种是采用变压器。变压器既可以作为电源变换元件使用，也可以使用在脉冲数字信号和模拟信号的隔离上，因此在隔离端子中的使用范围较广。

对于使用变压器作为信号隔离部件的隔离端子而言，变压器的性能对隔离端子的工作精度、稳定度、隔离强度等主要参数的影响是非常重要的。如图1所示，常规的变压器是使用漆包线在磁性材料框架上绕制而成。对于漆包线的绕制，无论是机器绕制还是手工绕制都会带来工艺上的差别，进而带来产品性能的差别，从而降低产品性能的可控性。尤其在追求产品小型化的今天，隔离端子中的小型变压器(指小于10mm直径的磁环构成的变压器)绕制主要是依赖手工，这就给产品性能带来更明显的离散度。

另一方面，隔离端子大多使用在工业生产的现场中，工作环境比较恶劣，尤其是电磁干扰几乎是无法避免的。这种电磁干扰会使隔离端子处于不正常的工作状态。为了解决这一问题，隔离端子必须满足两个基本要求：第一是解决各种设备、仪表“地”之间的差，即信号参考点的电位差；第二是具有较强的电磁兼容(Electro MagneticCompatibility，简写为EMC)能力。

国际电工委员会发布的IEC61000-4-3标准，其中规定了被测试件受空间射频电磁场辐射抗扰度的试验条件。这个标准规定在工业环境中电磁场强定为10V/M。按照电磁兼容的国际标准，要求隔离端子做到：在电磁干扰环境中能正常工作，无性能降低或故障，保证精确度、稳定性等参数变化在规定范围内。同时隔离端子作为电磁骚扰源而产生的电磁强度也要控制在规定范围内，减弱它对环境的电磁污染。

人们针对电磁兼容问题进行了大量的研究，提出了很多抗电磁干扰的技术措施。但是在现有技术中，可以借鉴的文献研究大多局限于针对使用一块印刷电路板，即有关产品均是将元器件安装在一块印刷电路板上的情况。经过实践证明，这种设计方案并不能从根本上提高隔离端子的电磁兼容能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种抗电磁干扰的隔离端子。该隔离端子创造性地使用两块垂直拼接的印刷电路板，并使用平板式变压器作为信号隔离部件，可以有效提高抗电磁干扰的能力。

为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：

一种抗电磁干扰的隔离端子，其特征在于：

所述隔离端子包括主电路板和端子接口板，所述主电路板垂直插接在所述端子接口板之上；

所述主电路板上包括信号输入部分、信号输出部分和电源模块，三部分之间由壕沟进行隔离。

其中，所述壕沟不间断地通到所述主电路板与所述端子接口板的连接端。

所述电源模块中包括电源变压器，所述电源变压器位于所述主电路板的一隅。

所述主电路板上还具有作为信号输入部分、信号输出部分和电源模块之间信号通路的隔离变压器。

所述电源变压器和所述隔离变压器为平板式变压器。

所述平板式变压器中，初级和次级的绕组由布置在印刷电路板板面上的铜箔导线实现；所述印刷电路板为多层电路板，分属于初级和次级的铜箔导线分别布置在印刷电路板的不同层板面上。

在分别布置初级和次级的铜箔导线的不同层板面之间设置有作为屏蔽层的铜箔层。

所述电源模块中具有一组为现场变送器供电的隔离电源，所述主电路板上还具有电流型隔离器；

所述隔离电源与所述现场变送器以及电流型隔离器组成闭合的回路。

所述电流型隔离器以电流方式采集所述现场变送器的信号，将所述信号隔离传送到所述信号输出部分。

所述电流型隔离器在隔离传送过程中的电能消耗由所述隔离电源提供。

本发明所提供的隔离端子采用新颖巧妙的电路板结构设计，并使用了平板式变压器作为电源和信号隔离元件，不仅可以满足空间射频调幅电磁场对电磁兼容能力的要求，并且有利于充分利用产品内部空间，使产品体积小型化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是传统隔离端子中采用漆包线绕制的变压器的示意图；

图2为本隔离端子内部的印刷电路板的组装示意图；

图3为本隔离端子中的主电路板的布局示意图；

图4为本隔离端子中使用的平板式变压器的示意图；

图5为一种常规的隔离配电器的电路原理方框图；

图6为本发明所提供的一种低功耗的隔离配电器的电路原理方框图；

图7为常规的隔离配电器和本发明所提供的新型隔离配电器的功率消耗比较示意图；

图8为常规的隔离配电器和本发明所提供的新型隔离配电器的工作过程温升比较示意图。

具体实施方式

如图2所示，本隔离端子内部的印刷电路板分为两块，其中一块印刷电路板垂直插接在另外一块印刷电路板之上。在图2中，垂直放置的印刷电路板是主电路板，水平放置的印刷电路板是端子接口板。在本隔离端子中，将传统的单电路板修改为相互垂直的双电路板，不仅有效提高了抗电磁干扰的能力，而且有利于充分利用隔离端子内部的空间，使产品体积小型化。

如图3所示，主电路板上的电路分为信号输入、信号输出和电源模块三个部分。这三个部分的具体电路可以采用现有的成熟设计方案，在此就不详细赘述了。与现有产品所不同的是，在主电路板上按照输入、输出的“地”的不同划分隔离功能区域，设置专门的壕沟作为各个隔离功能区域的分界，并使壕沟不间断地一直通到相互垂直的二块印刷电路板的连接端。在壕沟上不布置任何的走线。

在本隔离端子中，电源模块将外部的24V DC隔离分为二组相互隔离的电源，分别给信号输入部分和信号输出部分供电。电源变压器布置在主电路板右上角的一隅，以便使干扰源处于电路板的一隅，减少对整个电路板的影响。信号输入部分的作用在于接收外来信号并进行放大、线性化等处理之后经过隔离变压器传到信号输出部分。信号输出部分将信号输入部分传过来的信号变换为标准信号传输到下一级仪表接口。隔离变压器作为三个部分之间的信号通路，使信号输入、信号输出和电源模块之间在电气上相互隔离，即这三个部分没有电气上的共同“地”参考点。这样可以有效解决信号参考点的电位差问题。

在生产过程中，本隔离端子需多次对其中使用的电源变压器和隔离变压器进行隔离强度检测，以保证信号隔离的强度。在传统隔离端子中，电源变压器和隔离变压器大多采用如图1所示的由漆包线绕制的变压器。这种绕制过程耗时费工，而且存在手工绕制的圈数误差及绕制导线松紧的人为差别，会导致产品的不一致性。

为了解决这一问题，本隔离端子采用了如图4所示的平板式变压器。平板式变压器采用铜箔导线作为绕组导线，用印刷方法将铜箔导线组成的线圈印制到印刷电路板上，具有低漏磁、低扰度的优点。关于平板式变压器的进一步说明，可以参阅叶虹和叶治政发表在《电源技术应用》2000年第3卷第8期上的论文《高频平板变压器的原理与设计》，在此就不赘述了。

在本隔离端子中，用于电源转换隔离的电源变压器和用于输入输出信号隔离的隔离变压器以布置在印刷电路板板面上的铜箔导线作为变压器初级、次级的绕组，以铜箔导线的印刷圈数作为初级、次级的绕组匝数以实现隔离前后的电压比。铜箔导线以圆弧作为导线转向形式。在布置初级和次级的铜箔导线的印刷电路板板面之间设置作为屏蔽层的铜箔层，以实现电源电压变换和信号隔离传送。

主电路板和端子接口板可以选用六层或更多层的印刷电路板。分属于初级和次级的铜箔导线分别布置在印刷电路板的不同层板面上，并按照参数要求确定印刷在电路板上的铜箔导线圈数。

在设计本隔离端子时，可以依据功率选用平板式变压器中所使用的磁性材料的尺寸。这是本领域一般技术人员都能掌握的常规设计，在此就不赘述了。

上述基于平板式变压器的技术方案可以使产品参数一致性增强并使产品参数可控度提高，接近自动化批量生产的条件，并有助于使隔离端子达到电磁兼容的射频电磁场辐射抗扰度的试验IEC61000-4-3标准，同时还有效克服了传统漆包线绕制的变压器所存在的产品参数离散度大、参数可控难度大、体积难以减小的缺点。

上述隔离端子的技术方案稍加改造就可以用于实现一种低功耗的隔离配电器。前已述及，隔离配电器是隔离端子系列产品中的一种类型。它的输入端具有为外接的二线制现场变送器供电的功能，同时接收这个现场变送器的信号。

与普通的隔离端子相比较，隔离配电器具有配电和信号隔离两方面的功能，即一方面对现场变送器配电，另一方面将现场变送器的信号隔离传输到下一级仪表。隔离配电器可以实现电源/信号输入/信号输出之间电磁全隔离，从而解决工业生产现场的信号干扰、转换、传输及匹配问题，在电力、化工、石油等领域得到广泛的使用。

在配电电源设计方式上，常规的隔离配电器设计方案是把为现场变送器的供电和采集现场变送器信号并隔离传送的功能电路的供电分配成二个独立的电源电路来承担。图5是一种常规的隔离配电器的电路原理方框图。从该方框图可以看出，外界的24V DC电源经变压器后分为三组，其中一组电源单独给现场变送器供电，另外两组分别给信号输入部分和信号输出部分供电。在供电回路中显示现场变送器信号的电流由隔离配电器输入取样电阻转变为电压，这样在输入取样电阻也会产生一定的能量消耗。因此，与没有配电功能的隔离端子相比，隔离配电器在工作过程中要消耗更多的电能，从而造成产品功率消耗高，产品壳体内温度升高幅度大。

为了降低隔离配电器本身的功耗，本发明所提供的新型隔离配电器仅具有一组隔离电源。这组隔离电源和外接的二线制的现场变送器、内部的电流型隔离器形成闭合的回路。其中的电流型隔离器相当于图2和图3中所示的隔离变压器，它以电流方式采集现场变送器的信号，将闭合回路中的现场变送器的电流信号隔离传送到信号输出部分。信号输出部分将信号输入部分传过来的信号传输到下一级仪表接口。

如图6所示，上述电路位于主电路板上，包括为外接的现场变送器配电的信号输入部分、经由电流型隔离器的信号输出部分和电源模块三个部分。电源模块将外接的24V DC隔离出一组隔离电源，这组隔离电源和外接的现场变送器、隔离配电器内部的电流型隔离器三者组成闭合回路，用于完成对现场变送器配电和电流型隔离器对现场变送器信号的接收。现场变送器的电流信号经由电流型隔离器传输到输出端，省去了信号输入部分的电路能量消耗。电流型隔离器在隔离传送过程中的电能消耗由前述闭合回路中的隔离电源提供，这就充分利用了仅有的一组隔离电源的电能，可以完成配电、隔离传送的隔离配电器功能。本发明所提供的新型隔离配电器采用把从外部电源获得的功率全部在一个闭合回路中利用起来的技术思路，使具有配电和隔离二个功能的隔离配电器的功率消耗缩减接近到只有隔离功能的隔离端子的功率消耗水平，相应减少了工作过程中的温升，显著改善了隔离配电器的工作可靠性和使用寿命。

图7和图8分别为常规隔离配电器和本发明所提供的新型隔离配电器的功率消耗和工作过程温升比较示意图。从图7和图8中可以看出，本新型隔离配电器在功耗和温升方面都显著优于现有的常规隔离配电器，因此在工作可靠性方面也有所改善。

以上对本发明所提供的抗电磁干扰的隔离端子进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (5)

1.一种抗电磁干扰的隔离端子，其特征在于：

所述隔离端子包括主电路板和端子接口板，所述主电路板垂直插接在所述端子接口板之上：

所述主电路板上包括信号输入部分、信号输出部分和电源模块，三部分之间由壕沟进行隔离；

所述壕沟不间断地通到所述主电路板与所述端子接口板的连接端；

所述电源模块中包括电源变压器，所述电源变压器位于所述主电路板的一隅；

所述主电路板上还具有作为信号输入部分、信号输出部分和电源模块之间信号通路的隔离变压器；

所述电源变压器和所述隔离变压器为平板式变压器；

所述平板式变压器中，初级和次级的绕组由布置在印刷电路板板面上的铜箔导线实现；所述印刷电路板为多层电路板，分属于初级和次级的铜箔导线分别布置在印刷电路板的不同层板面上。

2.如权利要求1所述的隔离端子，其特征在于：

在分别布置初级和次级的铜箔导线的不同层板面之间设置有作为屏蔽层的铜箔层。

3.如权利要求1所述的隔离端子，其特征在于：

所述电源模块中具有一组为现场变送器供电的隔离电源，所述主电路板上还具有电流型隔离器；

所述隔离电源与所述现场变送器以及电流型隔离器组成闭合的回路。

4.如权利要求3所述的隔离端子，其特征在于：

所述电流型隔离器以电流方式采集所述现场变送器的信号，将所述信号隔离传送到所述信号输出部分。

5.如权利要求3或4所述的隔离端子，其特征在于：

所述电流型隔离器在隔离传送过程中的电能消耗由所述隔离电源提供。

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