CN102857208A - 基于双光耦的高速双向通信隔离电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向通信隔离电路，该电路包括第一和第二输入输出端，与第一输入输出端连接的第一输入输出转换单元，包括第一、第二、第三和第四晶体管；与第二输入输出端连接的第二输入输出转换单元，包括第五、第六、第七和第八晶体管；以及连接在第一和第二输入输出转换单元之间的光耦隔离单元，该光耦隔离单元包括双光耦，所述第一输入输出转换单元和第二输入输出转换单元具有对等的结构。该隔离电路通信两侧完全对等，可以自由对换，并且无需额外的通信控制端。该隔离电路结构简单，易于设计。由于对电路的结构进行了充分的优化，显著提高了电路运行的稳定性和通信效率。

Description

基于双光耦的高速双向通信隔离电路

技术领域

本发明涉及一种光耦通信隔离电路，更具体地，本发明涉及一种基于双光耦的双向通信隔离电路。

背景技术

在现有的大多数工业控制通信系统中，为了增强系统的稳定性，一般要求在通信系统的主控制模块与外部功能模块之间进行通信隔离。为了节约IO资源并方便电路设计，在主控制模块与外部功能模块之间常采用SPI，I2C，CAN，单总线等串行通信模式。在以这些通信模式通信时，数据流是双向的，给通信隔离带来了不便。目前很多电路采用磁隔离方法解决上述双向数据通信的隔离问题，然而，由于磁隔离无法识别通信中的静态电平，如空闲状态或者通信线长时间处于0或者1电平状态，为此需要设计额外电路辅助识别。这就加大了电路设计的复杂性，同时也增大了电路的功耗。另外，目前采用的磁隔离芯片成本也较高。

为了克服磁隔离通信系统中存在的上述问题，出现了利用二极管单向导电特性实现通信隔离的双向通信隔离电路，如图1所示。该隔离电路虽然实现简单，但是由于二极管正向导通压降问题，使系统的低电平偏高，电路稳定性差，对通信光耦的要求也比较苛刻，使用普通光耦不能满足高速数据通信的要求。同时，由于光耦的工作电流较大，从而使电路对负载的灌电流能力要求偏高，也一定程度上影响电路的稳定性能。

申请号为200910105581.4，发明名称为“单线双向通信光隔离电路”的中国专利申请公开了一种基于三极管的双向通信光耦合隔离电路。在该电路中，分别包括四个三极管的第一和第二输入输出自动转换模块分别和光耦合隔离模块电连接，以及较低的成本实现了具有较高可靠性的单个I/O口的双向通信及光耦隔离。但是，在该隔离电路中，当通信线路处于空闲或者低电平状态时，两个光耦将同时导通出现互锁状态，使静态功耗大大增加。当隔离电路传输高电平时，必须通过MCU或设备的通信端口将电平强制拉高。因此，在这种隔离电路中，MCU或设备的通信端口必须具有较高的电流驱动能力。此外，强制高电平的输出形式不符合大部分的物理层通信规范，容易造成出现设备端的电源环流，在直接应用于标准串行总线通信设备时，必然出现通信故障。该隔离电路的通信低电平受限于Q8或Q4的基极-发射极结导通电压，通常在0.6V甚至更高，这就使电路的抗干扰能力较低，适用范围窄。

因此，需要一种低成本、低功耗，通信效率高，符合标准串行总线通信规范，适合于串行总线结构的隔离电路。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双向通信隔离电路，该电路包括：

第一输入输出端，

第二输入输出端，

与第一输入输出端连接的第一输入输出转换单元，包括第一、第二、第三和第四晶体管；

与第二输入输出端连接的第二输入输出转换单元，包括第五、第六、第七和第八晶体管；以及

连接在第一和第二输入输出转换单元之间的光耦隔离单元，该光耦隔离单元包括双光耦，

其特征在于，

所述第一输入输出转换单元和第二输入输出转换单元具有对等的结构。

优选地，所述第一输入输出转换单元中，第二晶体管的发射极，第三晶体管的发射极，以及第四晶体管的基极分别与第一输入输出端耦合；

第一晶体管的基极和第三晶体管的基极分别与第一光耦光敏管的发射极耦合；

第三晶体管的集电极和第四晶体管的发射极分别与第二光耦发光二极管的阳极和阴极耦合；

第二晶体管的基极与第一晶体管的集电极耦合；

第一光耦光敏管的集电极，第一晶体管的集电极，第二晶体管的集电极，第四晶体管的集电极以及第二晶体管的基极接地；并且

所述第二输入输出转换单元中，

第八晶体管的发射极，第五晶体管的发射极，以及第六晶体管的基极分别与第二输入输出端耦合；

第七晶体管的基极和第五晶体管的基极分别与第二光耦光敏管的发射极耦合；

第五晶体管的集电极和第六晶体管的发射极分别与第一光耦发光二极管的阳极和阴极耦合；

第八晶体管的基极与第七晶体管的集电极耦合；

第二光耦光敏管的集电极，第七晶体管的集电极，第八晶体管的集电极，第六晶体管的集电极以及第八晶体管的基极接地。

优选地，所述第一、第四、第六和第七晶体管是PNP型三极管，所述第二、第三、第五和第八晶体管是NPN型三极管。

优选地，所述第一输入输出转换单元进一步包括耦合在第一晶体管发射极和基极之间的第一电阻器，耦合在第一晶体管基极和第三晶体管基极之间的第二电阻器，耦合在第一晶体管发射极和第四晶体管基极之间的第五电阻器和耦合在第四晶体管基极和第一输入输出端之间的第六电阻器，使得第一晶体管导通前第三晶体管截止；所述第二输入输出转换单元进一步包括耦合在第七晶体管发射极和基极之间的第三电阻器，耦合在第七晶体管基极和第五晶体管基极之间的第四电阻器，耦合在第七晶体管和发射极和第六晶体管基极之间的第七电阻器和耦合在第六晶体管基极第二输入输出端之间的第八电阻器，使得第七晶体管导通前第五晶体管截止。

优选地，所述第一输入输出转换单元进一步包括耦合在所述第一电阻器上的第一电容器；所述第二输入输出转换单元进一步包括耦合在所述第四电阻器上的第二电容器。

优选地，所述第一光耦和第二光耦为低速光耦，所述第一电容器和第二电容器的电容值为几百pF至几纳法。

优选地，所述第一光耦和第二光耦为高速光耦，所述第一电容器和第二电容器的电容值小于100pF。

优选地，所述晶体管是MOS晶体管。

根据本发明的隔离电路能够解决上述技术问题，同时降低了隔离电路对通信光耦参数的要求，达到了高的双向通信速率。根据本发明的隔离电路通信两侧完全对等，可以自由对换，并且无需额外的通信控制端。隔离电路的第一和第二输入输出转换单元分别包含一个光耦，四个三极管或者MOS管，多个电阻和一个加速电容，电路结构简单，易于设计。由于对电路的结构进行了优化设计，显著提高了电路运行的稳定性和通信效率。当光耦选用普通光耦如TLP181时，其通信速度可达100Kb/s以上，远大于直接使用TLP181时不超过10Kb/s的通信速率，在很大程度上提升了隔离电路通信效率。当选用6N137等高速通信光耦时，其通信速率要远高于光耦自身支持的最大通信速率，可达几十Mb/s。

附图说明

图1示出一种现有技术的双向通信隔离电路；

图2示出另一种现有技术的双向通信隔离电路；

图3示出根据本发明的双向通信隔离电路的结构框图；

图4示出根据本发明优选实施例的双向通信隔离电路的电路图；

图5示出图4所示隔离电路的一个实例；

图6示出图5所示隔离电路的信号关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图具体说明根据本发明的双向通信隔离电路的优选实施例。在本文中，相似的附图标记表示相似的单元或元件。

图3示出了根据本发明的双向通信隔离电路300的电路图。该隔离电路300包括第一输入输出端IN1，与第一输入输出端连接的第一输入输出转换单元301，第二输入输出端IN2，与第二输入输出端连接的第二输入输出转换单元303，以及连接在第一和第二输入输出转换单元301，303之间的光耦隔离单元302。当第一输入输出端IN1用作输入端接收数据时，第二输入输出端IN2用作输出端输出数据，而当第二输入输出端IN2用作输入端接收数据时，第一输入输出端IN1用作输出端输出数据，由此实现通信系统中的双向通信。第一和第二输入输出转换单元301，303分别包括多个三极管并具有相同的组成和对应的连接关系，使得电路通信两侧完全对等，第一和第二输入输出端可自由对换，无需额外的通信控制端。

下面参照图4具体说明根据本发明的双向通信隔离电路400的电路结构。

第一输入输出转换单元301包括三极管Q1-Q4。上拉电阻器R3，R5和R6，以及三极管Q1的发射极和三极管Q3的发射极分别与第一电压V1连接。第一输入输出端IN1与三极管Q2的发射极连接，通过电阻器R17与三极管Q4的基极耦合，并通过电阻器R17和R6与三极管Q3的发射极耦合。三极管Q2的基极通过电阻器R1与三极管Q1的集电极耦合。三极管Q1的基极通过电阻器R4与三极管Q3的基极耦合。第二光耦U2的阳极通过电阻器R8与三极管Q3的集电极耦合，阴极与三极管Q4的发射极耦合。第一光耦U1的发射极与三极管Q3的基极耦合并通过电阻器R4与三极管Q1的基极耦合。第一光耦U1的集电极，三极管Q2的集电极，三极管Q4的集电极接地，三极管Q2的基极通过电阻器R2接地。三极管Q1和Q4是PNP型三极管，三极管Q2和Q3是NPN型三极管。

优选地，第一输入输出转换单元301进一步包括耦合在电阻器R4上的电容器C1。该电容器C1两端分别通过电阻器R3和电阻器R5与第一电压V1连接。

第二输入输出转换单元303具有与第一输入输出转换单元301相同的组成和对应的连接关系，包括三极管Q5-Q8。上拉电阻器R10，R12和R16，以及三极管Q7的发射极和三极管Q5的发射极分别与第二电压V2连接。第二输入输出端IN2分别与三极管Q8的发射极连接，通过电阻器R18与三极管Q6的基极耦合，并通过电阻器R18和R16与三极管Q5的发射极耦合。三极管Q8的基极通过电阻器R14与三极管Q7的集电极耦合。三极管Q7的基极通过电阻器R13与三极管Q5的基极耦合。第一光耦U1的阳极通过电阻器R9与三极管Q5的集电极耦合，阴极与三极管Q6的发射极耦合。第二光耦U2的发射极与三极管Q5的基极耦合并通过电阻器R13与三极管Q7的基极耦合。第二光耦U2的集电极，三极管Q8的集电极，三极管Q6的集电极接地，三极管Q8的基极通过电阻器R15接地。三极管Q6和Q7是PNP型三极管，三极管Q5和Q8是NPN型三极管。

优选地，与第一输入输出转换单元301对等，第二输入输出转换单元303包括耦合在电阻器R13上的电容器C2。该电容器C2两端分别通过电阻器R12和电阻器R10与第二电压V2连接。

因为第一输入输出转换单元和第二输入输出转换单元具有对等结构，下面仅参照图4描述第一输入输出转换单元侧的工作原理。

当第一输入输出端IN1由高电平变成低电平时，三极管Q4导通。假设此时第一光耦U1的发射极为高电平，也即三极管Q3的基极为高电平，那么此时第二光耦U2的光电二极管导通。由于第二电容C2的加速作用将促使三极管Q7迅速导通，从而使三极管Q8导通，输出低电平至第二输入输出端IN2，完成通信信号传输。

下面分析三极管Q3的基极为高电平的条件。由上面分析可知当第二输入输出端IN2为低电平时，三极管Q6为导通。要使三极管Q3的基极为高电平，必须让第一光耦U1的光电二极管处于截止状态。由于三极管Q6未导通，此时当且仅当三极管Q5截止时，才能满足条件。可以令第一光耦U1的工作电流为I1，第一光耦U1光电二极管的正向导通压降为

三极管Q5和Q6的基射极导通电压分别为

和

令三极管Q5基极的电压为

忽略三极管Q8的集射结导通压降，则当三极管Q5临界导通时，即I1＝0时公式1成立：

$V_{Q_{5b}}=(V_{Q_{5\mathrm{be}}}+V_{Q_{6\mathrm{be}}}+V_{U_{1D}}+V_{Q_{8\mathrm{ce}}}+V_2{R}_{18}/(R_{16}+R_{18}))$ 公式1

优选地，要使电路稳定工作，需在三极管Q7导通之前截止三极管Q5，电路即可稳定工作。这个条件可以通过调节电阻器R12和R13的阻值以及电阻器R16，R18的阻值得到。显然，由于

和

的存在，很大程度上提高了三极管Q5的截止电压，而V₂R₁₈/(R₁₆+R₁₈)部分的调节电压，使得电路条件更加容易满足。由于三极管Q5基极电压为

在不考虑电容器C7且三极管Q7处于截止状态时其基极电压

为：

$V_{Q_{7b}}=(V_2-V_{Q_{5b}})R_{12}/(R_{12}+R_{13})+V_{Q_{5b}}$ 公式2

要使三极管Q7截止，必须满足式

为三极管Q7的基射极导通压降，即：

$V_2-((V_2-V_{Q_{5b}})R_{13}/(R_{12}+R_{13})+V_{Q_{5b}})<V_{Q_{7\mathrm{be}}}$ 公式3

由于V₂已知，V_5b可从公式1得到，从而通过公式3可解得电阻器R12与R13的最大比值关系。同时为确保三极管Q7导通，必须令三极管Q5的基极电压V5b在取得最小值前令三极管Q7导通，即

成立，可取得电阻器R12与R13的最小比值关系。

同理可得电阻器R3与R4的关系。电阻器R8与R9的取值与所选的光耦工作电流相关，电阻器R6与R16的取值应根据实际的负载情况选取，其余电阻器的取值只要满足正常通信时，使其余三极管能够工作在导通与截止状态即可。

根据本发明的优选实施例，可根据所需光耦的通信速率选择电容器C1和C2的取值。电容器C2加快了三极管Q7导通的速度，可补偿由于光耦上升或下降的延迟时间。电容器C2取值越大所能补偿的相位延迟越大。然而，如果电容器C2取值过大，容易使三极管Q7在三极管Q5截止前导通，引发隔离电路的振荡。若第一和第二光耦为低速光耦，电容器C1和C2的取值优选在1nF左右。若第一和第二光耦为高速光耦，电容器C1和C2的取值优选在100pF以下，通信速率越高，电容取值越小。另外，提高三极管Q7和Q1的放大倍数有利于减小通信延时，从而提高通信速率。

当第一输入输出端IN1由低电平变成高阻状态时，该第一输入输出端IN1迅速由上拉电阻拉升至高电平状态，第一光耦U1光电二极管截止，从而使三极管Q7迅速截止。由于三极管Q7截止，使三极管Q8基极为零电平而截止，在上拉电阻作用下，使第二输入输出端IN2输出高电平，完成高电平传输。由于三极管Q6的基极也被置成高电平状态，三极管Q6恢复截止，电路稳定。当传输高电平时，所有晶体管及光耦均处于截止状态，因此电路功耗几乎为0。

图5示出了根据本发明隔离电路的一个优选实例。该实例中，第一和第二光耦型号为TLP181，PNP三极管型号为9012，NPN三极管型号为S8050。工作电压V1和V2分别为5V。

在该隔离电路实例中，第一和第二光耦U1，U2中光电二级管导通电压近似取1V，三极管Q5和Q7的基射结导通电压为0.7V，从而由公式1可得晶体管Q5临界导通电压：

V_5b=(0.7+0.7+1+5×1/(1+2.2))≈3.96V

取

则由公式3有：

5-((5-3.96)R₁₃/(R₁₂+R₁₃)+3.96)<0.7

即：R₁₂/R₁₃<70/34≈2.059

又取第二U2全导通时，其光敏管发射极和集电极之间的电压为0.6V，可得：

5-((5-0.6)R₁₃/(R₁₂+R₁₃)+0.6)>0.7

即：R₁₂/R₁₃>7/37≈0.189

从而满足条件R₁₂/R₁₃∈(0.189,2.059)的电阻比值均可使电路稳定工作，同时为保证电路响应的快速性，电阻器R12，R13的取值不宜过大，该例中R₁₂=1KΩ,R₁₃=3.3KΩ。

从上述分析可知，电阻器R12和R13的取值范围较大，参数容易选取，从而使电路易于设计，整个电路的运行更加稳定。

该电路可直接用于串行数据总线中，如单总线，I2C的SDA数据线或者SCL线等，其最高通信速率可达400Kb/s。静态功耗几乎为0，动态功耗小于70mW。图6给出了Multisim仿真下图5所示隔离电路中输入电压IN1，三极管Q3的基极电压，三极管Q5的基极电压关系和输出电压IN2的关系。

从图6可以看出由于加速电容器的存在，促使晶体管Q7的提前导通从而使晶体管Q6迅速导通，此时由于晶体管Q5尚未截止，使第一光耦U1处于工作状态。但是由于第一光耦U1自身的延时，未能使晶体管Q1立即截止，图5中第二光耦U2仍处于导通状态，而后三极管Q5的基极电压迅速下降，使三极管Q5截止，第一光耦U1光电二级管处于截止状态。由于三极管Q7继续导通，使三极管Q8维持低电平状态，电路稳定。图中输入信号频率为400kHz，通信延迟时间小于500ns。从图6可知，三极管Q5基极电压变化幅度较小，从而减小了实际光耦所需的上升和下降的延迟时间，使通信效率提高。当提高三极管Q7和Q1的放大倍数时，上述电路可工作于更高的通信速率，同时减小因电容器的相位补偿造成的三极管Q3基极电压变化，使电路工作更加稳定。

图4中给出了基于三极管的双向数据通信隔离方案。将图4中的三极管换成MOS晶体管时，电路工作原理基本相同，在此不再赘述。

综上所述，根据本发明的双光耦双向数据通信隔离电路可实现高速数据通信，达到了很好的隔离效果。该隔离电路结构简单，方便实际设计，也易于集成实现单芯片完成高速串行双向通信隔离。此外，该隔离电路的结构降低了对光耦自身参数的要求，降低了电路成本。

以上借助优选实施例对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此。本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双向通信隔离电路，该电路包括：

第一输入输出端，

第二输入输出端，

与第一输入输出端连接的第一输入输出转换单元，包括第一、第二、第三和第四晶体管；

与第二输入输出端连接的第二输入输出转换单元，包括第五、第六、第七和第八晶体管；以及

连接在第一和第二输入输出转换单元之间的光耦隔离单元，该光耦隔离单元包括双光耦，

其特征在于，

所述第一输入输出转换单元和第二输入输出转换单元具有对等的结构。

2.如权利要求1所述的双向通信隔离电路，其特征在于，

所述第一输入输出转换单元中，

第二晶体管（Q2）的发射极，第三晶体管（Q3）的发射极，以及第四晶体管（Q4）的基极分别与第一输入输出端（IN1）耦合；

第一晶体管（Q1）的基极和第三晶体管（Q3）的基极分别与第一光耦（U1）光敏管的发射极耦合；

第三晶体管（Q3）的集电极和第四晶体管（Q4）的发射极分别与第二光耦（U2）发光二极管的阳极和阴极耦合；

第二晶体管（Q2）的基极与第一晶体管（Q1）的集电极耦合；

第一光耦（U1）光敏管的集电极，第一晶体管（Q1）的集电极，第二晶体管（Q2）的集电极，第四晶体管（Q4）的集电极以及第二晶体管（Q2）的基极接地；并且

所述第二输入输出转换单元中，

第八晶体管（Q8）的发射极，第五晶体管（Q5）的发射极，以及第六晶体管（Q6）的基极分别与第二输入输出端（IN2）耦合；

第七晶体管（Q7）的基极和第五晶体管（Q5）的基极分别与第二光耦（U2）光敏管的发射极耦合；

第五晶体管（Q5）的集电极和第六晶体管（Q6）的发射极分别与第一光耦（U1）发光二极管的阳极和阴极耦合；

第八晶体管（Q8）的基极与第七晶体管（Q7）的集电极耦合；

第二光耦（U2）光敏管的集电极，第七晶体管（Q7）的集电极，第八晶体管（Q8）的集电极，第六晶体管（Q6）的集电极以及第八晶体管（Q8）的基极接地。

3.如权利要求1所述的双向通信隔离电路，其特征在于，所述第一、第四、第六和第七晶体管是PNP型三极管，所述第二、第三、第五和第八晶体管是NPN型三极管。

4.如权利要求3所述的双向通信隔离电路，其特征在于，

所述第一输入输出转换单元进一步包括耦合在第一晶体管发射极和基极之间的第一电阻器（R3），耦合在第一晶体管基极和第三晶体管基极之间的第二电阻器（R4），耦合在第一晶体管发射极和第四晶体管基极之间的第五电阻器（R6）和耦合在第四晶体管基极和第一输入输出端之间的第六电阻器（R17），使得第一晶体管导通前第三晶体管截止；

所述第二输入输出转换单元进一步包括耦合在第七晶体管发射极和基极之间的第三电阻器（R12），耦合在第七晶体管基极和第五晶体管基极之间的第四电阻器（R13），耦合在第七晶体管和发射极和第六晶体管基极之间的第七电阻器（R16）和耦合在第六晶体管基极第二输入输出端之间的第八电阻器（R18），使得第七晶体管导通前第五晶体管截止。

5.如权利要求4所述的双向通信隔离电路，其特征在于，

所述第一输入输出转换单元进一步包括耦合在所述第一电阻器上的第一电容器；

所述第二输入输出转换单元进一步包括耦合在所述第四电阻器上的第二电容器。

6.如权利要求5所述的双向通信隔离电路，其特征在于，所述第一光耦和第二光耦为低速光耦，所述第一电容器和第二电容器的电容值为几百pF至几纳法。

7.如权利要求5所述的双向通信隔离电路，其特征在于，所述第一光耦和第二光耦为高速光耦，所述第一电容器和第二电容器的电容值小于100pF。

8.如权利要求1所述的双向通信隔离电路，其特征在于，所述晶体管是MOS晶体管。

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