CN109831204B - 一种信号隔离转化电路及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号隔离转化电路及控制装置，包括：脉冲信号产生电路、与脉冲信号产生电路连接的光耦互补隔离电路；脉冲信号产生电路用于接收输入信号、并将输入信号转换为脉冲信号；光耦互补隔离电路包括至少两个光电耦合器，至少两个光电耦合器根据脉冲信号导通或关闭，以将脉冲信号传输至信号隔离转化电路的输出端。本发明通过设置光耦互补隔离电路有效地解决了采用普通光耦隔离导致的传输延迟、传输信号失真以及光电耦合器中的发光二极管的光衰和温漂的问题，提升了隔离信号传输的时效性，并降低了隔离传输的成本。

Description

一种信号隔离转化电路及控制装置

技术领域

本发明涉及信号传输的技术领域，更具体地说，涉及一种信号隔离转化电路及控制装置。

背景技术

出于安全和可靠性的要求，在危险或者需要抗干扰要求高的场合，一般需要采用隔离变换电路，隔离电路一般使用磁隔离和光隔离，其控制方法为PWM控制方式(脉冲宽度占空比调制模式)和PFM(可变频率调制模式)。

磁隔离对于小型化标准封装工艺和电路控制方式要求较高，而且价格昂贵，所以在低成本的设计中一般使用光隔离技术。

光隔离技术一般使用，分为低速光耦和高速光耦。光耦容易做到小型化标准封装工艺，而且工艺成熟，价格便宜。但是，当使用的高速光耦传输速度达到1MHz(兆赫兹)时，其价格是普通光耦(例如PC817)的十倍以上，成本较高。低速光耦在传输PWM脉冲宽度信号时，由于光耦的输出端是光敏三极管，存在关断拖尾电流，导致其接收端发光二极管的驱动脉冲宽度会小于其输出端的输出脉冲宽度，造成传输数据的失真；同时低速光耦在使用过程中会发生接收端发光二极管因老化而出现光衰的问题，不适合使用在超长寿命的产品中；另外，还存在单个光耦传输数据的温漂问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种信号隔离转化电路及控制装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种信号隔离转化电路，包括：脉冲信号产生电路、与所述脉冲信号产生电路连接的光耦互补隔离电路；

所述脉冲信号产生电路用于接收输入信号、并将所述输入信号转换为脉冲信号；

所述光耦互补隔离电路包括至少两个光电耦合器，所述至少两个光电耦合器根据所述脉冲信号导通或关闭，以将所述脉冲信号传输至所述信号隔离转化电路的输出端。

可选的，所述脉冲信号产生电路包括控制芯片，所述控制芯片的输入端接收所述输入信号，所述控制芯片的输出端连接所述光耦互补隔离电路的输入端。

可选的，所述光耦互补隔离电路包括第一光电耦合单元、第二光电耦合单元、第一限流电路、第二限流电路、第一分压电路和第二分压电路；

所述第一限流电路的第一端连接电源电压，所述第一限流电路的第二端连接所述第一光电耦合单元的接收端；所述第一光电耦合单元的接收端和所述第二光电耦合单元的接收端连接所述脉冲信号产生电路的输出端，所述第一光电耦合单元的输出端分别连接供电电压和所述第一分压电路的第一端，所述第一分压电路的第二端接地；所述第二分压的第一端连接供电电压，所述第二分压电路的第二端连接所述第二光电耦合单元的输出端并连接至地；所述第一分压电路的第三端和所述第二分压电路的第三端为所述光耦互补隔离电路的输出端；

其中，所述光耦互补隔离电路的输出端为所述信号隔离转化电路的输出端。

可选的，还包括：

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于将所述光耦互补隔离电路输出的脉冲信号进行整形并输出标准脉冲信号的脉宽整形电路。

可选的，所述脉宽整形电路包括：第一整形开关和第二整形开关；

所述第一整形开关的第一端和所述第二整形开关的第一端连接所述光耦互补隔离电路的输出端，所述第一整形开关的第二端连接供电电压，所述第一整形开关的第三端和所述第二整形开关的第二端作为所述信号隔离转化电路的输出端输出所述标准脉冲信号，所述第二整形开关的第三端接地。

可选的，所述第一整形开关和所述第二整形开关均为场效应管，且所述第一整形开关和所述第二整形开关为互补型开关。

可选的，还包括：

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于对所述脉冲信号进行滤波处理、将所述脉冲信号转换为直流信号的滤波电路。

可选的，还包括：

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于输出所述脉冲信号的输出端。

可选的，还包括：

设置在所述脉冲信号产生电路的输入端、用于检测所述输入信号并对所述输入信号进行滤波消噪处理的检测电路。

本发明还提供一种信号隔离控制装置，包括以上所述的信号隔离转化电路。

实施本发明的信号隔离转化电路，具有以下有益效果：本发明的信号隔离转化电路通过设置光耦互补隔离电路，有效地解决了采用普通光耦隔离导致的传输延迟的问题，提升了隔离信号传输的时效性，且不会存在光耦的接收端的驱动脉冲宽度小于其输出端的驱动脉冲宽度所造成的传输信号失真的问题，并解决了光电耦合器中的发光二极管的光衰和温漂问题。另外，本发明通过采用该光耦互补隔离电路还可以降低隔离传输的成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种信号隔离转化电路第一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一种信号隔离转化电路第二实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的一种信号隔离转化电路第三实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的一种信号隔离转化电路第四实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的一种信号隔离转化电路第五实施例的结构示意图；

图6是本发明提供的一种信号隔离转化电路第六实施例的结构示意图；

图7是本发明提供的一种信号隔离转化电路第六实施例的结构示意图；

图8为图7的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种信号隔离转化电路，该信号隔离转化电路可以应用于驱动电源如LED驱动电源，还可以应用于任何需要隔离信号传输的场合，如危险或者需要抗干扰要求较高的场合等。

参考图1，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第一实施例的结构示意图。

如图1所示，该实施例的信号隔离转化电路可以包括：脉冲信号产生电路11、与脉冲信号产生电路11连接的光耦互补隔离电路12。

脉冲信号产生电路11用于接收输入信号(VIN)、并将输入信号(VIN)转换为脉冲信号；光耦互补隔离电路12包括至少两个光电耦合器，至少两个光电耦合器根据脉冲信号导通或关闭，以将脉冲信号传输至信号隔离转化电路的输出端。

可选的，本发明实施例的脉冲信号产生电路可以包括控制芯片，该控制芯片的输入端接收输入信号(VIN)，控制芯片的输出端连接光耦互补隔离电路12的输入端。通过该控制芯片可以将所接收的输入信号(VIN)换为脉冲信号，其中，该脉冲信号为PWM的脉冲宽度信号，其脉冲宽度及占空比由控制芯片根据信号传输需求进行调整。

本发明实施例的光耦互补隔离电路12可以包括第一光电耦合单元、第二光电耦合单元、第一限流电路、第二限流电路、第一分压电路和第二分压电路。

第一限流电路的第一端连接电源电压(VCC)，第一限流电路的第二端连接第一光电耦合单元的接收端；第一光电耦合单元的接收端和第二光电耦合单元的接收端连接脉冲信号产生电路11的输出端，第一光电耦合单元的输出端分别连接供电信号(5VA)和第一分压电路的第一端，第一分压电路的第二端接地；第二分压的第一端连接供电信号(5VA)，第二分压电路的第二端连接第二光电耦合单元的输出端并连接至地；第一分压电路的第三端和第二分压电路的第三端为光耦互补隔离电路12的输出端；其中，光耦互补隔离电路12的输出端为信号隔离转化电路的输出端。

本发明实施例的第一光电耦合单元和第二光电耦合单元形成互补形式。

可选的，本发明实施例中，第一光电耦合单元包括至少一个光电耦合器。进一步地，第一光电耦合单元中的至少一个光电耦合器可以采用串联或者并联的方式，其中，至少一个光电耦合器可以采用任意的串联方式或者任意的并联方式。

可选的，本发明实施例中，第二光电耦合单元可以包括至少一个光电耦合器。进一步地，第二光电耦合单元中的至少一个光电耦合器可以采用串联或者并联的方式，其中，至少一个光电耦合器可以采用任意的串联方式或者任意的并联方式。

进一步地，本发明实施例中，第一光电耦合单元和第二光电耦合单元中所采用的光电耦合器可以为相同的光电耦合器。

本发明实施例中，第一限流电路可以由电阻实现，所采用的电阻的数量根据实际的电路设计需求确定，其中，当有多个电阻时可以采用串联或者并联的方式。

本发明实施例中，第二限流电路可以由电阻实现，所采用的电阻的数量根据实际的电路设计需求确定，其中，当有多个电阻时可以采用串联或者并联的方式。

本发明实施例中，第一分压电路可以由电阻实现，所采用的电阻的数量根据实际的电路设计需求确定，其中，当有多个电阻时可以采用串联或者并联的方式。

本发明实施例中，第二分压电路可以由电阻实现，所采用的电阻的数量根据实际的电路设计需求确定，其中，当有多个电阻时可以采用串联或者并联的方式。

其具体的工作原理为：第一光电耦合单元和第二光电耦合单元根据脉冲信号产生电路11输出的脉冲信号导通或关闭，其中，第一光电耦合单元导通时，第二光电耦合单元关闭；或者第一光电耦合单元关闭时，第二光电耦合单元导通。在一个具体实施例中，若第一光电耦合单元导通，此时，电源电压(VCC)通过第一限流电路、第一光电耦合单元和第一分压电路，并由第一分压电路进行分压后输出脉冲信号，在此过程中，第二光电耦合单元关闭，没有信号流过第二限流电路、第二光电耦合单元以及第二分压电路；反之，当第二光电耦合单元导通时，电源电压(VCC)通过第二限流电路、第二光电耦合单元和第二分压电路，由第二分压电路进行分压后输出脉冲信号，在此过程中，第一光电耦合单元关闭，没有信号流过第一限流电路、第一光电耦合单元以及第一分压电路。

参考图2，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第二实施例的结构示意图。

如图2所示，该实施例在第一实施例的基础上，进一步还包括：与光耦互补隔离电路12的输出端连接、用于将光耦互补隔离电路12输出的脉冲信号进行整形并输出标准脉冲信号的脉宽整形电路13。

可选的，本发明实施例的脉宽整形电路13包括：第一整形开关和第二整形开关；第一整形开关的第一端和第二整形开关的第一端连接光耦互补隔离电路12的输出端，第一整形开关的第二端连接供电信号(5VA)，第一整形开关的第三端和第二整形开关的第二端作为信号隔离转化电路的输出端输出标准脉冲信号，第二整形开关的第三端接地。

进一步地，本发明实施例的第一整形开关和第二整形开关均为场效应管，且第一整形开关和第二整形开关为互补型开关。即所第一整形开关所采用的场效应管和第二整形开关所采用的场效应管极性相反。

本发明实施例中，由于第一光电耦合单元和第二光电耦合单元中的光电耦合器的输出端为光敏三极管，而光敏三极管在开通和关断时其下降沿或者上升沿存在斜度，因此，光耦互补隔离电路12输出的脉冲信号为梯形状的脉冲信号，因此，通过在光耦互补隔离电路12的输出端设置脉宽整形电路13对光耦互补隔离电路12输出的脉冲信号进行整形，以将梯形状的脉冲信号整形为标准陡降或者陡升的脉冲信号，即标准脉冲信号。

参考图3，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第三实施例的结构示意图。

如图3所示，该实施例在第一实施例的基础上，进一步还包括：与光耦互补隔离电路12的输出端连接、用于对脉冲信号进行滤波处理、将脉冲信号转换为直流信号的滤波电路14。

通过在光耦互补隔离电路12的输出端可以将交流的脉冲信号转换为直流信号。

可选的，本发明实施例的滤波电路14可以采用任意形式的滤波电路14。

参考图4，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第四实施例的结构示意图。

如图4所示，该实施例在第一实施例的基础上，进一步还包括：与光耦互补隔离电路12的输出端连接、用于输出脉冲信号的输出端。可选的，本发明实施例的输出电路15可以通过串联电阻或者并联电阻实现，所采用的串联电路的数量或者并联电阻的数量根据实际的电路设计需求确定。

参考图5，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第五实施例的结构示意图。

如图5所示，该实施例在第二实施例的基础上，进一步包括：滤波电路14，该滤波电路14与脉宽整形电路13的输出端连接、用于对脉宽整形电路13输出的标准脉冲信号进行滤波处理，将标准脉冲信号转换为直流信号。

参考图6，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第六实施例的结构示意图。

如图6所示，该实施例在第五实施例的基础上，进一步包括：输出电路15，该输出电路15与滤波电路14的输出端连接、输出滤波电路14输出的直流信号以供后级电路使用。

参考图7，为本发明提供的一种信号隔离转化电路第七实施例的结构示意图。

如图7所示，该实施例在第六实施例的基础上，进一步包括：设置在脉冲信号产生电路11的输入端、用于检测输入信号(VIN)并对输入信号(VIN)进行滤波消噪处理的检测电路16。可选的，该检测电路16可以通过电容实现，通过在脉冲信号产生电路11的输入端设置电容可以实现对输入信号(VIN)的滤波消噪处理，以提高输入信号(VIN)的稳定性。

以下以一个具体实施例对本发明的信号隔离转化电路的工作原理进行说明。具体的，参考图8，图8为图7的实施例的电路原理图。

如图8所示，在该实施例中，检测电路16包括第二电容CP2；脉冲信号产生电路11包括控制芯片UP1；光耦互补隔离电路12包括：第一光电耦合单元、第二光电耦合单元、第一限流电路、第二限流电路、第一分压电路和第二分压电路，第一光电耦合单元包括第一光电耦合器OP1，第二光电耦合单元包括第二光电耦合器OP2，第一限流电路包括第一限流电阻RP1，第二限流电路包括第八限流电阻RP8，第一分压电路包括第三分压电阻RP3和第九分压电阻RP9，第二分压电路包括第二分压电阻RP2和第五分压电阻RP5；脉宽整形电路13包括第一场效应管QP1和第二场效应管QP2以及第四电阻RP4；滤波电路14包括第六电阻RP6、第七电阻RP7、第一电容CP1、第三电容CP3以及运算放大器UP2-B；输出电路15包括第十电阻RP10和第十一电阻RP11。

具体的电路连接为：第二电容CP2的第一端与控制芯片UP1的输入端连接，第二电容CP2的第二端接地。

控制芯片UP1的输出端连接第一光电耦合器OP1的发光二极管OP1-A的阴极和第八限流电阻RP8的第一端，发光二极管OP1-A的阳极通过第一限流电阻RP1连接电源电压(VCC)，第八限流电阻RP8的第二端连接第二光电耦合器OP2的发光二极管OP2-A的阳极，发光二极管OP2-A的阴极接地；第一光电耦合器OP1的发光三极管OP1-B的集电极连接供电信号(5VA)，发光三极管OP1-B的发射极(第一光电耦合器OP1的输出端)连接第三分压电阻RP3的第一端，第三分压电阻RP3的第二端分别连接第一分压电阻RP5的第一端、第九分压电阻RP9的第一端以及第二分压电阻RP2的第二端，第二分压电阻RP2的第一端连接供电信号(5VA)，第五分压电阻RP5的第二端连接发光三极管OP2-B的集电极，发光三极管OP2-B的发射极(第二光电耦合器的输出端)与第九分压电阻RP9的第二端一并接地。

第一场效应管QP1的栅极和第二场效应管QP2的栅极连接第二分压电阻RP2与第九分压电阻RP9的连接节点以及第三分压电阻RP3和第五分压电阻RP5的连接节点，第一场效应管QP1的漏极连接供电信号(5VA)，第一场效应管QP1的源极连接第四电阻RP4的第一端，第四电阻RP4的第二端连接第二场效应管QP2的源极，第二场效应管QP2的漏极接地。

第四电阻RP4的第二端和第二场效应管QP2的源极还连接第六电阻RP6的第一端，第六电阻RP6的第二端分别连接第七电阻RP7的第一端和第一电容CP1的第一端，第七电阻RP7的第二端连接运算放大器UP2-B的正输入端、且还通过第三电容CP3接地；第一电容CP1的第二端分别连接运算放大器UP2-B的负输入端和输出端，运算放大器UP2-B的输出端连接第十电阻RP10的第二端和第十一电阻RP11的第一端，第十电阻RP10的第一端连接电源电压(VCC)，第十一电阻RP11的第二端接地。

运算放大器UP2-B的输出端与第第十电阻RP10的第二端和第十一电阻RP11的第一端的连接端为信号隔离转化电路的输出端(VOUT)。

如图8所示，该实施例的信号隔离转化电路的具体工作原理如下：

输入信号(VIN)经第二电容CP2滤波后接入控制芯片UP1的输入端，控制芯片UP1将输入信号(VIN)转化成脉冲信号，其中，控制芯片UP1的驱动输出端为推挽驱动。当控制芯片UP1的输出端为高电平时，脉冲信号通过第八限流电阻RP8限流，接入到第二光电耦合器OP2，使第二光电耦合器OP2导通，第一光电耦合器OP1不导通。反之，当控制芯片UP1的输出端为低电平时，脉冲信号通过第一限流电阻RP1限流，接入到第一光电耦合器OP1，使第一光电耦合器OP1导通，第二光电耦合器OP2不导通，从而使第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2形成互补开通的形式。

当第一光电耦合器OP1导通、第二光电耦合器OP2不导通时，电源电压(VCC)通过第一光电耦合器OP1、第三分压电阻RP3、第九分压电阻RP9施加到第二场效应管QP2的栅极，从而使第二场效应管QP2导通，输出低电平，完成一个脉宽的转化。

当第二光电耦合器OP2导通、第一光电耦合器OP1不导通时，电源电压(VCC)通过第二光电耦合器OP2、第二分压电阻RP2和第五分压电阻RP5施加到第一场效应管QP1的栅极，从而使第一场效应管导通，输出高电平，完成另一个脉宽的转化。

通过第一场效应管QP1、第二场效应管QP2把第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2输出的有斜坡的脉冲信号转化为标准的陡降或者陡升的标准脉冲信号。

第六电阻RP6、第七电阻RP7、第一电容CP1、第三电容CP3和运算放大器UP2-B构成的滤波电路14，将标准脉冲信号转换为直流信号。可以理解地，本发明实施例的滤波电路14不局限于此，任何具有滤波处理功能的滤波电路14都适用。

第十电阻R10和第十一电阻R11组成的输出电路15，将直流信号输出。

该实施例中，由于第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2特性相同，第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2形成互补开通的形式，用一个光电耦合器的传输延时去补偿另一个光电耦合器的延时，解决了光电耦合器接收端受发光二极管的驱动脉冲宽度小于其输出端的输出脉冲宽度的问题。另外，由于第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2的外围参数跟内部参数一致，因此，两个光电耦合器的发光二极管的光衰强度也基本一致，保证了光电耦合器的性能在长寿命产品中的一致性。进一步地，由于第一第一光电耦合器OP1和第二光电耦合器OP2的致，因此，两个光电耦合器的温漂基本相同，采用互补的控制形式，有效地解决了单个光耦的温漂问题，极大地提高了普通光耦的性能，降低隔离转化的成本。

本发明还提供了一种信号隔离控制装置，该信号隔离控制装置包括上述的信号隔离转化电路。可选的，本发明实施例提供的信号隔离控制装置可以集成为一个集成控制单元，以广泛地应用于相关的信号隔离传输场全，如可以应用于单片机隔离调光控制电路等。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种信号隔离转化电路，其特征在于，包括：脉冲信号产生电路、与所述脉冲信号产生电路连接的光耦互补隔离电路；

所述脉冲信号产生电路用于接收输入信号、并将所述输入信号转换为脉冲信号；所述脉冲信号产生电路包括控制芯片，所述控制芯片的输入端接收所述输入信号，所述控制芯片的输出端连接所述光耦互补隔离电路的输入端；

所述光耦互补隔离电路包括至少两个光电耦合器，所述至少两个光电耦合器根据所述脉冲信号导通或关闭，以将所述脉冲信号传输至所述信号隔离转化电路的输出端；所述光耦互补隔离电路包括第一光电耦合单元、第二光电耦合单元、第一限流电路、第二限流电路、第一分压电路和第二分压电路；所述第一限流电路的第一端连接电源电压，所述第一限流电路的第二端连接所述第一光电耦合单元的接收端；所述第一光电耦合单元的接收端和所述第二光电耦合单元的接收端连接所述脉冲信号产生电路的输出端，所述第一光电耦合单元的输出端分别连接供电电压和所述第一分压电路的第一端，所述第一分压电路的第二端接地；所述第二分压的第一端连接供电电压，所述第二分压电路的第二端连接所述第二光电耦合单元的输出端并连接至地；所述第一分压电路的第三端和所述第二分压电路的第三端为所述光耦互补隔离电路的输出端；其中，所述光耦互补隔离电路的输出端为所述信号隔离转化电路的输出端；

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于将所述光耦互补隔离电路输出的脉冲信号进行整形并输出标准脉冲信号的脉宽整形电路；所述脉宽整形电路包括：第一整形开关和第二整形开关；所述第一整形开关的第一端和所述第二整形开关的第一端连接所述光耦互补隔离电路的输出端，所述第一整形开关的第二端连接供电电压，所述第一整形开关的第三端和所述第二整形开关的第二端作为所述信号隔离转化电路的输出端输出所述标准脉冲信号，所述第二整形开关的第三端接地；

所述第一整形开关和所述第二整形开关均为场效应管，且所述第一整形开关和所述第二整形开关为互补型开关。

2.根据权利要求1所述的信号隔离转化电路，其特征在于，还包括：

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于对所述脉冲信号进行滤波处理、将所述脉冲信号转换为直流信号的滤波电路。

3.根据权利要求1所述的信号隔离转化电路，其特征在于，还包括：

与所述光耦互补隔离电路的输出端连接、用于输出所述脉冲信号的输出端。

4.根据权利要求1所述的信号隔离转化电路，其特征在于，还包括：

设置在所述脉冲信号产生电路的输入端、用于检测所述输入信号并对所述输入信号进行滤波消噪处理的检测电路。

5.一种信号隔离控制装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的信号隔离转化电路。

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