CN110190837B - 一种隔离放大器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种隔离放大器装置，包括将待测的输入信号进行调理的调理电路和放大输出电路，设置在调理电路和放大输出电路之间的电磁隔离电路；所述的电磁隔离电路，包括PWM闭环控制电路、高隔离度的PCB内嵌耦合互感器、PWM解调电路；所述的待测的输入信号经调理电路调理后输出接PWM闭环控制电路，在PWM闭环控制电路调制以后输出PWM调制信号，接高隔离度的PCM内嵌耦合互感器的初级线圈，高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈接PWM解调电路，PWM解调电路解调输出，接线性积分电路，接放大输出电路。本发明提出了一种使用常规元器件即可实现高隔离多量程精密程控放大器装置。本装置占用了很小的PCB面积，非常容易小型化，抗干扰能力强，电磁兼容性好。

Description

一种隔离放大器装置
技术领域
本发明涉及隔离放大器，特别涉及一种电力电子测量领域的高隔离多量程精密程控放大器装置，是一种基于电磁隔离PWM技术的隔离放大器装置。
背景技术
随着科学技术的发展，在轨道交通、工业控制、电力电网、新能源等大功率设备中都采用较高的工作电压，对这些高压系统的监控，主要是保障人身和设备的安全。而在这些大功率设备中，都存在着高共模的电压信号，对这些信号的监测，必须采用高隔离、高可靠性、高精度的监测设备。
目前，监控电路中，对高压系统的待测信号进行调理，调理信号通过隔离以后，进行输出放大，最后形成监控信号输出。这些电路中，隔离技术是安全检测的保证，为了确保输入信号和输出信号之间的隔离效果，目前一般采用霍尔技术、光电隔离技术、电磁隔离PWM技术等，而霍尔传感器测量功耗大、精度低，难以满足高精度、多档位的测量需求。目前光电耦合器件的隔离电压很难做到10kV以上。
电磁隔离PWM技术隔离电压较高，传输信号几乎不受漏感影响，非常适合高隔离、高精度的电压、电流监测场合，但是，实际应用中还存在着以下问题：
1、如PWM调制电路采用三角波与输入信号比较实现调制，由振荡器产生的并由电容充放电形成的三角波，其边沿的线性度直接影响测量的精度，而其线性度受元器件的影响很明显，对产品的输出信号的零点和增益精确度影响较大。
2、现有的高隔离放大器中所采用的高隔离互感器和高隔离电源变压器，其内部线圈的设计是通过漆包线在磁芯上绕制而成，每组线圈在高隔离电压下很难做到完全屏蔽，这就导致产品在恶劣的电磁环境下抗辐射干扰能力差，且高隔离互感器和高隔离电源变压器的体积较大，产品很难做到小型化。
3、PWM调制电路经过隔离互感器后输出的是交流信号，其高低电平随占空比的变化而变化。对于解调电路来说这是个浮动的信号，必须对其进行电平的精准固定处理，如果处理不当则会影响信号的零点和动态范围。
发明内容
本发明是针对目前监控电路中采用电磁隔离PWM技术所带来的不足，提供一种隔离放大器装置，该装置中采用高隔离PCB内嵌耦合互感器。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种隔离放大器装置，包括将待测的输入信号进行调理的调理电路和放大输出电路，设置在调理电路和放大输出电路之间的电磁隔离电路；所述的电磁隔离电路，包括PWM闭环控制电路、高隔离度的PCB内嵌耦合互感器、PWM解调电路；所述的待测的输入信号经调理电路调理后输出接PWM闭环控制电路，在PWM闭环控制电路调制以后输出PWM调制信号，接高隔离度的PCM内嵌耦合互感器的初级线圈，高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈接PWM解调电路，PWM解调电路解调输出接放大输出电路。
本发明提出了一种使用常规元器件即可实现高隔离多量程精密程控隔离放大器装置。本装置占用了很小的PCB面积，非常容易小型化，抗干扰能力强，电磁兼容性好。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述的高隔离度的PCB内嵌耦合互感器设置在多层PCB板内部，从上到下依次是顶层PCB、初级PCB线圈、初级PCB线圈的大面积屏蔽层、次级PCB线圈的大面积屏蔽层、次级PCB线圈、底层PCB；在初级PCB线圈和初级PCB线圈的大面积屏蔽层的中心之间连接有第一金属化过孔；在次级PCB线圈和初级PCB线圈的大面积屏蔽层的中心之间连接有第二金属化过孔。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述PWM闭环控制电路，包括PWM闭环调制电路、PWM闭环控制电路电源VCC与VREF精确度调节电路；
所述的PWM闭环调制电路包括方波振荡电路和三角波电路、积分比较电路、调制信号输出电路；
所述的方波振荡电路包括斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D和电阻R4、电容C2；斯密特反相器U2A的输出端接斯密特反相器U2D的输入端；电阻R4设置在斯密特反相器U2A的输入端与输出端之间，电容C2的一端接斯密特反相器U2A的输入端，电容C2的另一端接斯密特反相器U2D的输出端；
所述的三角波电路包括电阻R3和电容C3；所述的方波振荡电路输出的方波接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C3接输入端供电电源参考地GND；电阻R3和电容C3相连的公共端形成三角波的输出端S2；
所述的积分比较电路包括运算放大器U1、斯密特反相器U2F、电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C4、电阻R5；所述的三角波的输出端S2接斯密特反相器U2F的输入端，斯密特反相器U2F的输出端接电阻R5的一端，斯密特反反相器U2F的电源分别接PWM闭环控制电路电源参考地VSS-和PWM闭环控制电路电源VSS+；电阻R5的另一端通过电容C4接输入端供电电源参考地GND；输入信号VIN经过电阻R1后与电阻R5与电容C4相连的公共端相连叠加后接运算放大器的异相端，运算放大器的同相端接输入端信号地电平VREF；电容C1设置在运算放大器U1的异相输入端与输出端之间，运算放大器U1的输出端通过电阻R2接电阻R3与电容C3相连的端；
所述的PWM调制信号输出电路包括斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C、电容C5；所述的斯密特反相器U2B的输入端和斯密特反相器U2C的输入端相互连接；斯密特反相器U2B的输出端和斯密特反相器U2C的输出端相互连接；电阻R2接电阻R3与电容C3相连的公共端分别接斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输入端，斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输出端接电容C5的一端，电容C5的另一端形成PWM闭环调制电路的输出S4。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述的PWM闭环控制电路供电电源包括产生脉冲宽度可调的PWM信号的单片机、积分电路和分压电路；
所述的积分电路包括第一积分电路和第二积分电路；
所述的第一积分电路包括电阻R34、电阻R35和电容C27；单片机产生的脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R34的一端，电阻R34的另一端分别与电容C27和电阻R35的一端相连；电容C27的另一端接地，电阻R35的另一端输出第一积分信号；
所述的第二积分电路包括电阻R38、电阻R39和电容C29；单片机产生的另一路脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R38的一端，电阻R38的另一端分别与电容C29和电阻R39的一端相连；电容C29的另一端接地，电阻R39的另一端输出第二积分信号；
所述的分压电路包括第一分压电路和第二分压电路；
所述的第一分压电路包括工作电压5V－1、电阻R36、电阻R37；工作电压5V－1经过电阻R36和电阻R37串连接地，第一积分信号接电阻R36和电阻R37相连的公共端，产生PWM闭环控制电路的供电电位VSS+；
所述的第二分压电路包括工作电压5V－1、电阻R40、电阻R41；工作电压5V－1经过电阻R40和电阻R41串连接地，第二积分信号接电阻R40和电阻R41相连的公共端，闭环控制电路供电电源的参考电位VSS－；
所述的PWM闭环控制电路供电电源VCC为VSS+和VSS－的电压差。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述的PWM解调电路包括D触发器U3A，三极管Q1、三极管Q2，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；
电阻R6和电阻R7串连，电阻R6和电阻R7的公共端接输出端供电电源地GND2；电阻R8和电阻R9串连，电阻R8和电阻R9的公共端接输出端5V工作电源；
高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的异相端分别与电阻R6的另一端、三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极相连；高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的同相端分别与电阻R7的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的基极相连；
三极管Q1的集电极分别接电阻R8的另一端和D触发器U3A的SD端；三极管Q2的集电极分别接电阻R9的另一端和D触发器U3A的RD反端；D触发器U3A的D端、CLK端接输出端供电电源地GND2，Q端悬空，Q反端输出解调的PWM信号S5。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：PWM解调电路还包括PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路，所述的PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路包括触发器包括D触发器U2_2B、运算放大器U2＿3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6；
PWM解调电路输出的解调的PWM信号S5，接D触发器U2_2B的CLK端，D触发器U2_2B的Q端通过电阻R11和电阻R12串连后接运算放大器U2＿3的异相输入端；电阻R10连接在D触发器U2_2B的Q反端与电阻R11和电阻R12相连的公共端之间；D触发器U2_2B的Q反端与D端相连；D触发器U2_2B的VCC端和SD端、RD反接工作电源5V－2，GND端接输出端供电电源地GND2；
运算放大器U2＿3的同相输入端通过电阻R13接接输出端信号地SGND2；电容C6设置在电阻R11和电阻R12相连的公共端与运算放大器U2＿3的输出端之间，运算放大器U2＿3的输出端通过电阻R14接输出端供电电源地GND2。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述的将待测的输入信号进行调理的调理电路包括由单片机控制的程控前置放大器和程控衰减电阻阵列；放大输出电路包括线性积分电路和输出放大电路；待测的输入信号经由程控前置放大器放大以后进入程控衰减电阻阵列进行衰减，程控衰减电阻阵列的输出信号经电磁隔离电路后，接PWM解调电路，接线性积分电路，接输出端放大电路的输入端。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：其电源电路包括将市电整流的AC/DC转化电路、DC/DC电路、将输入端电源与输出端电源进行隔离的高隔离电源变压器、输入端整流滤波电路、输入端精密线性稳压电路、输出端整流滤波电路，输出端精密线性稳压电路。
进一步的，上述的隔离放大器装置中：所述的高隔离电源变压器为多层PCB板内嵌变压器，包括小尺寸的高导磁率铁氧体E型磁芯、高隔离电源变压器PCB初级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第一次级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第二次级线圈绕组以及绕组间隔离的PCB板材；
多层PCB板中，从上到下分别是初级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层、PCB初级绕组线圈的第一单元、PCB初级绕组线圈的第二单元、初级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层；第一次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层、PCB第一级绕组线圈的第一单元、PCB第一次级绕组线圈的第二单元、第一次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层；第二次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层、PCB第二级绕组线圈的第一单元、PCB第二次级绕组线圈的第二单元、第二次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层；
所述的PCB初级绕组线圈的第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB初级绕组线圈的第二单元相连后围绕E型磁芯自内向外盘旋；
所述的PCB第一次级绕组线圈的第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第一次级绕组线圈的第二单元相连后围绕E型磁芯自内向外盘旋；
所述的PCB第二次级绕组线圈的第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第二次级绕组线圈的第二单元相连后围绕E型磁芯自内向外盘旋。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1是本发明隔离放大器装置原理框图。
附图2是附图1对应的电路原理图。
附图3是本发明实施例1装置的组成框图。
附图4是PWM闭环控制电路VCC与VREF精确度调节电路图。
附图5是PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路图。
附图6是高隔离度的PCB内嵌耦合互感器结构示意图。
附图7是高隔离电源变压器结构示意图。
具体实施方式
实施例1，如图1、2、3所示，本实施例中的隔离放大器中，待测试信号起依次通过程控前置放大器、程控衰减电阻阵列、PWM闭环控制电路、高隔离PCB内嵌耦合互感器、PWM解调电路、线性积分电路、输出放大器。PWM闭环控制电路、高隔离PCB内嵌耦合互感器由单片机控制电路控制。
本实施例的装置的供电电源由AC/DC转化电路、PWM控制电路、高隔离电源变压器、输入端整流滤波电路、输入端精密线性稳压电路、输出端整流滤波电路、输出端精密线性稳压电路组成。
PWM闭环控制电路如图2所示，包括PWM闭环调制电路、PWM闭环控制电路电源VCC与VREF精确度调节电路。
PWM闭环调制电路包括方波振荡电路和三角波电路、积分比较电路、调制信号输出电路。
方波振荡电路包括斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D和电阻R4、电容C2；斯密特反相器U2A的输出端接斯密特反相器U2D的输入端；电阻R4设置在斯密特反相器U2A的输入端与输出端之间，电容C2的一端接斯密特反相器U2A的输入端，电容C2的另一端接斯密特反相器U2D的输出端。
三角波电路包括电阻R3和电容C3；所述的方波振荡电路输出的方波接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C3接输入端供电电源参考地GND；电阻R3和电容C3相连的公共端形成三角波的输出端S2。
积分比较电路包括运算放大器U1、斯密特反相器U2F、电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C4、电阻R5；三角波的输出端S2接斯密特反相器U2F的输入端，斯密特反相器U2F的输出端接电阻R5的一端，斯密特反反相器U2F的工作电源和地分别接PWM闭环控制电路电源参考地VSS-和PWM闭环控制电路电源VSS+；电阻R5的另一端通过电容C4接输入端供电电源参考地GND；输入信号VIN经过电阻R1后与电阻R5与电容C4相连的公共端相连叠加后接运算放大器的异相端，运算放大器的同相端接输入端信号地电平VREF；电容C1设置在运算放大器U1的异相端与输出之间，运算放大器U1的输出端通过电阻R2接电阻R3与电容C3相连的端。
PWM调制信号输出电路包括斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C、电容C5；斯密特反相器U2B的输入端和斯密特反相器U2C的输入端相互连接；斯密特反相器U2B的输出端和斯密特反相器U2C的输出端相互连接；电阻R2接电阻R3与电容C3相连的公共端分别接斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输入端，斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输出端接电容C5的一端，电容C5的另一端形成PWM闭环调制电路的输出S4。
PWM闭环控制电路供电电源包括产生脉冲宽度可调的PWM信号的单片机、积分电路和分压电路如图4所示；积分电路包括第一积分电路和第二积分电路；第一积分电路包括电阻R34、电阻R35和电容C27；单片机产生的脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R34的一端，电阻R34的另一端分别与电容C27和电阻R35的一端相连；电容C27的另一端接输入端供电电源参考地GND，电阻R35的另一端输出第一积分信号；第二积分电路包括电阻R38、电阻R39和电容C29；单片机产生的另一路脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R38的一端，电阻R38的另一端分别与电容C29和电阻R39的一端相连；电容C29的另一端接输入端供电电源参考地GND，电阻R39的另一端输出第二积分信号；分压电路包括第一分压电路和第二分压电路；第一分压电路包括工作电压5V－1、电阻R36、电阻R37；工作电压5V－1经过电阻R36和电阻R37串连接输入端供电电源参考地GND，第一积分信号接电阻R36和电阻R37相连的公共端，产生PWM闭环控制电路的供电电位VSS+；第二分压电路包括工作电压5V－1、电阻R40、电阻R41；工作电压5V－1经过电阻R40和电阻R41串连接输入端供电电源参考地GND，第二积分信号接电阻R40和电阻R41相连的公共端，产生闭环控制电路供电电源的参考电位VSS－；PWM闭环控制电路供电电源VCC为VSS+和VSS－的电压差。
本实施例中，具体连接电路如图2所示，输入信号VIN经电阻R1连接到电容C1的一端、运放U1的4脚、电阻R5的一端、电容C4的一端。电容C1的另一端与运放U1的1脚、电阻R2的一端相连。电容C4的另一端接输入端电源的参考地。运放U1的3脚连接到输入端信号的参考地VREF。电阻R2的另一端连接到电阻R3的一端、电容C3的一端、斯密特反相器U2B的3脚、斯密特U2C的5脚和U2F的13脚。电容C3的另一端接输入端电源的参考地GND。电阻R3的另一端连接到斯密特反相器U2D的8脚和电容C2的一端。电容C2的另一端连接到电阻R4的一端。电阻R4的另一端连接到斯密特反相器U2A的2脚和斯密特反相器U2D的9脚。斯密特反相器U2F的7脚接PWM闭环调制电路电源参考地VSS-，斯密特反相器U2F的14脚接PWM闭环调制电路供电电源VSS+，斯密特反相器U2F的12脚接电阻R5的另一端。斯密特反相器U2B的4脚连接到斯密特反相器U2C的6脚和电容C5的一端。电容C5的另一端连接到高隔离内嵌耦合互感器T1的1脚，高隔离内嵌耦合互感器T1的2脚接输入端电源的参考地GND。高隔离内嵌耦合互感器T1将PWM波的边沿信息传输到次级解调电路。
PWM闭环控制电路VCC与VREF精确度调节电路如图4所示，由单片机、2组积分电路、2组分压电路组成。单片机U4的15脚和16脚I/O口输出2组脉宽可调的PWM信号。单片机U4的15脚连接到电阻R34一端，电阻R34另一端连接到电阻R35的一端，R34与R35之间通过电容C27连接到输入端供电电源参考地。电阻R35的另一端通过电阻R36连接到输入端供电电源5V-1，电阻R35的另一端通过电阻R37连接到输入端供电电源的参考地GND。单片机U4的15脚输出的脉宽可调的PWM信号，送到R34、C27组成的积分电路，转化为单片机可调节的直流电压，该电压与输入端供电电源和输入端供电电源的参考地GND在R36、R37组成的分压电路上合成后，产生PWM闭环控制电路的供电电位VSS+。
单片机U4的16脚连接到电阻R38一端，电阻R38另一端连接到电阻R39的一端，R38与R39之间通过电容C29连接到输入端供电电源参考地GND。电阻R39的另一端通过电阻R40连接到输入端供电电源5V-1，电阻R39的另一端通过电阻R41连接到输入端供电电源的参考地GND。单片机U4的16脚输出的脉宽可调的PWM信号，送到R38、C29组成的积分电路，转化为单片机可控的直流电压，该电压与输入端供电电源和输入端供电电源的参考地在R40、R41组成的分压电路上合成后，产生PWM闭环控制电路供电电源的参考电位VSS－。
PWM闭环调制电路供电电压VCC为VSS+和VSS－的电压差，VCC调节的精确度取决于单片机晶振的振荡频率和频率精确度。
本实施例中，PWM闭环调制电路由斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D与电阻R4、电容C2构成方波振荡电路，方波振荡电路输出的方波经R3、C3滤波得到近似三角波。根据三角波的边沿不同，斯密特反相器U2D的8脚输出的是占空比与其正负门限电压相关的PWM信号。该PWM波一路经电阻R5、电容C4滤波后与输入电压VIN经R1叠加，再通过运算放大器U1和电容C1组成的积分电路与本装置输入端信号地电平VREF进行比较积分，运放输出电压通过电阻R2叠加到电容C3端的三角波上，三角波平移，进而调整PWM波的占空比，实现PWM闭环电路控制。
在闭环控制的作用下，运算放大器U1的输出通过R2实时调节三角波与反相器正负门限电压的交点位置，实现对PWM波占空比的调节，系统收敛于运放反相输入端电压与同相输入端信号参考电平地VREF相等。
如图2，根据电压叠加原理和运放虚地特性可推导出下式：
D：PWM的占空比
VCC：PWM闭环调制电路电源电压
VREF：输入端的信号相对于输入端供电电源地的参考地电平
VIN：PWM闭环调制电路输入信号
根据上式，只要精确控制VREF为VCC的一半，当VIN等于VREF时，则PWM波的占空比约为50％，可定义本装置输出信号为0，必要时可通过单片机控制电路调整零点。当有VIN输入时，运放反相输入端电压改变，在反馈环的作用下，系统将按上述过程调节U2F的输出占空比，实现VIN对PWM波占空比的线性调制。
PWM波另一路输出由U1B、U1C并联，经电容C5交流耦合后驱动高隔离内嵌耦合互感器T1，将PWM波的边沿信息传输到次级解调电路。
由上述分析可知：PWM波的占空比只与VIN、VREF、VCC相关，而VIN是被测输入信号，则测量精确度仅由VCC、VREF精度决定。
本实施例中的PWM解调电路如图2所示，包括D触发器U3A，三极管Q1、三极管Q2，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；电阻R6和电阻R7串连，电阻R6和电阻R7的公共端接地；电阻R8和电阻R9串连，电阻R8和电阻R9的公共端接5V工作电源；高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的异相端分别与电阻R6的另一端、三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极相连；高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的同相端分别与电阻R7的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的基极相连；三极管Q1的集电极分别接电阻R8的另一端和D触发器U3A的SD端；三极管Q2的集电极分别接电阻R9的另一端和D触发器U3A的RD反端；D触发器U3A的D端、CLK端接输出端供电电源地GND2，Q端悬空，Q反端输出解调的PWM信号S5。
另外，PWM解调电路还包括PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路，如图5所示，PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路包括触发器包括D触发器U2_2B、运算放大器U2＿3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6；PWM解调电路输出的解调的PWM信号S5接D触发器U2_2B的CLK端，D触发器U2_2B的Q端通过电阻R11和电阻R12串连后接运算放大器U2＿3的异相输入端；电阻R10连接在D触发器U2_2B的Q反端与电阻R11和电阻R12相连的公共端之间；D触发器U2_2B的Q反端与D端相连；D触发器U2_2B的VCC端和SD端、RD反接工作电源5V－2，7脚GND端接输出端供电电源地GND2；运算放大器U2＿3的同相输入端通过电阻R13接输出端信号参考地SGND2；电容C6设置在电阻R11和电阻R12相连的公共端与运算放大器U2＿3的输出端之间，运算放大器U2＿3的输出端通过电阻R14接输出端供电电源地GND2。
具体的如图2所示：由D触发器U3A，三极管Q1、Q2，电阻R6、R7、R8、R9组成。高隔离内嵌耦合互感器T1的4脚连接到电阻R6的一端、三极管Q1的发射极2脚、三极管Q2的基极1脚。电阻R6的另一端接输出端电源参考地。高隔离内嵌耦合互感器T1的3脚连接到电阻R7的一端、三极管Q2的发射极2脚、三极管Q1的基极1脚。电阻R7的另一端接输出端电源参考地。三极管Q1的集电极3脚经电阻R8连接到输出端电源和D触发器U3A的4脚。三极管集电极Q2的3脚经电阻R9连接到输出端电源和D触发器U3A的1脚。D触发器U3A的2脚和3脚连接到输出端电源参考地GND2。D触发器U3A的6脚输出PWM信号S5。
PWM解调电路输出信号的高低电平的精准固定处理，如图5所示。PWM解调信号送入D触发器U2_2B的11脚。D触发器的正相输出端9脚和反相输出端8脚通过2个相同的电阻R10、R11相连，经过电阻R12连接到运放U2_3的反相输入端4脚。U2_3的同相输入端3脚通过R13接输出端信号参考地SGND2。U2_3的输出端1脚通过C6连接到R12与R11相连的一端，通过电阻R14连接到输出端供电电源参考地GND2。根据电压叠加原理R10与R11相连的一端的电压值，为D触发器U2_2B输出PWM脉冲幅度的中间值。该电压信号经过R12送入U2_3运放反相输入端，运放U2_3的同相输入端经R13连接到本装置的输出端信号参考地SGND2。PWM脉冲幅度中间值信号电平与本装置输出端的参考电平比较后，通过U2_3、C6积分电路，精准控制输出端供电电源参考地GND2。控制PWM解调电路电源的参考地电平，也就精准控制了PWM解调电路输出脉冲高低电平值，保证了本装置输入/输出信号零点的稳定性。
PWM闭环控制电路VCC与VREF精确度调节电路如图4所示，由单片机、2组积分电路、2组分压电路组成。单片机U4的15脚和16脚I/O口输出2组可调的PWM信号。单片机U4的15脚连接到电阻R34一端，电阻R34另一端连接到电阻R35的一端，R34与R35之间通过电容C27连接到输入端供电电源参考地。电阻R35的另一端通过电阻R36连接到输入端供电电源，电阻R35的另一端通过电阻R37连接到输入端供电电源的参考地。单片机U4的15脚输出的脉宽可调的PWM信号，送到R34、C27组成的积分电路，转化为单片机可调节的直流电压，该电压与输入端供电电源和输入端供电电源的参考地在R36、R37组成的分压电路上合成后，产生PWM闭环控制电路的供电电位VSS+。
单片机U4的16脚连接到电阻R38一端，电阻R38另一端连接到电阻R39的一端，R38与R39之间通过电容C29连接到输入端供电电源参考地。电阻R39的另一端通过电阻R40连接到输入端供电电源，电阻R39的另一端通过电阻R41连接到输入端供电电源的参考地。单片机U4的16脚输出的脉宽可调的PWM信号，送到R38、C29组成的积分电路，转化为单片机可控的直流电压，该电压与输入端供电电源和输入端供电电源的参考地在R40、R41组成的分压电路上合成后，产生PWM闭环控制电路供电电源的参考电位VSS－。
PWM闭环调制电路供电电压VCC为VSS+和VSS－的电压差，VCC调节的精度取决于单片机晶振的振荡频率和频率精确度。单片机通过对其15脚和16脚输出PWM脉宽的精确调节，可精确调节VCC的中间值等于VREF，则PWM波的占空比为50％，保证了本装置输入/输出信号零点的精确度。
目前市场上高精度的、低漂移的电源芯片和元件很容易采购。因此，该电路很容易实现高的测量精度，并且该精度不依赖三角波边沿的线性度，对元件参数的容差能力很强。只要VCC及VREF够精确，在反馈环的作用下，即使各元器件的参数变化造成振荡频率、三角波边沿、滤波与积分时间常数等小范围变化，误差均可被实时闭环，不会影响测量准确度，即稳定性很好。另一方面，高隔离内嵌耦合互感器传输的只是PWM波的边沿信息，是一组数字信号，不仅功耗低，而且变压器比差以及漏感引起的振铃噪声不会影响有用信息，对测量准确度无影响，故电路易于做到高隔离、高精度、高响应、高可靠性、低功耗。
高隔离内嵌耦合互感器传递的是一组脉冲信号，表征PWM波的占空比信息，解调的目标是将其还原为电平固定的PWM波。D触发器U3A的数据端D与时钟端CLK均接供电电源的参考地GND2，输出电平的翻转只受置位端SD及复位端RD控制。当高隔离内嵌耦合互感器输出正脉冲时，三级管Q1截止，Q2导通，D触发器的SD端为高电平，CD端为低电平，D触发器的反相输出端，即S5输出为高电平；当高隔离内嵌耦合互感器输出负脉冲时，三级管Q1导通，Q2截止，D触发器的SD端为低电平，CD端为高电平，S5输出为低电平，完成PWM波的解调。
PWM解调电路输出信号的高低电平的精准固定处如图5所示。PWM解调信号送入D触发器U2_2B的11脚，D触发器的正相输出端和反相输出端通过2个相同的电阻R10、R11相连，经过电阻R12连接到运放U2_3的反相输入端。U2_3的同相输入端通过R13接输出端信号参考地SGND2，U2_3的输出端通过C6连接到R12与R11相连的一端，通过电阻R14连接到输出端供电电源的参考地GND2。根据电压叠加原理R10与R11相连的一端的电压值,为D触发器U2_2B输出PWM脉冲幅度的中间值，该电压信号经过R12送入U2_3运放反相输入端，运放U2_3的同相输入端经R13连接到本装置的输出信号端参考地SGND2。PWM脉冲幅度中间值信号电平与本装置输出端的参考电平比较后，通过U2_3、C6积分电路，精准控制输出端电源的参考地电平GND2。也就精准控制了PWM解调电路输出脉冲高低电平值，保证了本装置输入/输出信号零点的稳定性。
本装置PWM波闭环控制电路有效的解决了霍尔器件、光电器件和目前PWM电路技术存在的不足，在保证高隔离、高精度、高响应时间的同时发挥了闭环反馈控制原理的特点，收敛点仅受控于输入信号和输入端参考电平。PWM解调电路输出信号的高低电平的精准固定处理，保证了输出信号零点电平的稳定和输出信号动态范围。
高隔离PCB内嵌耦合互感器如图6所示，设置在多层PCB板内部，从上到下依次是顶层PCB100、初级PCB线圈300、初级PCB线圈的大面积屏蔽层500、次级PCB线圈的大面积屏蔽层600、次级PCB线圈400、底层PCB 200；在初级PCB线圈300和初级PCB线圈的大面积屏蔽层500的中心之间连接有第一金属化过孔700；在次级PCB线圈400和初级PCB线圈的大面积屏蔽层500的中心之间连接有第二金属化过孔800。如图6所示，线圈包括初级PCB线圈300、次级PCB线圈400、初级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层500、次级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层600。如图6所示、多层PCB的中间一层为初级线圈300、中间二层为初级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层500、中间三层为次级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层600、中间四层为次级PCB线圈400。
初级PCB线圈300以螺旋型自外向内盘旋，在内圈的尽头通过第一金属化孔700与初级PCB线圈接地屏蔽层500相连，另一端与PWM闭环控制电路相连。
次级PCB线圈400以螺旋型自外向内盘旋，两端分别与PWM解调电路相连。次级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层600通过第二金属化孔800与本装置的输出端供电电源的参考地GND2相连。
初级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层500与次级PCB线圈大面积铜箔屏蔽层600之间的板材厚度，保证满足隔离电压所需技术要求。
PCB基板的材料采用介质损耗较小的FR4板材。
通过调整PCB线圈导线的间距、PCB线圈的大小、PCB铜箔厚度、PCB板材的材质、PCB板材的厚度，达到所设定技术要求，然后通过优化设计提高其品质因数最终完成高隔离内嵌耦合互感器的设计。
本实施例中，高隔离内嵌耦合互感器PCB初级线圈300、PCB次级线圈400、PCB初级线圈大面积铜箔接地屏蔽层500、次级PCB线圈大面积铜箔接地屏蔽层600、PCB绕组间隔离的PCB板材。多层PCB的中间一层为PCB初级线圈、中间二层为PCB初级线圈接地屏蔽层、中间三层为PCB次级线圈接地屏蔽层、中间四层为PCB次级线圈，通过调整PCB线圈导线的间距、PCB线圈的大小、PCB板材的材质、PCB板材的厚度，达到所设定技术要求，然后通过优化设计提高其品质因数最终完成高隔离内嵌耦合互感器的设计。
高隔离电源变压器为多层PCB板内嵌变压器如图7所示，包括小尺寸的高导磁率铁氧体E型磁芯40、在上层PCB板51和下层PCB板52之间设置高隔离电源变压器PCB初级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第一次级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第二次级线圈绕组以及绕组间隔离的PCB板材。
多层PCB板中，从上到下分别是初级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层11、PCB初级绕组线圈的第一单元12、PCB初级绕组线圈的第二单元13、初级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层14；第一次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层21、PCB第一级绕组线圈的第一单元22、PCB第一次级绕组线圈的第二单元23、第一次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层24；第二次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层31、PCB第二级绕组线圈的第一单元32、PCB第二次级绕组线圈的第二单元33、第二次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层34。
PCB初级绕组线圈的第一单元12围绕E型磁芯40自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB初级绕组线圈的第二单元13相连后围绕E型磁芯40自内向外盘旋。
PCB第一次级绕组线圈的第一单元22围绕E型磁芯40自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第一次级绕组线圈的第二单元23相连后围绕E型磁芯40自内向外盘旋。
PCB第二次级绕组线圈的第一单元32围绕E型磁芯40自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第二次级绕组线圈的第二单元33相连后围绕E型磁芯40自内向外盘旋。
本实施例中，高隔离电源变压器与传统变压器区别在于线圈绕组的设计和变压器磁芯的选择。高隔离电源变压器绕组线包是采用多层PCB层叠而成，绕组走线是通过PCB内层走线围绕磁芯构成变压器的磁回路。磁芯采用小尺寸的高导磁率铁氧体E型磁芯
高隔离电源变压器线包设计在一个50mm×16mm×3mm的印制板内。
本实施例中高隔离电源变压器线圈包括电源变压器初级PCB线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第一次级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第二次级线圈绕组以及绕组间隔离的PCB板材。
其中高隔离电源变压器初级PCB线圈绕组可分为2个单元和2层大面积铜箔接地屏蔽层。多层板中，上层PCB板51以下的中间一层为电源变压器初级线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层11，中间二层为初级绕组线圈的第一单元12，中间三层为初级绕组线圈的第二单元13，中间四层为电源变压器初级线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层14。电源变压器初级线圈第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与第二单元相连后围绕E型磁芯自内向外盘旋。电源变压器初级PCB线圈上层和下层大面积铜箔接地屏蔽层与DC/DC电源的参考地相连。
其中电源变压器PCB第一次级线圈绕组可分为2个单元和上下两层大面积铜箔接地屏蔽层。多层板的中间第五层为电源变压器第一次级线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层21，中间六层为第一次级绕组线圈的第一单元22，中间七层为第一次级绕组线圈的第二单元22，中间八层为电源变压器第一次级线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层24。同样，电源变压器第一次级线圈第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与第二单元相连后围绕E型磁芯自内向外盘旋。电源变压器PCB第一次级线圈上、下层大面积铜箔接地屏蔽层与本装置输入端供电电源参考地GND相连。
同样，电源变压器PCB第二次级线圈绕组可分为2个单元和上下两层大面积铜箔接地屏蔽层。多层板的中间第九层为电源变压器第二次级线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层31，中间第十层为第二次级绕组线圈的第一单元32，中间十一层为第二次级绕组线圈的第二单元33，中间十二层为电源变压器PCB第二次级线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层34。同样，电源变压器PCB第二次级线圈第一单元围绕E型磁芯自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与第二单元相连后，围绕E型磁芯自内向外盘旋。电源变压器PCB第二次级线圈上、下层大面积铜箔接地屏蔽层与本装置输出端供电电源的参考地GND2相连。
初级PCB线圈绕组与第一次级线圈绕组、初级PCB线圈绕组与第二次级线圈绕组、PCB第一次级线圈绕组与PCB第二次级线圈绕组之间的板材厚度，保证满足隔离电压所需技术要求。
本实施例装置通过高隔离环氧树脂进行真空灌封在一个22.5mm×99mm×110mm的模块盒内，可卡扣在标准的导轨上。
本实施例中，小尺寸的高导磁率铁氧体E型磁芯、高隔离电源变压器PCB初级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第一次级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第二次级线圈绕组以及绕组间隔离的PCB板材。通过调整PCB线圈导线的间距、PCB线圈的大小、PCB线圈铜箔厚度、PCB板材的材质、PCB板材的厚度，达到所设定技术要求，然后通过优化设计提高其品质因数，最终完成高隔离电源变压器的设计。
本实施例的隔离放大器装置具有高隔离电源变压器和高隔离内嵌耦合互感器的有益效果是：
1、采用PCB内嵌线圈的工艺保证了高隔离PCB内嵌耦合互感器自谐振频率的精确性和稳定性。
2、采用PCB内嵌线圈的工艺在有限的空间上获取最大的电感量，并且能充分利用中间4层正对初级、次级线圈的平板电容效应，增大线圈的杂散电容降低了自谐振频率。
3、本装置高隔离电源变压器和高隔离内嵌耦合互感器充分利用普通的多层PCB实现高绝缘隔离,使隔离电压达到20kV以上.。每组线圈采用大面积铜箔接地屏蔽层，抗干扰能力强，电磁兼容性好。

Claims (5)

1.一种隔离放大器装置，包括将待测的输入信号进行调理的调理电路和放大输出电路，设置在调理电路和放大输出电路之间的电磁隔离电路以及电源电路；其特征在于：所述的电磁隔离电路，包括PWM闭环控制电路、高隔离度的PCB内嵌耦合互感器、PWM解调电路；所述的待测的输入信号经调理电路调理后输出接PWM闭环控制电路，在PWM闭环控制电路调制以后输出PWM调制信号接高隔离度的PCM内嵌耦合互感器的初级线圈，高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈接PWM解调电路，PWM解调电路解调输出接放大输出电路;
所述的高隔离度的PCB内嵌耦合互感器设置在多层PCB板内部，从上到下依次是顶层PCB（100）、初级PCB线圈（300）、初级PCB线圈的大面积屏蔽层（500）、次级PCB线圈的大面积屏蔽层（600）、次级PCB线圈（400）、底层PCB（200）；在初级PCB线圈（300）和初级PCB线圈的大面积屏蔽层（500）的中心之间连接有第一金属化过孔（700）；在次级PCB线圈（400）和初级PCB线圈的大面积屏蔽层（500）的中心之间连接有第二金属化过孔（800）；所述PWM闭环控制电路，包括PWM闭环调制电路、PWM闭环控制电路电源VCC与VREF精确度调节电路；
所述的PWM闭环调制电路包括方波振荡电路和三角波电路、积分比较电路、调制信号输出电路；
所述的方波振荡电路包括斯密特反相器U2A、斯密特反相器U2D和电阻R4、电容C2；斯密特反相器U2A的输出端接斯密特反相器U2D的输入端；电阻R4设置在斯密特反相器U2A的输入端与输出端之间，电容C2的一端接斯密特反相器U2A的输入端，电容C2的另一端接斯密特反相器U2D的输出端；
所述的三角波电路包括电阻R3和电容C3；所述的方波振荡电路输出的方波接电阻R3的一端，电阻R3的另一端通过电容C3接输入端供电电源参考地GND；电阻R3和电容C3相连的公共端形成三角波的输出端S2；
所述的积分比较电路包括运算放大器U1、斯密特反相器U2F、电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C4、电阻R5；所述的三角波的输出端S2接斯密特反相器U2F的输入端，斯密特反相器U2F的输出端接电阻R5的一端，斯密特反反相器U2F的7脚和14脚分别接PWM闭环控制电路电源参考地VSS-和PWM闭环控制电路电源VSS+；电阻R5的另一端通过电容C4接输入端供电电源参考地GND；输入信号VIN经过电阻R1限流后与电阻R5与电容C4相连的公共端相连叠加后接运算放大器的异相端，运算放大器的同相端接输入端信号地电平VREF；电容C1设置在运算放大器U1的异相端与输出之间，运算放大器U1的输出端通过电阻R2接电阻R3与电容C3相连的端；
所述的PWM调制信号输出电路，包括斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C、电容C5；所述的斯密特反相器U2B的输入端和斯密特反相器U2C的输入端相互连接；斯密特反相器U2B的输出端和斯密特反相器U2C的输出端相互连接；电阻R2接电阻R3与电容C3相连的公共端分别接斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输入端，斯密特反相器U2B和斯密特反相器U2C的输出端接电容C5的一端，电容C5的另一端形成PWM闭环调制电路的输出S4；所述的PWM闭环控制电路供电电源包括产生脉冲宽度可调的PWM信号的单片机、积分电路和分压电路；
所述的积分电路包括第一积分电路和第二积分电路；
所述的第一积分电路包括电阻R34、电阻R35和电容C27；单片机产生的脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R34的一端，电阻R34的另一端分别与电容C27和电阻R35的一端相连；电容C27的另一端接接输入端供电电源参考地GND，电阻R35的另一端输出第一积分信号；
所述的第二积分电路包括电阻R38、电阻R39和电容C29；单片机产生的另一路脉冲宽度可调的PWM信号的输出端接电阻R38的一端，电阻R38的另一端分别与电容C29和电阻R39的一端相连；电容C29的另一端接接输入端供电电源参考地GND，电阻R39的另一端输出第二积分信号；
所述的分压电路包括第一分压电路和第二分压电路；
所述的第一分压电路包括工作电压5V－1、电阻R36、电阻R37；工作电压5V－1经过电阻R36和电阻R37串连接接输入端供电电源参考地GND，第一积分信号接电阻R36和电阻R37相连的公共端，产生PWM闭环控制电路的供电电位VSS＋；
所述的第二分压电路包括工作电压5V－1、电阻R40、电阻R41；工作电压5V－1经过电阻R40和电阻R41串连接输入端供电电源参考地GND，第二积分信号接电阻R40和电阻R41相连的公共端，产生闭环控制电路供电电源的参考电位VSS－；
所述的PWM闭环控制电路供电电源VCC为VSS＋和VSS－的电压差；所述的PWM解调电路包括D触发器U3A，三极管Q1、三极管Q2，电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；
电阻R6和电阻R7串连，电阻R6和电阻R7的公共端接输出端供电电源地GND2；电阻R8和电阻R9串连，电阻R8和电阻R9的公共端接5V工作电源；
高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的异相端分别与电阻R6的另一端、三极管Q1的发射极、三极管Q2的基极相连；高隔离度的PCB内嵌耦合互感器的次级线圈的同相端分别与电阻R7的另一端、三极管Q2的发射极、三极管Q1的基极相连；
三极管Q1的集电极分别接电阻R8的另一端和D触发器U3A的SD端；三极管Q2的集电极分别接电阻R9的另一端和D触发器U3A的RD反端；D触发器U3A的D端、CLK端接地，Q端悬空，Q反端输出解调的PWM信号S5。
2.根据权利要求1所述的隔离放大器装置，其特征在于：PWM解调电路还包括PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路，所述的PWM解调电路输出信号的高低电平精准固定处理电路包括触发器包括D触发器U2_2B、运算放大器U2＿3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6；
PWM解调电路输出的解调的PWM信号S5接D触发器U2_2B的CLK端，D触发器U2_2B的Q端通过电阻R11和电阻R12串连后接运算放大器U2＿3的异相输入端；电阻R10连接在D触发器U2_2B的Q反端与电阻R11和电阻R12相连的公共端之间；D触发器U2_2B的Q反端与D端相连；D触发器U2_2B的VCC端和SD端、RD反接工作电源5V－2， GND端接输出端供电电源地GND2；
运算放大器U2＿3的同相输入端通过电阻R13接输出端信号地SGND2；电容C6设置在电阻R11和电阻R12相连的公共端与运算放大器U2＿3的输出端之间，运算放大器U2＿3的输出端通过电阻R14接输出端供电电源的地GND2。
3.根据权利要求1或2中任一所述的放大器装置，其特征在于：所述的将待测的输入信号进行调理的调理电路包括由单片机控制的程控前置放大器和程控衰减电阻阵列；放大输出电路包括线性积分电路和输出放大电路；待测的输入信号经程控前置放大器放大以后,进入程控衰减电阻阵列进行衰减，程控衰减电阻阵列的输出信号经电磁隔离电路后，接PWM解调电路，接线性积分电路 ,接输出端放大电路的输入端。
4.根据权利要求1所述的隔离放大器装置，其特征在于：所述的电源电路包括将市电整流的AC/DC转化电路、DC/DC电路、将输入端电源与输出端电源进行隔离的高隔离电源变压器、输入端整流滤波电路、输入端精密线性稳压电路、输出端整流滤波电路，输出端精密线性稳压电路。
5.根据权利要求4所述的隔离放大器装置，其特征在于：所述的高隔离电源变压器为多层PCB板内嵌线包变压器，包括小尺寸的高导磁率铁氧体E型磁芯（40）、高隔离电源变压器PCB初级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第一次级线圈绕组、高隔离电源变压器PCB第二次级线圈绕组以及绕组间隔离的PCB板材；
多层PCB板中，从上到下分别是初级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层（11）、PCB初级绕组线圈的第一单元（12）、PCB初级绕组线圈的第二单元（13）、初级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层（14）；第一次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层（21）、PCB第一级绕组线圈的第一单元（22）、PCB第一次级绕组线圈的第二单元（23）、第一次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层（24）；第二次级PCB线圈上层大面积铜箔接地屏蔽层（31）、PCB第二级绕组线圈的第一单元（32）、PCB第二次级绕组线圈的第二单元（33）、第二次级PCB线圈下层大面积铜箔接地屏蔽层（34）；
所述的PCB初级绕组线圈的第一单元（12）围绕E型磁芯（40）自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB初级绕组线圈的第二单元（13）相连后围绕E型磁芯（40）自内向外盘旋；
所述的PCB第一次级绕组线圈的第一单元（22）围绕E型磁芯（40）自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第一次级绕组线圈的第二单元（23）相连后围绕E型磁芯（40）自内向外盘旋；
所述的PCB第二次级绕组线圈的第一单元（32）围绕E型磁芯（40）自外向内盘旋，在最内圈的尽头处通过金属化过孔与PCB第二次级绕组线圈的第二单元（33）相连后围绕E型磁芯（40）自内向外盘旋。
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