CN112491409A - 一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器，包括信号发射模块、信号接收模块和隔离通道；信号发射模块包括连接在工业侧高压数字信号端的分压电路，所述分压电路用于产生拉电流或灌电流将高压数字信号分压后输出；信号发射模块还包括整流电路和振荡器，整流电路用于将分压后的电压经过整流后为所述振荡器提供电源，振荡器用于产生高频振荡信号，使该高频振荡信号经过隔离通道后输至信号接收模块。本发明的数字隔离器电路可以对高压数字信号吸收或者提供电流，具有高速传输，隔离度高等优点。

Description

一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器
技术领域
本公开涉及数字隔离器技术领域，尤其涉及一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器。
背景技术
根据隔离介质的不同，数字隔离器可分为光耦隔离器，磁耦隔离器和电容隔离器。光耦是最传统的隔离器，由于具有传输速率低，体积大，以及光衰导致使用寿命短等缺点，逐渐被磁隔和容隔等数字隔离器替代。磁耦隔离器无法通过标准CMOS工艺实现，并且很难避免磁场带来EMI干扰，而采用SiO2做隔离介质的电容型隔离器，具有标准CMOS工艺可实现，传输速率高，隔离耐压高，寿命长，EMI低等优点。
基于电容型隔离器，目前的现有技术主要包括一种基于普通OOK调制解调技术的数字隔离器电路。OOK调制解调技术是目前在数字隔离器电路中应用最广的一种调制解调技术，相比其他架构，具有较高的可靠性和稳定性，抗扰动能力强等优点；同时，也具有功耗偏大的缺点。整个隔离器电路主要由调制电路、隔离栅和解调电路三部分组成，调制器对输入信号电平进行OOK调制，输入为高电平时传递高频载波，低电平时不传信号；隔离栅主要实现隔离的功能，通常由片上SiO2的电容实现；解调器将高频载波恢复为高电平，低电平保持不变。
在现有技术中，输入端信号Vin通常为0V到5V的低压逻辑信号，而在工业应用中，输入端信号通常为满足IEC 61131-2标准的24V高压数字信号，该信号具有一定的电流能力要求，现有架构的输入端为低压高阻态，不能够直接由工业数字信号来驱动。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器，该数字隔离器针对工业级高压数字信号，提出一种新的隔离架构，可以对高压数字信号吸收或者提供电流，经过整流后驱动振荡器起振，高频信号通过隔离电容耦合到输出端，经过解调后传输信号到低压侧。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压双向输入电流的数字隔离器电路，包括信号发射模块、信号接收模块及连接所述信号发射模块和信号接收模块的隔离通道；
所述信号发射模块包括连接在工业侧高压数字信号端的分压电路，所述分压电路用于产生拉电流或灌电流将高压数字信号分压后输出；
所述信号发射模块还包括与所述分压电路电性连接的整流电路和振荡器，所述整流电路用于将分压后的电压经过整流后为所述振荡器提供电源，所述振荡器用于产生高频振荡信号，使该高频振荡信号经过所述隔离通道后输至所述信号接收模块。
进一步地，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的高压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端接地，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
进一步地，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的低压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端连接所述工业侧高压数字信号端的高压侧，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
进一步地，所述信号发射模块还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述整流电路和振荡器之间，用于将经过整流电路的电压钳位，以及吸收电流。
进一步地，所述信号接收模块包括解调器和驱动电路，所述解调器用于将接收到的信号进行解调后输至所述驱动电路，所述驱动电路用于将信号进行驱动放大后输出。
进一步地，所述隔离通道为电容隔离器。
本发明还提供一种数字隔离器，所述数字隔离器包括上述的高压双向输入电流的数字隔离器电路。
本发明的一种高压双向输入电流的数字隔离器电路及数字隔离器，其有益效果在于：该数字隔离器针对工业级高压数字输入信号，提出了一种新的数字隔离架构。其中，输入接口可实现拉电流或者灌电流的双极性功能，而且现场测无需额外电源。通过隔离电容，再将现场侧数字信号解调到低压侧。该架构满足IEC 61131-2标准，并且具有高速传输，隔离度高等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为传统数字隔离器的基本结构；
图2为传统OOK技术实现的主要波形；
图3为本发明实施例中在输入端吸收电流时的数字隔离器结构图；
图4为本发明实施例中在输入端注入电流时候的数字隔离器结构图；
图5为本发明实施例中吸收电流应用时输入电流电压曲线；
图6为本发明实施例中注入电流应用时输入电流电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
参考图1，附图1中示出了常规数字隔离器的基本结构。主要由调制器10、隔离栅11和解调器12这三个主要模块构成。其中调制器10实现将输入的低频信号调制为可以通过隔离栅的特殊调制信号；隔离栅11主要实现将输入和输出信号隔离的作用，并且同时将输入信号由发射器传递到接收器；解调器12将从隔离栅11接收到的调制信号进行解调，并将输入信号准确恢复出来。
参考图2，附图2中示出了传统OOK技术实现的主要波形，通过该图形可以说明传统OOK技术的基本工作原理。输入信号20为方波信号，经过调制器10后，高电平被调制为高频方波，低电平保持不变，得到调制信号21,调制信号21经过隔离栅11后，被解调器12解调恢复为正常的方波信号，该信号为输出信号22。
接下来，参考图3-图6，说明本发明的高压双向输入电流的数字隔离器电路。
本发明的高压双向输入电流的数字隔离器电路，包括信号发射模块、信号接收模块及连接所述信号发射模块和信号接收模块的隔离通道；
所述信号发射模块包括连接在工业侧高压数字信号端的分压电路，所述分压电路用于产生拉电流或灌电流将高压数字信号分压后输出；
所述信号发射模块还包括与所述分压电路电性连接的整流电路和振荡器，所述整流电路用于将分压后的电压经过整流后为所述振荡器提供电源，所述振荡器用于产生高频振荡信号，使该高频振荡信号经过所述隔离通道后输至所述信号接收模块。
在一种优选的实施方式中，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的高压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端接地，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
在另一种优选的实施方式中，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的低压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端连接所述工业侧高压数字信号端的高压侧，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
在另一种优选的实施方式中，所述信号发射模块还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述整流电路和振荡器之间，用于将经过整流电路的电压钳位，以及吸收电流。
所述信号接收模块包括解调器和驱动电路，所述解调器用于将接收到的信号进行解调后输至所述驱动电路，所述驱动电路用于将信号进行驱动放大后输出。所述隔离通道为电容隔离器。
接下来，以具体实施例对本发明作进一步说明。参考图3。
附图3中示出了输入端吸收电流，即产生拉电流的时候的数字隔离器结构图。控制开关31为高压侧开关，当其闭合后，高压数字信号30通过第一分压电阻32和第二分压电阻33分压后接到整流器34的一端，整流器34的另一端接地。经过整流后的电压驱动振荡器36起振，钳位电路35用于电压钳位及吸收一定的电流使输入侧满足IEC 61300-2标准。高频振荡信号通过隔离电容37后由接收端解调器38解调，数字信号由驱动电路39传输至低压侧。
附图4中示出了输入端注入电流，即产生灌电流的时候的数字隔离器结构图。控制开关41为低压侧开关，当其闭合后，高压数字信号40通过第一分压电阻42和第二分压电阻43分压后接到整流器44的一端，整流器44的另一端接到高压数字端。经过整流后的电压驱动振荡器46起振，钳位电路45用于电压钳位及吸收一定的电流使输入侧满足IEC 61300-2标准。高频振荡信号通过隔离电容47后由接收端解调器48解调，数字信号由驱动电路49传输至低压侧。
附图5中示出了吸收电流应用时输入电流电压曲线。通过钳位电路，输入电压被钳位在距离地线2V左右，从而保护振荡器的器件，而且可以吸收高压数字侧20mA的电流以满足IEC标准。
附图6中示出了注入电流应用时输入电流电压曲线。通过钳位电路，输入电压被钳位在比高压数字信号低2V左右，从而保护振荡器的器件，而且可以输出20mA的电流到地线以满足IEC标准。
因此，本发明的核心思想在于，针对工业级高压数字信号，提出了一种新的隔离架构。输入接口可实现拉电流或者灌电流的双极性功能，而且现场测无需额外电源。通过隔离电容，再将现场侧数字信号解调到低压侧。
该技术思路具体表现为：工业侧24V数字信号通过电阻分压再经过整流电路，整流后的电压用做高频振动器的电源。高频信号通过隔离电容耦合到接受端，经过解调后输出。高压侧输入信号为高，振荡器电源有电，低压侧输出高电平；高压侧输入信号为低，振荡器没电，低压侧输出低电平。
由于整流电路的存在，原边侧可以提供拉电流和灌电流的两种接法，整流后电压还接有一个电压钳位电路，该钳位电路用来保护器件和使输入侧满足IEC 61131-2标准。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，包括信号发射模块、信号接收模块及连接所述信号发射模块和信号接收模块的隔离通道；
所述信号发射模块包括连接在工业侧高压数字信号端的分压电路，所述分压电路用于产生拉电流或灌电流将高压数字信号分压后输出；
所述信号发射模块还包括与所述分压电路电性连接的整流电路和振荡器，所述整流电路用于将分压后的电压经过整流后为所述振荡器提供电源，所述振荡器用于产生高频振荡信号，使该高频振荡信号经过所述隔离通道后输至所述信号接收模块。
2.根据权利要求1所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的高压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端接地，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
3.根据权利要求1所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，所述分压电路包括控制开关和分压电阻，所述控制开关连接在工业侧高压数字信号端的低压侧，所述整流电路的一端与所述分压电阻连接，另一端连接所述工业侧高压数字信号端的高压侧，使高压数字信号经过所述分压电阻分压后输至所述整流电路。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，所述信号发射模块还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述整流电路和振荡器之间，用于将经过整流电路的电压钳位，以及吸收电流。
5.根据权利要求4所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，所述信号接收模块包括解调器和驱动电路，所述解调器用于将接收到的信号进行解调后输至所述驱动电路，所述驱动电路用于将信号进行驱动放大后输出。
6.根据权利要求5所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路，其特征在于，所述隔离通道为电容隔离器。
7.一种数字隔离器，其特征在于,所述数字隔离器包括如权利要求1至6中任意一项所述的高压双向输入电流的数字隔离器电路。
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