CN112653447A - 基于变压器的模拟信号隔离电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变压器的模拟信号隔离电路，包括隔离变压器、驱动单元、输出单元和反馈单元，其中，所述驱动单元通过驱动绕线绕组绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述反馈单元通过反馈绕线绕组绕制于隔离变压器的原边侧，所述驱动绕线绕组与所述反馈绕线绕组并联绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述输出单元通过输出绕线绕组绕制于所述隔离变压器的副边侧，所述驱动绕线绕组绕线匝数、反馈绕线绕组绕线匝数、输出绕线绕组绕线匝数之比为1:1:1。通过将输入侧和输出侧的开关管与隔离变压器的原边侧和副边侧绕组线圈串联的方式，实现了输入输出信号的电气隔离，防止了外部干扰对内部信号的影响，提高了抗干扰能力。

Description

基于变压器的模拟信号隔离电路
技术领域
本发明属于信号隔离技术领域，尤其涉及一种基于变压器的模拟信号隔离电路。
背景技术
在温度、压力等传感器信号调理过程中，为了降低外界环境对内部电路的影响，提高电路的抗干扰性能，需要对传感器的输入、输出信号进行电气隔离。一种较简单的方式是通过光耦隔离芯片实现。不过光耦隔离线性度不好，增大了传感器的测量误差。如何克服外界干扰，降低外界因素对内部电路的影响，实现传感器输入、输出信号的电气隔离，使得输入输出信号具有良好的线性度和精度是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于基于变压器的模拟信号隔离电路，克服外界干扰对内部电路带来的影响，实现传感器输入、输出信号的电气隔离，具有良好的线性度和精度。。
本发明第一方面，提供了一种基于变压器的模拟信号隔离电路，所述隔离电路包括隔离变压器、驱动单元、输出单元和反馈单元，所述驱动单元用于接收输入电压信号，按照控制信号要求输出驱动电压，所述输出单元用于根据驱动单元的驱动电压输出输出电压，所述反馈单元，用于根据控制信号要求输出反馈电压至驱动单元；其中，所述驱动单元通过驱动绕线绕组绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述反馈单元通过反馈绕线绕组绕制于隔离变压器的原边侧，所述驱动绕线绕组与所述反馈绕线绕组并联绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述输出单元通过输出绕线绕组绕制于所述隔离变压器的副边侧，所述驱动绕线绕组绕线匝数、反馈绕线绕组绕线匝数、输出绕线绕组绕线匝数之比为1:1:1。
根据第一方面，在所述隔离电路的第一种可能的实现方式中，所述驱动单元包括：第一开关管、驱动绕线绕组、驱动电路和第三电阻，所述驱动绕线绕组第一端与所述驱动电路连接，所述驱动绕线绕组第二端与所述第一开关管漏极电连接，所述第一开关管栅极与所述第三电阻一端电连接，所述第一开关管源极接内部信号地端，所述第三电阻另一端接收第一控制信号。
根据第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在所述驱动单元的第二种可能的实现方式中，所述驱动电路包括：第一电阻、第二电阻、第六电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第一集成运算放大器，所述第一电阻和所述第一电容的一端分别与所述第一集成运算放大器的正向输入端电连接，所述第二电阻一端与所述第一集成运算放大的反向输入端电连接，所述第二电容一端和所述第六电阻一端分别与所述第一集成运算放大器输出端连接，所述第二电容另一端与所述第二电阻另一端电连接，所述第一电阻另一端与输入电压电连接，所述第一电容另一端接内部信号地端，所述第六电阻另一端分别与所述第四电容另一端和所述驱动绕线绕组第二端电连接，所述第四电容另一端接内部信号地端。
根据第一方面的第二种可能的实现方式，在所述隔离电路的第三种可能的实现方式中，所述反馈单元包括：第五电容、第四电阻、第五电阻、反馈绕线绕组、第二开关管；所述第五电容的一端分别与所述反馈绕线绕组第一端和所述第二电阻另一端电连接，所述第二电容另一端接内部信号地端，所述反馈绕线绕组第二端与第二开关管漏极电连接，所述第五电阻两端分别连接所述第二开关管的源极和栅极，与所述第二开关管的源极连接的第五电阻一端接内部信号地端，与所述第二开关管栅极连接的第五电阻的一端与所述第四电阻一端连接，所述第四电阻两端分别连接所述第二开关管栅极和所述第一开关管栅极连接。
根据第一方面，在所述隔离电路第四种可能的实现方式中，所述输出单元包括：输出电路、输出绕线绕组、第三开关管、第七电阻和第八电阻，所述输出绕线绕组第一端与所述输出电路一端电连接，所述输出绕线绕组第二端与所述第三开关漏极电连接，所述第八电阻两端分别连接所述第三开关管源极和所述第三开关管栅极，与所述第三开关管源极连接的第五电阻的一端接外部信号地端，与所述第三开关管栅极连接的第五电阻的另一端与所述第七电阻一端电连接，所述第七电阻另一端接收第二控制信号。
根据第一方面的第一种实现方式或第一方面的第四种可能的实现方式，所述隔离电路的第五种可能的实现方式中，所述第一控制信号和所述第二控制信号同频率同相位。
根据第一方面的第三种实现方式或第一方面的第四种可能的实现方式，所述隔离电路的第六种可能的实现方式中，所述驱动绕线绕组第一端、所述反馈绕线绕组第一端和所述输出绕线绕组第一端为同名端。
根据第一方面的第三种实现方式或第一方面的第四种可能的实现方式，所述隔离电路的第七种可能的实现方式中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的源极和漏极之间分别连接二极管。
本发明提供的有益效果：通过将输入侧和输出侧的开关管与隔离变压器的原边侧和副边侧绕组线圈串联的方式，在输入侧、输出侧设定控制信号的方式，实现了输入输出信号的电气隔离，防止了外部干扰对内部信号的影响，提高了抗干扰能力。同时，隔离电路具有很好的线性度和精度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明实施例公开的基于变压器的模拟信号隔离电路图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明设计一种基于变压器的模拟信号隔离电路。包括隔离变压器、驱动电路、输出电路、反馈电路以及相应的控制信号。
隔离变压器T1包括驱动绕组(第5、6抽头)、输出绕组(第1、2抽头)和反馈绕组(第3、4抽头)三个绕组，且完全按照1:1:1，采用三线并绕方式绕制，使得三个绕组性能理论上完全一致。第2、4、6抽头互为同名端。隔离变压器是输入绕组和输出绕组带电气隔离的变压器，隔离变压器避免偶然同时触及带电体，隔离变压器原副边绕线圈各自的电流。隔离变压器的输入端与输出端是完全“断路”隔离的，有效的对变压器的输入端起到一个良好的过滤作用，从而给用电设备提供了纯净的电源电压。
驱动电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一集成运算放大器U1、第一开关管N沟道增强型场效应管Q1A以及隔离变压器T1的驱动绕组(第5、6抽头)。其中，第一电阻R1一端接输入信号Vin，另一端接第一电容C1一端和第一集成运算放大器U1的同相输入端。第一电容C1另一端接内部信号地GND。第二电阻R2一端接第一集成运算放大器的反相输入端，另一端接第二电容C2一端。第一集成运算放大器C2另一端接第一集成运算放大器输出端和第六电阻R6一端。第六R6另一端接第四电容C4一端，第四C4另一端接内部信号地GND。隔离变压器T1的驱动绕组第6抽头接第六电阻R6、第四电容C4的公共端，第5抽头接第一开关管Q1A的漏极D。第一开关管Q1A源极S接内部信号地GND；第一开关管Q1A栅极G接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端接来自电源变压器T2副边绕组第1抽头的控制信号1。电源变压器T2的第1抽头和第3抽头互为同名端。
输出电路包括第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二集成运算放大器U2、第七电阻R7、第八电阻R8、第三开关管N沟道增强型场效应管Q2A以及隔离变压器的输出绕组(第1、2抽头)。其中，第六电容C6、第七电容C7并联后一端接外部信号地GND1；另一端接T1输出绕组第2抽头和第二集成运算放大器U2的同相输入端。第二集成运算放大器U2的反相输入端和输出端相连后构成输出端，接Vout。T1输出绕组的第1抽头接Q2A的漏极D；Q2A的源极S接外部信号地GND1；Q2A的栅极G接第七电阻R7、第八电阻R8的公共端；第七电阻R7的另一端接来自电源变压器T2原边绕组第3抽头的控制信号2；第八电阻R8的另一端接外部信号地GND1。
反馈电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第五电容C5、第二开关管N沟道增强型场效应管Q1B以及隔离变压器的反馈绕组(第3、4抽头)。其中，第五电容C5一端接第二电阻R2、第二电容C2的公共端，另一端内部信号地GND。隔离变压器T1反馈绕组第4抽头接第二电阻R2、第二电容C2、第五电容C5公共端，第3抽头接第二开关管Q1B的漏极D。第二开关管Q1B的源极S接内部信号地GND；第二开关管栅极G接第四电阻R4、第五电阻R5公共端。第四电阻R4另一端接第三电阻R3和第二开关管Q1A的公共端；第五电阻R5另一端接内部信号地GND。
电路的隔离原理为：T1为信号隔离变压器，包括驱动绕组(第5、6抽头)、输出绕组(第1、2抽头)和反馈绕组(第3、4抽头)三个绕组，且匝数比1:1:1，采用三线并绕方式绕制，使得三个绕组性能理论上完全一致。Vin为电路输入电压；Vdrive为运放U1输出的驱动电压，经第一开关管Q1A斩波后变为交流电压驱动T1的驱动绕组(第5、6抽头)；Vout为经第二集成运算放大器U2跟随后的输出电压，Vback为反馈电压。由隔离变压器T1原、副边关系和集成运算放大器U1虚短、虚断可以很容易得出：
Vout＝Vback＝Vin (1)
即实现了输出电压Vout对输入电压Vin的完全跟随和隔离。
其中，控制信号1、控制信号2为同频率，同相位，相互电气隔离的方波信号，本实例中分别取自电源变压器T2的副边第1抽头和原边绕组第3抽头。其控制N沟道增强型场效应管Q1A、Q1B、Q2A同步导通和关断，完成斩波和整流的功能，实现直流/交流和交流/直流之间的转换。第四电容C4、第五电容C5、第六电容C46和第七电容C7为滤波电容，确保电平的平稳。
通过本发明的技术方案，通过将输入侧和输出侧的开关管与隔离变压器的原边侧和副边侧绕组线圈串联的方式，在输入侧、输出侧设定控制信号的方式，实现了输入输出信号的电气隔离，防止了外部干扰对内部信号的影响，提高了抗干扰能力。同时，隔离电路具有很好的线性度和精度。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (8)

1.基于变压器的模拟信号隔离电路，其特征在于，所述隔离电路包括隔离变压器、驱动单元、输出单元和反馈单元，所述驱动单元用于接收输入电压信号，按照控制信号要求输出驱动电压，所述输出单元用于根据驱动单元的驱动电压输出输出电压，所述反馈单元，用于根据控制信号要求输出反馈电压至驱动单元；其中，所述驱动单元通过驱动绕线绕组绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述反馈单元通过反馈绕线绕组绕制于隔离变压器的原边侧，所述驱动绕线绕组与所述反馈绕线绕组并联绕制于所述隔离变压器的原边侧，所述输出单元通过输出绕线绕组绕制于所述隔离变压器的副边侧，所述驱动绕线绕组绕线匝数、反馈绕线绕组绕线匝数、输出绕线绕组绕线匝数之比为1:1:1。
2.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，所述驱动单元包括：第一开关管、驱动绕线绕组、驱动电路和第三电阻，所述驱动绕线绕组第一端与所述驱动电路连接，所述驱动绕线绕组第二端与所述第一开关管漏极电连接，所述第一开关管栅极与所述第三电阻一端电连接，所述第一开关管源极接内部信号地端，所述第三电阻另一端接收第一控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的隔离电路，其特征在于，所述驱动电路包括：第一电阻、第二电阻、第六电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第一集成运算放大器，所述第一电阻和所述第一电容的一端分别与所述第一集成运算放大器的正向输入端电连接，所述第二电阻一端与所述第一集成运算放大的反向输入端电连接，所述第二电容一端和所述第六电阻一端分别与所述第一集成运算放大器输出端连接，所述第二电容另一端与所述第二电阻另一端电连接，所述第一电阻另一端与输入电压电连接，所述第一电容另一端接内部信号地端，所述第六电阻另一端分别与所述第四电容另一端和所述驱动绕线绕组第二端电连接，所述第四电容另一端接内部信号地端。
4.根据权利要求3所述的隔离电路，其特征在于，所述反馈单元包括：第五电容、第四电阻、第五电阻、反馈绕线绕组、第二开关管；所述第五电容的一端分别与所述反馈绕线绕组第一端和所述第二电阻另一端电连接，所述第二电容另一端接内部信号地端，所述反馈绕线绕组第二端与第二开关管漏极电连接，所述第五电阻两端分别连接所述第二开关管的源极和栅极，与所述第二开关管的源极连接的第五电阻一端接内部信号地端，与所述第二开关管栅极连接的第五电阻的一端与所述第四电阻一端连接，所述第四电阻两端分别连接所述第二开关管栅极和所述第一开关管栅极连接。
5.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，所述输出单元包括：输出电路、输出绕线绕组、第三开关管、第七电阻和第八电阻，所述输出绕线绕组第一端与所述输出电路一端电连接，所述输出绕线绕组第二端与所述第三开关漏极电连接，所述第八电阻两端分别连接所述第三开关管源极和所述第三开关管栅极，与所述第三开关管源极连接的第五电阻的一端接外部信号地端，与所述第三开关管栅极连接的第五电阻的另一端与所述第七电阻一端电连接，所述第七电阻另一端接收第二控制信号。
6.根据权利要求2或5所述的隔离电路，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号同频率同相位。
7.根据权利要求4或5所述的隔离电路，其特征在于，所述驱动绕线绕组第一端、所述反馈绕线绕组第一端和所述输出绕线绕组第一端为同名端。
8.根据权利要求4或5所述的隔离电路，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管的源极和漏极之间分别连接二极管。
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