CN112751574A - 一种差分信号通讯隔离电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种差分信号通讯隔离电路，将半导体技术中的调制解调技术应用于信号传输，保证可以利用尺寸更小的高感值线圈，满足产品小型化的设计要求。具体的，该差分信号通讯隔离电路中包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器，其中，干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将该输入信号传输至调制器，调制器用于将输入信号加载至预设倍数频率的调制波，并将该调制波传输至高频通讯变压器，高频通讯变压器用于将调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至副边线圈的调制波传输至解调器，解调器解调该调制波，生成输出信号。
Description
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域，特别涉及一种差分信号通讯隔离电路及系统。
背景技术
汽车中的电池管理系统(Battery Management System，BMS)主要用于监测和管理由多节电芯串联组成的电池系统，通常情况下，BMS需要利用若干个电池检测芯片级联实现对各节电芯数据的监测，菊花链作为一种经济性高且能够实现高速通讯的通讯拓扑结构，被频繁地应用至电池检测芯片之间差分信号的传输。
用于隔离菊花链拓扑中各电池检测芯片的器件主要包括高压电容和通讯变压器。由于高压电容在热插拔过程中开始瞬态表现为短路，因此，会导致电池检测芯片等器件等承受较高的电应力，并且受到能量限制、通讯距离有限等因素的限制，高压电容目前仅被少量板间应用或推荐板内通讯应用。相比高压电容，通讯变压器目前被更多的应用于板间通讯隔离，其适合更远距离传输，并具备更强的抗干扰能力。
然而，由于BMS所处的电磁环境复杂，因此，BMS上的菊花链通常需要加入共模滤波电感。共模滤波电感和通讯变压器作为磁性元件，受其骨架等组件尺寸较大等因素的影响，难以满足产品小型化、薄型化的设计要求。并且，受限于目前的工艺水平，难以在保证不对通讯变压器造成损害，不影响通讯变压器性能的前提下，将共模滤波电感集成至通讯变压器内，以满足产品小型化、薄型化的设计要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种差分信号通讯隔离电路，能够实现菊花链拓扑结构中差分信号的传输与转换，并且保证满足产品小型化的设计要求。
本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种差分信号通讯隔离电路，所述电路包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器；
所述干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将所述输入信号传输至所述调制器；
所述调制器用于将所述输入信号加载到预设倍数频率的调制波，并将所述调制波传输至所述高频通讯变压器；
所述高频通讯变压器将所述调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至所述副边线圈的调制波传输至所述解调器；
所述解调器用于解调所述调制波，生成输出信号。
可选的，所述干扰抑制电路包括：低通滤波器、双电平及三电平检波的输入运算放大电路；
所述低通滤波器用于使用二阶滤波电路，滤除所述差分信号线上的差模干扰得到初始输入信号，并将所述初始输入信号传输至所述双电平及三电平检波的输入运算放大电路；
所述双电平及三电平检波的输入运算放大电路用于消除所述初始输入信号的共模干扰，生成所述输入信号，所述输入信号为双电平或三电平的信号。
可选的，所述高频通讯变压器的所述原边线圈和所述副边线圈间使用环氧树脂积层，所述原边线圈与所述副边线圈的扎数比为1:1。
可选的，所述电路还包括：双电平及三电平检波的输出运算放大电路；
所述双电平及三电平检波的输出运算放大电路用于输出所述输出信号，所述输出信号为双电平或三电平信号。
可选的，所述电路还包括：Vcc幅值调整电路；
所述Vcc幅值调整电路用于使用恒流源电路流经外部电阻分压，识别所述干扰抑制电路的三电平阈值，以及对所述双电平及三电平检波的输出运算放大电路输出的电压进行调整。
可选的，所述电路还包括：外置电阻；
所述外置电阻用于将所述差分信号线上的电流转换为电压信号。
第二方面，本申请实施例提供了一种差分信号通讯隔离系统，所述系统包括：两条第一方面任一项所述的差分信号通讯隔离电路，一条用于传输正向信号，一条用于传输负向信号。
由上述技术方案可以看出，本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路，将半导体技术中的调制解调技术应用于信号传输，保证可以利用尺寸更小的高感值线圈，满足产品小型化的设计要求。具体的，该差分信号通讯隔离电路中包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器，其中，干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将该输入信号传输至调制器，调制器用于将输入信号加载至预设倍数频率的调制波，并将该调制波传输至高频通讯变压器，高频通讯变压器用于将调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至副边线圈的调制波传输至解调器，解调器解调该调制波，生成输出信号。上述差分信号通讯隔离电路采用半导体封装材料以及制备工艺相应地替代变压器骨架及线圈绕制工艺，提高了差分信号通讯隔离电路的生产质量，并且利用半导体器件替换通讯变压器，更加有利于实现产品小型化和薄型化的设计要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的差分信号通讯隔离系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
经发明人研究发现，现有技术中BMS上的菊花链拓扑结构通常使用共模滤波电感和通讯变压器，实现各电池检测芯片之间的通讯。然而，共模滤波电感和通讯变压器作为磁性元件，其磁芯、变压器骨架等组件尺寸较大，难以满足当前产品小型化和薄型化的设计要求。受限于目前的工艺水平，通讯变压器的绕制仍无法完全避免手工，工艺复杂、生产周期长，并且在执行绕线、挂线、理线等多个步骤时，漆包线都有受损风险，甚至在焊接过程中发生开路，或者在生产过程中所受的损坏没有立即体现出来，而在产品量产后表现出开路。另外，为了筛选出潜在的通讯变压器的失效件，如漆包线绝缘厚度薄、漆包线过度紧绷、绕线挂线过程中的弱损伤等，需要在通讯变压器的生产过程中对通讯变压器进行回流焊，该道工艺容易对产品造成一定的疲劳损伤。
可见，通讯变压器的失效率相比较于其他电子元件要高得多。而通讯变压器的失效将导致BMS中的菊花链断开，影响车辆的正常启动。
为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种差分信号通讯隔离电路，该电路将半导体技术中的调制解调技术应用于信号传输，保证可以利用尺寸更小的高感值线圈，满足产品小型化的设计要求。具体的，该差分信号通讯隔离电路中包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器，其中，干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将该输入信号传输至调制器，调制器用于将输入信号加载至预设倍数频率的调制波，并将该调制波传输至高频通讯变压器，高频通讯变压器用于将调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至副边线圈的调制波传输至解调器，解调器解调该调制波，生成输出信号。上述差分信号通讯隔离电路采用半导体封装材料以及制备工艺相应地替代变压器骨架及线圈绕制工艺，提高了差分信号通讯隔离电路的生产质量，并且利用半导体器件替换通讯变压器，更加有利于实现产品小型化和薄型化的设计要求。
下面通过实施例的方式对本申请提供的差分信号通讯隔离电路进行介绍。
参见图1，图1为本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路的结构示意图。
如图1所示，该差分信号通讯隔离电路中包括：干扰抑制电路101、调制器102、高频通讯变压器103和解调器104。
其中，干扰抑制电路101用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将该输入信号传输至调制器102。
具体的，干扰抑制电路101与菊花链中的差分信号线相连接，将差分信号线中差分信号的差模干扰和共模干扰滤除，以得到传输至调制器102的输入信号。
在一种可能的实现方式中，上述干扰抑制电路101可以包括低通滤波器和双电平及三电平检波的输入运算放大电路。其中，低通滤波器可以使用二阶滤波电路滤除差分信号线上的差模干扰，得到初始输入信号，并将该初始输入信号传输至双电平及三电平检波的输入运算放大电路；双电平及三电平检波的输入运算放大电路可以消除初始输入信号中的共模干扰，并生成输入信号，该输入信号具体可以为双电平信号(Vcc，0)，也可以为三电平信号(Vcc，0.5Vcc，0)。
其中，调制器102用于将干扰抑制电路101传输过来的输入信号加载到预设倍数频率的调制波，并将该调制波传输至高频通讯变压器103。
具体的，调制器102可以将干扰抑制电路101中双电平及三电平检波的输入运算放大电路传输过来的输入信号，加载到10倍以上频率的调制波(10MHz～30MHz)。如此，可以减小线圈尺寸，便于将该差分信号通讯隔离电路集成至小尺寸的半导体器件中。
应理解，在实际应用中，可以根据实际需求设置上述预设倍数，在此不对该预设倍数做具体限定。
其中，高频通讯变压器103用于将调制器102传输过来的调制波从自身的原边线圈传输至副边线圈，并通过副边线圈进一步将调制波传输至解调器104。
具体的，高频通讯变压器103通过电磁感应效应，将调制器102传输过来的调制波从自身的原边线圈传输至副边线圈，进而，通过副边线圈将该调制波传输至解调器104。
可选的，在高频通讯变压器103的原边线圈和副边线圈之间使用环氧树脂积层，以加强绝缘达到3.5kV～5kV隔离电压。原边线圈以及副边线圈的电感值达到100μH～300μH，原边线圈与副边线圈的扎数比为1:1。
应理解，在实际应用中，可以根据实际需求设置原边线圈和副边线圈的电感值，以及原边线圈和副边线圈的扎数比，在此不对原边线圈和副边线圈的电感值，以及原边线圈和副边线圈的扎数比做具体限定。
其中，解调器104用于解调高频通讯变压器103副边线圈传输过来的调制波，生成输出信号，该输出信号具体可以为双电平信号(Vcc，0)，也可以为三电平信号(Vcc，0.5Vcc，0)。
可选的，本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路还可以包括：双电平及三电平检波的输出运算放大电路。
该双电平及三电平检波的输出运算放大电路用于接收解调器104传输过来的输出信号，并输出该输出信号，该输出信号具体可以为双电平信号(Vcc，0)，也可以为三电平信号(Vcc，0.5Vcc，0)。
可选的，本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路还可以包括：Vcc幅值调整电路。该Vcc幅值调整电路用于使用恒流源电路流经外部电阻分压，识别干扰抑制电路的三电平阈值，以及对双电平及三电平检波的输出运算放大电路输出的电压进行调整。
具体的，Vcc幅值调整电路使用恒流源电路(≈100μA)流经外部电阻分压，该外部电阻的电压为Vcc值。该Vcc幅值调整电路可以用于识别双电平及三电平检波的输入运算放大电路的三电平阈值，也可以用于对双电平及三电平检波的输出运算放大电路输出的双电平或三电平进行调整。此处的外部电阻的阻值可以适应不同差分输入电路电平值调整。
可选的，本申请实施例提供的差分信号通讯隔离电路还可以包括：外置电阻。该外置电阻可以用于将差分信号线上的电流转换为电压信号。
具体的，外置电阻可以设置在干扰抑制电路之前，其用于将差分信号线上的电流转换为电压信号。此处外置电阻的阻值可以根据需要传输的差分信号线上电流的大小进行调整，以适应信号源的输出阻抗能力以及电流能力，并且考虑传输中电流以及电压幅度足够大，抑制干扰的能力，以及平衡本差分通讯隔离电路的输入电平阈值。
上述差分信号通讯隔离电路将半导体技术中的调制解调技术应用于信号传输，保证可以利用尺寸更小的高感值线圈，满足产品小型化的设计要求。具体的，该差分信号通讯隔离电路中包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器，其中，干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将该输入信号传输至调制器，调制器用于将输入信号加载至预设倍数频率的调制波，并将该调制波传输至高频通讯变压器，高频通讯变压器用于将调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至副边线圈的调制波传输至解调器，解调器解调该调制波，生成输出信号。上述差分信号通讯隔离电路采用半导体封装材料以及制备工艺相应地替代变压器骨架及线圈绕制工艺，提高了差分信号通讯隔离电路的生产质量，并且利用半导体器件替换通讯变压器，更加有利于实现产品小型化和薄型化的设计要求。
上文中的差分信号通讯隔离电路可以被制备成半导体器件实施。采用多芯片组件结构(Multi-Chip Module，MCM)，分别制备高频通讯变压器、调制器和解调器，再通过引线键合实现电气连接上述组件，并封装制备成单个半导体器件。
本申请实施例还提供了一种差分信号通讯隔离系统，该差分信号通讯隔离系统可以实现信号的双向传输，传输方向具体取决于信号源以及其通讯协议。该差分信号通讯隔离系统包括两条图1所示的差分信号通讯隔离电路，其中一条用于传输正向信号，另一条用于传输负向信号。
如图2所示，为本申请实施例提供的差分信号通讯隔离系统的结构示意图。该系统包括：低通滤波器LV filter1和LV filter2，双电平及三电平检波的输入运算放大电路AMP1和AMP3，调制器U1和U3，高频通讯变压器T1和T2，解调器U2和U4，双电平及三电平检波的输出运算放大电路AMP2和AMP4，以及Vcc幅值调整电路VccAdj。
其中，低通滤波器LV filter1、双电平及三电平检波的输入运算放大电路AMP1、调制器U1、高频通讯变压器T1、解调器U2以及双电平及三电平检波的输出运算放大电路AMP2属于一条差分信号通讯隔离电路(下文称为第一差分信号通讯隔离电路)。低通滤波器LVfilter2、双电平及三电平检波的输入运算放大电路AMP3、调制器U3、高频通讯变压器T2、解调器U4以及双电平及三电平检波的输出运算放大电路AMP4属于另一条差分信号通讯隔离电路(下文称为第二差分信号通讯隔离电路)。
R1为第一差分信号通讯隔离电路的外置电阻，R2为第二差分信号通讯隔离电路的外置电阻，R1和R2均用于将差分电路的电流信号转换为电压信号。
Vcc幅值调整电路VccAdj，使用恒流源电路(≈100uA)流经外部电阻R3分压，R3的电压为Vcc值。用于识别双电平及三电平检波的输入运算放大电路AMP1和AMP3的三电平阈值，以及用于双电平及三电平检波的输出运算放大电路AMP2和AMP4输出的双电平或三电平的电压。R3用于适应不同差分输入电路电平值调整。
上文中的差分信号通讯隔离电路可以被制备成半导体器件实施。采用多芯片组件结构(Multi-Chip Module，MCM)，分别制备高频通讯变压器、调制器和解调器，再通过引线键合实现电气连接上述组件，并封装制备成单个半导体器件。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备及系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中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劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述电路包括：干扰抑制电路、调制器、高频通讯变压器和解调器；
所述干扰抑制电路用于滤除差分信号线上的干扰得到输入信号，并将所述输入信号传输至所述调制器；
所述调制器用于将所述输入信号加载到预设倍数频率的调制波，并将所述调制波传输至所述高频通讯变压器；
所述高频通讯变压器将所述调制波从原边线圈传输至副边线圈，并将传输至所述副边线圈的调制波传输至所述解调器；
所述解调器用于解调所述调制波，生成输出信号。
2.根据权利要求1所述的差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述干扰抑制电路包括：低通滤波器、双电平及三电平检波的输入运算放大电路；
所述低通滤波器用于使用二阶滤波电路，滤除所述差分信号线上的差模干扰得到初始输入信号，并将所述初始输入信号传输至所述双电平及三电平检波的输入运算放大电路；
所述双电平及三电平检波的输入运算放大电路用于消除所述初始输入信号的共模干扰，生成所述输入信号，所述输入信号为双电平或三电平的信号。
3.根据权利要求1所述的差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述高频通讯变压器的所述原边线圈和所述副边线圈间使用环氧树脂积层，所述原边线圈与所述副边线圈的扎数比为1:1。
4.根据权利要求1所述的差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述电路还包括：双电平及三电平检波的输出运算放大电路；
所述双电平及三电平检波的输出运算放大电路用于输出所述输出信号，所述输出信号为双电平或三电平信号。
5.根据权利要求4所述的差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述电路还包括：Vcc幅值调整电路；
所述Vcc幅值调整电路用于使用恒流源电路流经外部电阻分压，识别所述干扰抑制电路的三电平阈值，以及对所述双电平及三电平检波的输出运算放大电路输出的电压进行调整。
6.根据权利要求1所述的差分信号通讯隔离电路，其特征在于，所述电路还包括：外置电阻；
所述外置电阻用于将所述差分信号线上的电流转换为电压信号。
7.一种差分信号通讯隔离系统，其特征在于，所述系统包括：两条权利要求1-6任一项所述的差分信号通讯隔离电路，一条用于传输正向信号，一条用于传输负向信号。
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