CN202816542U - 一种宽带共模电感及应用该电感的隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子测量设备。一种宽带共模电感及应用该宽带的隔离电路，包括隔离电源、隔离电路的输入端、隔离电路输入端参考点、隔离电路的输出端和隔离电路输出端参考点，在隔离电路的输入端或输出端连接有宽带共模电感。宽带共模电感，包括磁芯，在磁芯上绕有同轴电缆。本实用新型提供了一种差模漏抗小，对差模信号具有良好的高频特性的宽带共模电感；解决现有技术中共模电感存在的对于差模信号的高频特性不理想的技术问题。

Description

一种宽带共模电感及应用该电感的隔离电路

技术领域

本实用新型涉及一种电子测量设备，尤其涉及一种抗高频高速共模干扰的信号隔离电路及其电路内的宽带共模电感器件。

背景技术

隔离电路可将输入侧的电信号传递到输出侧，但输入侧和输出侧之间在电气上是隔离的，或者说是绝缘的，输入侧和输出侧之间只存在一个较小的电容。

    隔离电路可以提高测量时的共模抑制比，减少干扰，改善信号质量，也可以隔绝危险电压，保护设备和人身安全。在多通道同时测量时，隔离电路还可以防止因通道间共地造成的短路事故。

随着社会对节能环保的越来越重视，可以高效处理电能的电力电子设备的使用越来越广泛。电力电子设备的特点之一是往往含有高频开关脉冲。在对这些设备进行控制、测试和调试时，往往需要用到隔离电路。虽然隔离电路本身可以在一定程度上提高测量时的共模抑制比，减少干扰，但是由于隔离电路输入侧和输出侧之间始终存在一个的电容，虽然数值比较小，但是对高速共模脉冲仍旧呈现低阻抗，会将共模干扰耦合到差模输出信号中，使输出信号畸变，得到错误的测量结果，或者使后续电路误动作。

如图1 所示，输入差模信号Vd接在隔离电路1的输入端2和隔离电路1的输入侧参考点3之间，在隔离电路1的输出端4和输出侧参考点5之间得到隔离后的差模输出信号。隔离电路1的隔离层6两侧构成一个电容7。通常输入信号参考地8与输出侧参考地9间有电位差，即共模电压Vc。此共模电压Vc直接加在隔离壁垒6上，也即Vc直接加在电容7上，见等效电路图2。虽然电容7通常较小，一般在数pF至数十pF，但对高dV/dt的共模信号呈低阻抗，使高速共模信号可以耦合到隔离电路的输出侧，干扰了输出差模信号。

对于低带宽隔离电路，差模信号频率较低，可以在输出侧接低通滤波器，滤除或减弱高频高速共模干扰。对于高速隔离电路，包括数字隔离电路和宽带模拟隔离电路，需要处理高速、宽带的差模信号，就不能在输出侧加低通滤波，故很难去除高频高速共模干扰。

发明内容

本实用新型提供了一种差模漏抗小，对差模信号具有良好的高频特性的宽带共模电感；解决现有技术中共模电感存在的对于差模信号的高频特性不理想的技术问题。

本实用新型同时还提供一种抗高频高速共模干扰能力强，尤其是脉冲共模干扰的能力好，使得隔离电路在高频高速共模干扰环境下工作时，能得到干净、准确的宽带差模输出信号，可以在多场合使用的应用宽带共模电感的隔离电路；解决了现有技术中存在的高频高速环境使用时，很难除去干扰，输出效果不理想的技术问题。

本实用新型的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种宽带共模电感，包括磁芯，在磁芯上绕有同轴电缆。数字隔离电路或者宽带模拟隔离电路，差模信号带宽从直流到数百MHz以上，尤其是模拟隔离电路，输入信号幅度可能比较微弱，又有强共模干扰影响，需要一种高带宽，全屏蔽，阻抗匹配的宽带共模电感。为此，选用同轴电缆作为导线，同轴电缆本身具有高带宽，全屏蔽，阻抗匹配的特性，再加上芯线与屏蔽层的紧密耦合，使得共模电感的差模漏抗很小，对差模信号有良好的高频特性。将同轴电缆绕在磁芯上，通常是用磁环，可以得到更小的体积和更高的共模电感值。

磁芯的形状可以为矩形，U、E、I形等等，作为优选，所述的磁芯为环形磁芯，所述的同轴电缆为宽带同轴电缆，同轴电缆包括芯线和屏蔽层。环形的磁芯可以在较小体积下得到较高的电感值，同轴电缆的芯线接信号，同轴电缆屏蔽层接参考地。

作为优选，所述的磁芯为圆环形，磁芯的直径小于20mm，高度小于20mm，所述的同轴电缆的直径小于4mm，频带大于100MHz。选择高磁导率微型磁环和外径小的同轴电缆，可用比较短的电缆得到足够的共模电感量。

根据上述的宽带共模电感形成的抗高频高速共模干扰的其中一种隔离电路，包括隔离电源、隔离电路的输入端、隔离电路输入端参考点、隔离电路的输出端和隔离电路输出端参考点，在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感；第一宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有差模信号输入端，第一宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有隔离电路的输入端，第一宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，第一宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路输入参考点。在输入端加入宽带共模电感后，共模电压不再直接加于隔离电路的输入端参考点与输出端参考点之间了，而是经由串联的宽带共模电感施加。共模电感允许直流至数百MHz以上的宽带差模信号通过，但是对高频高速共模信号呈高阻抗。隔离电路的两端形成的电容与宽带共模电感串联导致串联谐振，通常串联谐振频率设计在较低的频率，而隔离电路通常对低频共模干扰具有极高的抑制能力，即使共模电感和电容产生谐振将电容上的共模电压放大，也不会对输出差模信号产生明显的干扰。

作为优选，在隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接终端电阻。可以与同轴电缆阻抗匹配，提高电路的稳定性。

在某些应用中，隔离电路输出侧不接地，例如电池供电的手持示波表。此时输出侧电路对地的杂散电容，仍旧可以使高频共模干扰流通。作为优选，所述的隔离电路的输出端参考点连接有杂散电容，杂散电容与隔离电路、输入端宽带共模电路串联。输出端对地杂散电容数值比较小，与隔离电路输出端接地情况相比，可降低施加在隔离电路形成的电容上的电压，减小了共模干扰，接入宽带共模电感后，则可进一步抑制高频共模干扰。

如果加输出共模电感已经足够抑制共模干扰，则可省去输入端的宽带共模电感。如下述的隔离电路：包括隔离电源、隔离电路的输入端、隔离电路输入端参考点、隔离电路的输出端和隔离电路输出端参考点，在隔离电路的输出端连接有第二宽带共模电感，隔离电源上连接有共模电感；第二宽带共模电感的第一芯线外接线端通过阻抗匹配电阻连接有隔离电路的输出端，第二宽带共模电感第二芯线外接线端连接有隔离后的差模信号输出端，第二宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有隔离电路输出端参考点，第二宽带共模电感第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路差模信号输出参考地。对于隔离通道示波器和示波器隔离探头等方面的应用，要求输入阻抗特别高，输入电容特别低。直流电源上连接的共模电感可用普通电源回路用的共模电感，但需要比较大的共模电感量，以得到很好的效果，当然也可以将隔离电源采用独立的电池供电，可省去共模电感。

对于隔离通道示波器和示波器隔离探头等方面的应用，要求输入阻抗特别高，输入电容特别低。则通常绕制宽带共模电感的同轴电缆只能控制在几厘米的长度。此时若共模电感量尚不足以提供足够的高频高速共模抑制能力，则可进一步在隔离放大器输入端和输出端均接一个宽带共模电感。作为优选，在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感，第一宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有差模信号输入端，第一宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有隔离电路的输入端，第一宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，第一宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路输入参考点；在隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接终端电阻。由于隔离电路输出阻抗比较低，一般是50欧姆，在接有终端电阻22防止反射后，对输出电缆长度没有限制，在体积和延时允许范围内，可以比较长。这样就可得到共模电感量比较大的宽带共模电感。在相同的隔离电路的等效电容下，对高频高速共模干扰信号的抑制效果就更好。输入侧宽带共模电感量就可以设计得比较小，电缆长度可以比较短。

与上述方案并列的再一种隔离电路，应用于双通道或多通道，包括多个隔离分支电路，多个隔离分支电路的输出侧具有相同的隔离电路输出端参考点，相邻两个隔离分支电路的差模信号输入端之间存在共模电压，在各个隔离分支电路的输入端连接有宽带共模电感，宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有对应的隔离分支电路内的差模信号输入端，宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有对应的隔离分支电路内的输入端，宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有对应的隔离分支电路的输入参考点；在各个隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接各连接有一终端电阻。

本实用新型的宽带共模电感及应用该电感的隔离电路具备下述优点：宽带共模电感采用同轴电缆，同轴电缆具有高宽带，全屏蔽，阻抗匹配的特性，再加上芯线与屏蔽层的紧密耦合，使得宽带共模电感的差模漏抗小，对差模信号有良好的高频特性。将宽带共模电感应用在隔离电路中，使得在输入信号比较微弱的情况下，依然能得到清晰的信号输出，抗高频高速共模干扰能力好。

附图说明

图1 现有的隔离电路示意图。

图2 现有的隔离电路共模干扰信号回路等效电路。

图3 本实用新型的宽带共模电感绕制示意图。

图4是图3的方框内放大示意图。

图5 本实用新型的输入侧接有宽带共模电感的隔离电路。

图6是图5的共模干扰信号回路等效电路。

图7是本实用新型的输入侧和输出侧接有宽带共模电感的隔离电路。

图8是图7的共模干扰信号回路等效电路.

图9是本实用新型输出侧接有所述宽带共模电感的隔离电路。

图10本实用新型隔离电路输出侧不接地的情况。

图11是图10的共模信号等效电路。

图12是本实用新型的两个隔离电路输出侧具有同一参考点的情况。

图13是图12的共模信号等效电路。

具体实施方式

 下面通过实施例，并结合附图，对实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

 实施例1：

如图3和4所示，一种宽带共模电感，包括圆环形的磁环11，在圆环形的磁环11外绕接有一同轴电缆10。磁环的直径为10mm，磁环的高度为5mm，同轴电缆为直径2mm，频带800MHz。同轴电缆10具有两个连接端，每个连接端均包括一芯线外接线端和一屏蔽层外接线端，芯线外接线端位于屏蔽层外接线端内。同轴电缆10一端的第一芯线外接线端12和同轴电路的另一端的第二芯线外接线端14构成第一绕组，同轴电缆10一端的第一屏蔽层外接线端13与另一端的第二屏蔽层外接线端构成第二绕组15，两个绕组形成宽带共模电感。

实施例2：

如图5所示，一种抗高频高速共模干扰的隔离电路，包括隔离电源31、隔离电路的输入端2、隔离电路输入端参考点3、隔离电路的输出端4和隔离电路输出端参考点5，输出参考点5接参考地9。隔离电源31连接在隔离电路1上，隔离电路1的隔离层6的两侧构成一个电容7，在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感16，在隔离电路的输入端2和隔离电路输入端参考点3之间接终端电阻20。第一宽带共模电感16的结构如实施例1所描述，同轴电缆绕接在磁芯上，形成第一绕组17和第二绕组18。构成第一绕组17的第一芯线外接线端12连接有差模信号Vd的输入端，构成第一绕组17的第二芯线外接线端14连接有隔离电路的输入端2，构成第二绕组18的第一屏蔽层13外接线端连接有差模信号Vd的输入参考地8，构成第二绕组18的第二屏蔽层外接线端15连接有隔离电路输入参考点3。加入宽带共模电感后，共模电压Vc不再直接加于隔离电路1的输入端参考点3与输出端参考点5之间了，而是经由串联的宽带共模电感施加。如图6所示，电感19是图5中宽带共模电感16的共模电感量。电容7为图5中隔离电路1隔离壁垒两侧间的等效电容。图6中，电容7上电压是Vc的二阶低通滤波输出值。对于此二阶低通滤波器通带外的频率，共模信号Vd频率越高，或是dV/dt越大，电容7上的电压幅值越小。电感电容串联电路可能导致串联谐振。合理选择共模电感量19，再考虑共模电感本身的损耗，以及实际中往往是大电感值和小电容值，可以避免电感19与电容7产生过大的串联谐振。通常串联谐振频率设计在较低频率，而隔离电路通常对低频共模干扰具有极高的抑制能力。即使电感19与电容7产生谐振将电容7上的共模电压放大，也不会对输出差模信号产生明显干扰。

实施例3：

如图7所示，对于隔离通道示波器和示波器隔离探头等方面的应用，要求输入阻抗特别高，输入电容特别低。则通常绕制宽带共模电感的同轴电缆只能控制在几厘米的长度。此时若共模电感量尚不足以提供足够的高频高速共模抑制能力，则可进一步在隔离放大器输出端接另一个宽带共模电感。

其包括隔离电源31、隔离电路的输入端2、隔离电路输入端参考点3、隔离电路的输出端4和隔离电路输出端参考点5。隔离电源31连接在隔离电路1上，隔离电路1的隔离层6的两侧构成一个电容7，在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感16，在输出端连接第二宽带共模电感21。第一宽带共模电感16和第二宽带共模电感21的结构相同，都如实施例1内描述。输入端的第一宽带共模电感16与隔离电路的连接如实施例2内所述，在此不再赘述。输出端的第二宽带共模电感的同轴电缆芯线形成的第一绕组17中的第一芯线端12经阻抗匹配电阻22与隔离电路输入端4连接，输出端的第二宽带共模电感的第一绕组17的第二芯线端14作为隔离后的差模信号输出端。输出端的第二宽带共模电感的同轴电缆芯线形成的第二绕组18的第一屏蔽层外接线端13与隔离电路输出端参考点5相连，第二绕组18的第二屏蔽层外接线端15与输出端参考地9连接。隔离电源31不能直接接参考点9，也需经一共模电感23接电源。共模电感23可用普通电源回路用的共模电感，但需要比较大的共模电感量，以得到好的效果。也可以用独立的电池供电，可省去共模电感23。

此时的共模信号回路等效电路如图8所示。电感19是图7中宽带共模电感16的共模电感量。电感24是图7中的宽带共模电感21的共模电感量，电感25是图7中隔离电源共模电感量。电容7为图7中隔离电路1隔离壁垒两侧间的等效电容。回路除有输入侧宽带共模电感的19外，又串联了由输出侧的宽带共模电感21的共模电感量24和直流电源共模电感23的共模电感量25并联而成的电感。如果用电池供电，可以没有电源共模电感25。

由于隔离电路输出阻抗比较低，一般是50欧姆，在接有终端电阻22防止反射后，对输出电缆长度没有限制，在体积和延时允许范围内，可以比较长。这样就可得到共模电感量比较大的宽带共模电感。在相同的隔离壁垒等效电容7下，对高频高速共模干扰信号的抑制效果就更好。输入侧宽带共模电感量就可以设计得比较小，电缆长度可以比较短。

实施例4：

如图9所示，如果加输出共模电感已经足够抑制共模干扰，则可省去输入端的宽带共模电感16。这样隔离电路的输入阻抗性就完全不受影响。此隔离电路，包括一隔离电源，在隔离电源31上连接有一共模电感23，在隔离电路的输入端2和隔离电路输入端参考点3之间接终端电阻20，差模信号Vd的其中一端接隔离电路的输入端2，差模信号Vd的另一端接差模信号参考地8。在隔离电路1的输出端连接有第二共模电感21。输出端的第二宽带共模电感的同轴电缆芯线形成的第一绕组17中的第一芯线端12经阻抗匹配电阻22与隔离电路输入端4连接，输出端的第二宽带共模电感的第一绕组17的第二芯线端14作为隔离后的差模信号输出端。输出端的第二宽带共模电感的同轴电缆芯线形成的第二绕组18的第一屏蔽层外接线端13与隔离电路输出端参考点5相连，第二绕组18的第二屏蔽层外接线端15与输出端参考地9连接。

实施例5：

如图10所示，在某些应用中，隔离电路输出侧不接地，例如电池供电的手持示波表。此时输出侧电路对地的杂散电容，仍旧可以使高频共模干扰流通。隔离电路在输入端连接有第一宽带共模电感，第一宽带共模电感的第一绕组17的第一芯线外接线端12连接有差模信号Vd的输入端，构成第一绕组17的第二芯线外接线端14连接有隔离电路的输入端2，第一宽带共模电感的第二绕组18的第一屏蔽层13外接线端连接有差模信号Vd的参考地，构成第二绕组18的第二屏蔽层外接线端15连接有隔离电路输入参考点3。隔离电路1输出端参考点5连接有对地杂散电容26，与隔离电路1的隔离层6两侧形成的电容7，输入侧宽带共模电感16串联，其等效电路见图11，输出侧对地杂散电容26数值比较小，与隔离电路输出侧接地情况相比，可降低施加在电容7上的电压，减小了共模干扰，接入宽带共模电感16后，则可进一步抑制高频共模干扰。宽带共模电感在这种应用中依然有效。

实施例6：

如图12所示，对于双通道或多通道应用，数个隔离电路在输出侧具有相同参考点，第一隔离电路1输出端参考点5和第二隔离电路27输出端参考点28连接在一起。第二隔离电路27形成的第二隔离电容29，并在输入端接有宽带第三宽带共模电感30。第一隔离电路1差模输入信号为Vd1，第二隔离电路27差模输入信号为Vd2，Vd1与Vd2可能不具有同一参考点，则Vd1与Vd2之间存在共模电压Vc，其共模信号等效电路如图12所示。电感32为宽带共模电感30的共模电感量。电容7与电容29上的电压之和，仍旧是Vc经二阶低通滤波后的值，在低通滤波通带外快速衰减。故接入宽带共模电感，对高频共模干扰的抑制仍旧有效。

Claims (10)

1.一种宽带共模电感，其特征在于：包括磁芯，在磁芯上绕有同轴电缆。

2.根据权利要求1所述的一种宽带共模电感，其特征在于：所述的磁芯为环形磁芯，所述的同轴电缆为宽带同轴电缆，同轴电缆包括芯线和屏蔽层。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽带共模电感，其特征在于：所述的磁芯为圆环形，磁芯的直径小于20mm，高度小于20mm，所述的同轴电缆的直径小于4mm，频带大于100MHz。

4.一种应用权利要求1所述的宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：包括隔离电源、隔离电路的输入端、隔离电路输入端参考点、隔离电路的输出端和隔离电路输出端参考点，在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感；第一宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有差模信号输入端，第一宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有隔离电路的输入端，第一宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，第一宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路输入参考点。

5.根据权利要求4所述的应用宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：在隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接终端电阻。

6.根据权利要求4或5所述的应用宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：所述的隔离电路的输出端参考点连接有杂散电容，杂散电容与隔离电路、输入端宽带共模电路串联。

7.一种应用权利要求1所述的宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：包括隔离电源、隔离电路的输入端、隔离电路输入端参考点、隔离电路的输出端和隔离电路输出端参考点，在隔离电路的输出端连接有第二宽带共模电感，隔离电源上连接有共模电感；第二宽带共模电感的第一芯线外接线端通过阻抗匹配电阻连接有隔离电路的输出端，第二宽带共模电感第二芯线外接线端连接有隔离后的差模信号输出端，第二宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有隔离电路输出端参考点，第二宽带共模电感第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路差模信号输出参考地。

8.根据权利要求7所述的应用宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：在隔离电路的输入端连接有第一宽带共模电感，第一宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有差模信号输入端，第一宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有隔离电路的输入端，第一宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，第一宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有隔离电路输入参考点；在隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接终端电阻。

9.一种应用权利要求1所述的宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：包括多个隔离分支 电路，多个隔离分支电路的输出侧具有相同的隔离电路输出端参考点，相邻两个隔离分支电路的差模信号输入端之间存在共模电压，在各个隔离分支电路的输入端连接有宽带共模电感，宽带共模电感的第一芯线外接线端连接有对应的隔离分支电路内的差模信号输入端，宽带共模电感的第二芯线外接线端连接有对应的隔离分支电路内的输入端，宽带共模电感的第一屏蔽层外接线端连接有差模信号输入参考地，宽带共模电感的第二屏蔽层外接线端连接有对应的隔离分支电路的输入参考点。

10.根据权利要求9所述的应用宽带共模电感的隔离电路，其特征在于：在各个隔离电路的输入端和隔离电路输入端参考点之间接各连接有一终端电阻。 

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