CN209562379U - 一种电源隔离反馈电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电源隔离反馈电路，包括电压取样单元、幅度调制单元、超声波发射装置、超声波接收装置以及位于两者之间的绝缘介质；所述超声波发射装置用于接收所述第一电压信号，并将其转化为超声波信号；所述超声波接收装置用于接收所述超声波信号，并将其转化为第二电压信号；还包括信号还原单元和控制单元。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型利用超声波能穿越液体或固态绝缘介质的特征，来达到提高隔离电压的目的；利用发射超声波器件与接收超声波器件之间存在较宽的线性区，实现不同电位电路之间电压的线性反馈。不仅可以达到很高的隔离电压等级，而且制造成本低，传输的反馈电压信号安全可靠。

Description

一种电源隔离反馈电路

技术领域

本实用新型涉及电压取样电气隔离技术领域，具体涉及一种电源隔离反馈电路。

背景技术

目前，在高压电源应用领域里，通常使用多个电源串联叠加输出，达到输出高电压的目的。为了提高系统的稳定性，每个电源模块本身需要将本身的输出电压进行反馈闭环调节。然而不同电源模块输出端与输入电网之间的电压会随着串联电源的数量的增加而增大。如图1所示，为多模块隔离电源串联输出示意图。电源模块1与电源模块N的输出端正极与负极首尾相连，为了保证每个模块输出电压的稳定，必须使用电压隔离反馈回路进行闭环控制。随着模块级数的增加，这样要求相应级的电压隔离反馈电路的隔离电压能力越来越高。

现有常用的隔离电压进行反馈的方法有：光耦合器件隔离反馈、变压器隔离反馈、光纤隔离反馈和霍尔电压传感器。光耦合隔离反馈，器件耐压值低，最高仅在几千伏，并存在工作点偏移的情况。变压器隔离反馈骨架的绝缘性不够，工艺制作比较复杂，体积大，效率较低等缺点，且只能应用在交流输出电压的情况。光纤隔离反馈效果好，电压等级高，需要调制解调电路，成本高。霍尔电压传感器也存在无法达到隔离电压等级的要求。因此，亟待开发一种不仅隔离电压绝缘等级高，而且制造成本低的隔离反馈电路。

实用新型内容

为解决背景技术中现有的电源隔离反馈电路无法兼具低成本与高隔离电压等级的问题，本实用新型提供了一种电源隔离反馈电路，具体技术方案如下。

一种电源隔离反馈电路，其包括：

电压取样单元，用于对被隔离反馈的电源模块的输出电压进行分压取样，得到电压取样信号；

等幅载波信号发生器，用于产生等幅载波信号；

幅度调制单元，用于将所述电压取样信号与所述等幅载波信号进行合成，得到第一电压信号；

超声波传输单元，所述超声波传输单元包括超声波发射装置、超声波接收装置以及位于两者之间的绝缘介质；所述超声波发射装置用于接收所述第一电压信号，并将其转化为超声波信号；所述超声波接收装置用于接收所述超声波信号，并将其转化为第二电压信号；

信号还原单元，用于对所述第二电压信号进行整流和滤波，得到响应电压信号；

控制单元，用于对所述响应电压信号进行闭环控制，得到输出电压信号；

所述电压取样单元的输出端与所述幅度调制单元的第一输入端连接，所述等幅载波信号发生器的输出端与所述幅度调制单元的第二输入端连接；所述幅度调制单元的输出端与所述超声波发射装置的输入端连接，所述超声波接收装置的输出端与所述信号还原单元的输入端连接，所述信号还原单元的输出端与所述控制单元的输入端连接。

上述电路中，所述输入电压信号为被隔离反馈的电源模块的输出电压。所述幅度调制单元采用的是乘法器，将所述电压取样信号与等幅载波信号进行乘法运算。所述等幅载波信号既可以是单向的方波，也可以是双向的方波或正弦波。所述信号还原单元由整流电路和滤波电路组成，所述整流电路可以是桥式整流电路，所述滤波电路由电感和电容组成。

首先通过所述电压取样单元对需要反馈的电源模块的输出电压进行分压取样，得到电压取样信号；为了使电压取样信号达到驱动超声波传输单元的驱动频率，通过幅度调制单元，将所述电压取样信号与所述等幅载波信号发生器产生的等幅载波信号进行合成，得到与超声波传输单元的驱动频率一致的第一电压信号；利用超声波能穿越液体或固态绝缘介质的特征，通过超声波传输单元将所述第一电压信号转化为超声波信号，该超声波信号穿过绝缘介质后，再将其转化为第二电压信号，以达到隔离电压的目的；然后通过信号还原单元来进行信号还原，最后通过控制单元来进行闭环控制，最终得到输出电压信号。所述幅度调制单元、信号还原单元以及闭环控制单元所采用的电路均为现有技术，本实用新型并未针对这些电路本身做出任何改进。本方案利用超声波能穿越液体或固态绝缘介质的特征，来达到提高隔离电压大小的目的；利用发射超声波器件与接收超声波器件之间存在较宽的线性区，在线性区电压幅度大小的传递，实现不同电位电路之间电压的线性反馈。不仅可以达到很高的隔离电压等级，而且制造成本低，传输的反馈电压信号安全可靠。

优选地，所述幅度调制单元与所述超声波发射装置之间还设有用于对所述第一电压信号进行功率放大处理的功率放大单元。所述功率放大单元的输入端与所述幅度调制单元的输出端连接，所述功率放大单元的输出端与所述超声波发射装置的输入端连接。

为了使第一电压信号达到驱动超声波传输单元的额定功率，通过功率放大单元对所述第一电压信号进行功率放大处理，使其能够驱动超声波传输单元。

优选地，所述电压取样单元与所述幅度调制单元之间还设有第一放大器和第一基准电源，所述第一放大器的第一输入端与所述电压取样单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端与所述第一基准电源的输出端连接，所述第一放大器的输出端与所述幅度调制单元的输入端连接；

所述信号还原单元与所述控制单元之间还设有第二放大器和第二基准电源，所述第二放大器的第一输入端与所述信号还原单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端与所述第二基准电源的输出端连接，所述第二放大器的输出端与所述控制单元的输入端连接。

优选地，还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理，所述阻抗匹配单元的输入端与所述超声波接收装置的输出端连接，所述阻抗匹配单元的输出端与所述信号还原单元的输入端连接。

优选地，所述超声波接收装置与所述还原单元之间还设有用于对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理的阻抗匹配单元。所述阻抗匹配单元的输入端与所述超声波接收装置的输出端连接，所述阻抗匹配单元的输出端与所述信号还原单元的输入端连接。

通过对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理，使得第二电压信号在全范围内更加稳定。所述阻抗匹配单元为现有技术，本实用新型并未针对该电路做出任何改进。

优选地，所述幅度调制单元为乘法器。

优选地，所述第一放大器和所述第二放大器均为运算放大器。

优选地，所述等幅载波信号为单向的方波。

优选地，所述等幅载波信号为双向的方波或正弦波。

优选地，所述第二基准电源的输出电压值与所述第一基准电源的输出电压值等值且反向。

由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本实用新型利用超声波能穿越液体或固态绝缘介质的特征，来达到提高隔离电压的目的；利用发射超声波器件与接收超声波器件之间存在较宽的线性区，在线性区电压幅度大小的传递，实现不同电位电路之间电压的线性反馈。不仅可以达到很高的隔离电压等级，而且制造成本低，传输的反馈电压信号安全可靠。本实用新型可以很方便的将不同等级电位的电源模块的输出电压取样反馈到前级变换器，控制电压的稳定，绝缘电压大小通过改变绝缘材料种类及距离来决定，十分方便，线性工作区宽整体体积小，成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的电路结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的电路结构示意图；

图3为本实用新型超声波接收及发射器件的结构示意图；

图4为本实用新型超声波发射及接收器件之间的激励电压与响应电压之间的关系示意图；

图5为本实用新型实施例3的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

参见图1，一种电源隔离反馈电路。包括：

电压取样单元，所述电压取样单元包括第一电阻R1和第二电阻R2，用于对被隔离反馈的电源模块的输出电压进行分压取样，得到电压取样信号；

第一放大器(图中为放大器1)和第一基准电源(图中为基准电源1)，所述第一放大器的第一输入端与所述电压取样单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端与所述第一基准电源的输出端连接。

幅度调制单元，所述幅度调制单元为乘法器，用于将所述电压取样信号与所述等幅载波信号进行乘法运算，得到第一电压信号；所述乘法器的第一输入端与所述第一放大器的输出端连接。

等幅载波信号发生器，所述等幅载波信号发生器为有源晶振，用于产生方波信号；所述乘法器的第二输入端与所述有源晶振的输出端连接。

功率放大单元，所述功率放大单元为功率放大电路，用于对所述第一电压信号进行功率放大处理，以驱动所述超声波发射装置；所述功率放大电路的输入端与所述乘法器的输出端连接。

超声波传输单元，所述超声波传输单元包括超声波发射装置(图中为发射超声波器件)、超声波接收装置(图中为接收超声波器件)以及位于两者之间的绝缘介质(图中为变压器油)；所述超声波发射装置用于接收所述第一电压信号，并将其转化为超声波信号；超声波信号穿过所述绝缘介质后，所述超声波接收装置接收所述超声波信号，并将其转化为第二电压信号；所述超声波发射装置的输入端与所述功率放大电路的输出端连接。

阻抗匹配单元(图中为阻抗匹配电路)，所述阻抗匹配单元用于对所述第二电压信号进行阻抗匹配处理，所述阻抗匹配单元的输入端与所述超声波接收装置的输出端连接。

信号还原单元(图中为精密整流电路)，用于对所述第二电压信号进行整流和滤波，得到响应电压信号；所述信号还原单元的输入端与所述阻抗匹配单元的输出端连接。

第二放大器(图中为放大器2)和第二基准电源(图中为基准电源2)，所述第二放大器的第一输入端与所述信号还原单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端与所述第二基准电源的输出端连接。

控制单元(图中为控制电路)，用于对所述响应电压信号进行闭环控制，得到最终的输出电压信号；所述控制单元的输入端与所述第二放大器的输出端连接。

所述超声波发射装置与超声波接收装置之间的绝缘介质采用的是25号变压器油，超声波发射装置与超声波接收装置之间的间距为10mm。

所述第一放大器和所述第二放大器均采用通用运算放大器LM358；所述乘法器采用AD734；所述有源晶振采用频率为40kHz，额定电压为5V的有源晶振，输入给乘法器为方波信号；所述功率放大电路采用LM386功率放大集成电路；所述超声波发射装置采用40T，所述超声波接收装置采用 40R；所述控制单元为嵌入式系统STM32，所述第一基准电源输出电压值为 1.0V，激励电压幅度最大可以达到20V。第二基准电源输出电压值为-1.0V。这样的设计，隔离电压达到35KV以上。

实施例2

参见图2，一种电源隔离反馈电路。包括：

电压取样单元，所述电压取样单元包括第一电阻R1和第二电阻R2，用于对被隔离反馈的电源模块的输出电压进行分压取样，得到电压取样信号；

第一放大器(图中为放大器1)和第一基准电源(图中为基准电源1)，所述第一放大器的第一输入端与所述电压取样单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端与所述第一基准电源的输出端连接。

幅度调制单元，所述幅度调制单元为乘法器，用于将所述电压取样信号与所述等幅载波信号进行乘法运算，得到第一电压信号；所述乘法器的第一输入端与所述第一放大器的输出端连接。

等幅载波信号发生器，所述等幅载波信号发生器为正弦波发生器，用于产生正弦波信号；所述乘法器的第二输入端与所述正弦波发生器的输出端连接。

功率放大单元，所述功率放大单元为功率放大电路，用于对所述第一电压信号进行功率放大处理，以驱动所述超声波发射装置；所述功率放大电路的输入端与所述乘法器的输出端连接。

超声波传输单元，所述超声波传输单元包括超声波发射装置(图中为发射超声波器件)、超声波接收装置(图中为接收超声波器件)以及位于两者之间的绝缘介质(图中为变压器油)；所述超声波发射装置用于接收所述第一电压信号，并将其转化为超声波信号；超声波信号穿过所述绝缘介质后，所述超声波接收装置接收所述超声波信号，并将其转化为第二电压信号；所述超声波发射装置的输入端与所述功率放大电路的输出端连接。

阻抗匹配单元(图中为阻抗匹配电路)，所述阻抗匹配单元用于对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理，所述阻抗匹配单元的输入端与所述超声波接收装置的输出端连接。

信号还原单元(图中为精密整流电路)，用于对所述第二电压信号进行整流和滤波，得到响应电压信号；所述信号还原单元的输入端与所述阻抗匹配单元的输出端连接。

第二放大器(图中为放大器2)和第二基准电源(图中为基准电源2)，所述第二放大器的第一输入端与所述信号还原单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端与所述第二基准电源的输出端连接。

控制单元(图中为控制电路)，用于对所述响应电压信号进行闭环控制，得到最终的输出电压信号；所述控制单元的输入端与所述第二放大器的输出端连接。

所述超声波发射装置与超声波接收装置之间的绝缘介质采用的是四氟乙烯，超声波发射装置与超声波接收装置之间的间距为3mm。

所述第一放大器和所述第二放大器均采用高性能运算放大器OPA2227；所述乘法器采用AD633；所述正弦波发生器的频率为40kHz，输入给乘法器3为正弦波；所述功率放大电路采用TDA2030功率放大集成电路；所述超声波发射装置采用40T，所述超声波接收装置采用40R；所述控制单元为脉宽调制控制芯片SG3525，所述第一基准电源的输出电压值介于0.5V-1.2V 之间，这样的设计，隔离电压达到35KV以上。

图3为超声波接收及发射器件的结构示意图。发射超声波器件与接收超声波器件安装在绝缘介质对面，绝缘介质可以是绝缘性能好的液体、固体或者气体比如变压器油、四氟乙烯、环氧树脂、六氟化硫等。隔离电压大小取决于绝缘材料的绝缘性能以及两个超声波器件的距离。

接收超声波器件在超声波作用下，引起机械振荡，输出一个频率40KHz 的电信号，然后接入阻抗匹配电路，再进入精密整流电路中。在这里，40KHz 的载波频率信号已经滤除，只保留了调制载波信号的单极性外包络线电压信号，同时为了还原放大器1上施加的基准电源1，在放大器2上施加一个基准电源2。这样放大器2输出的电压信号大小，就与分压电阻R1和R2得到的取样电压成正比。最后送入控制电路，经算法处理后，输出控制信号给变换器，以此来完成整个闭环控制，最终实现高压的输出稳定。

超声波发射及接收器件之间的激励电压与响应电压之间的关系如图4 所示。由于超声波器件通常存在振动阈值，所以选择图4中第2条曲线工作，阈值电压大小可以通过基准电源1设定。

实施例3

参见图5，一种电源隔离反馈电路。整个反馈电路分为12个部分。第一部分为电压取样电路，由R1和R2组成，完成电源模块电压取样，Vin_H 和Vin_L分别为被反馈电源模块输出的高低端子；第二部分为第一放大器，由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器LM358-1组成，电路结构为加法电路；第三部分为第一基准电压，由电阻R7、R8、R9和基准电压源TL431-1组成。第四部分为40KHz方波发生器电路，由有源晶振Y1和电容C1实现。第五部分为幅度调制合成电路，由乘法器AD734实现，第一路信号由X1 和X2间差分输入，来自第一放大器的输出，第二路信号由Y1和Y2间差分输入，来自有源晶振Y1的输出信号。第六部分功率放大电路，由集成功率放大电路LM386和电容C2组成，信号来自C1，由LM386的第三个引脚输入；第七个部分为超声波发射接收电路，由发射端P1、接收端P2以及隔离介质变压器油组成。第八部分为阻抗匹配电路，由电感L1和电容C3组成。第九部分为精密整流滤波电路，由电阻R10、R11、R12、R13、R14、 R15、R16、运算放大器LM358-2、LM358-3、二极管D1、D2组成精密整流电路，C4完成滤波功能。第十部分为第二放大器，由R17、R18、R19和运算放大器LM358-4组成，电路结构为减法电路。第十一部分为第二基准电压，由电阻R20、R21、R22和基准电压源TL431-2组成。第十二部分为控制电路，由STM32小系统实现。

下表展示了本实用新型与现有技术各主要参数之间的差异：

由上表可以看出，光耦合器件反馈方法，隔离电压等级低，线性范围小，成本低，只能反馈直流电压；变压器反馈体积重量大，隔离电压等级高，但只能反馈交流电压，而且成本高，在小信号时，电压线性度也小；霍尔电压传感器反馈电压等级低，成本也很高，线性度范围小。而采用本实用新型的技术方案，隔离电压等级可以很高，体积也小，在小电压及大电压全范围内，线性度都好，成本也都较低，也适合交流和直流电压的反馈。相对于前三者而言，既可以克服它们各自的缺点，又同时具备它们各自的优点，综合性能十分优异。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电源隔离反馈电路，其特征在于，包括：

电压取样单元，用于对被隔离反馈的电源模块的输出电压进行分压取样，得到电压取样信号；

等幅载波信号发生器，用于产生等幅载波信号；

幅度调制单元，用于将所述电压取样信号与所述等幅载波信号进行合成，得到第一电压信号；

超声波传输单元，所述超声波传输单元包括超声波发射装置、超声波接收装置以及位于两者之间的绝缘介质；所述超声波发射装置用于接收所述第一电压信号，并将其转化为超声波信号；所述超声波接收装置用于接收所述超声波信号，并将其转化为第二电压信号；

信号还原单元，用于对所述第二电压信号进行整流和滤波，得到响应电压信号；

控制单元，用于对所述响应电压信号进行闭环控制，得到输出电压信号；

所述电压取样单元的输出端与所述幅度调制单元的第一输入端连接，所述等幅载波信号发生器的输出端与所述幅度调制单元的第二输入端连接；所述幅度调制单元的输出端与所述超声波发射装置的输入端连接，所述超声波接收装置的输出端与所述信号还原单元的输入端连接，所述信号还原单元的输出端与所述控制单元的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述幅度调制单元与所述超声波发射装置之间还设有用于对所述第一电压信号进行功率放大处理，以驱动所述超声波发射装置的功率放大单元。

3.根据权利要求1或2所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：述电压取样单元与所述幅度调制单元之间还设有第一放大器和第一基准电源，所述第一放大器的第一输入端与所述电压取样单元的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端与所述第一基准电源的输出端连接，所述第一放大器的输出端与所述幅度调制单元的输入端连接；

所述信号还原单元与所述控制单元之间还设有第二放大器和第二基准电源，所述第二放大器的第一输入端与所述信号还原单元的输出端连接，所述第二放大器的第二输入端与所述第二基准电源的输出端连接，所述第二放大器的输出端与所述控制单元的输入端连接。

4.根据权利要求1或2所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：还包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元用于对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理，所述阻抗匹配单元的输入端与所述超声波接收装置的输出端连接，所述阻抗匹配单元的输出端与所述信号还原单元的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述超声波接收装置与所述还原单元之间还设有用于对所述超声波接收装置进行阻抗匹配处理的阻抗匹配单元。

6.根据权利要求1或2所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述幅度调制单元为乘法器。

7.根据权利要求3所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述第一放大器和所述第二放大器均为运算放大器。

8.根据权利要求1或2所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述等幅载波信号为单向的方波。

9.根据权利要求1或2所述的电源隔离反馈电路，其特征在于：所述等幅载波信号为双向的方波或正弦波。