CN211046901U

CN211046901U - 一种信号隔离传输电路

Info

Publication number: CN211046901U
Application number: CN201922411067.5U
Authority: CN
Inventors: 马涛
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2019-12-28
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2029-12-28

Abstract

本实用新型提供一种信号隔离传输电路，包括输入信号转换电路，用于对直流输入电压信号进行比例运算；信号斩波电路，用于将直流电压信号转换为正负电压方波脉冲信号，信号耦合电路，用于隔离耦合正负电压方波脉冲信号；信号还原电路，用于将正负电压方波脉冲信号还原为直流电压信号；输出信号转换电路，用于将还原电路产生的电压信号进行比例放大后输出。此电路中直流输入电压信号经过斩波电路后转换为正负双极性型号，可实现信号耦合电路中隔离耦合变压器的单绕组信号隔离传输，能够大大减少变压器绕组数量以及圈数，从而减小变压器体积，降低生产工艺难度，大大降低生产成本。

Description

一种信号隔离传输电路

技术领域

本实用新型涉及工业测控行业中信号隔离变送，特别涉及一种直流电压的信号隔离传输电路。

背景技术

在工业测控行业，信号隔离变送器作为目前信号隔离的的应用之一，在专利号为ZL 200910038270.0，公开日期为2009年9月9日，名称为《一种直流双极性信号隔离转换的方法及其电路》的专利文献文中公开一种隔离转换方法及其电路，如图1所示，其隔离传输电路包括第一双向开关电路、同步脉冲电路、隔离耦合变压器、第二双向开关电路。

其电路结构为：隔离耦合变压器的原边绕组与第一双向开关器件连成输入回路，第一双向开关器件的常闭端和常开端分别连接初次绕组的两端，直流正负双极输入信号连接初次绕组的中间抽头，第一双向开关器件的公共端连接直流正负双极输入信号的参考端；隔离耦合变压器的副边绕组与第二双向开关器件连成输出回路，第二双向开关器件的常闭端和常开端分别连接副边绕组的两端，副边绕组的中间抽头连接直流正负双极信号输出端，第二双向开关器件的公共端连接直流正负双极输出信号的参考端；隔离同步脉冲发生电路的两路输出分别连接两个双向开关器件的驱动控制端。

图2为现有实际电路的应用场景图，包括隔离耦合变压器T2，由MOS管Q300和Q301构成第一双向开关器件，由MOS管Q400和Q401构成的第二双向开关器件，由电容C301、C302、C303、C304、电阻R301、R302构成的输入同步脉冲电路，由电容C401、C402、C403、C404、电阻R401、R402构成的输出同步脉冲电路。

其工作原理简述为：直流电压信号输入隔离耦合变压器T2的原边绕组，在同步脉冲电路控制下，第一双向开关器件的两个开关交替工作，电流交替在原边绕组中流过，完成激磁与去磁过程。在副边绕组中也交替的产生感应电流，然后在同步脉冲电路控制下，第二双向开关器件开通，完成信号还原，将变压器上的交流电压转换为直流电压输出。

其特点为：利用原、副边同步的脉冲控制信号以及开关电路对直流输入信号进行斩波，再通过耦合变压器进行信号隔离传输。

其技术关键点是信号耦合变压器工作在推挽模式下，需由原副边共四个绕组来完成信号传输，因此变压器的绕组数量较多，变压器的体积以及生产工序都相对复杂，此外电路的所需的隔离同步脉冲驱动信号也需要通过变压器进行隔离传输，也需要原副边共四个绕组来完成驱动信号传输，因此产品的成本、体积、设计复杂度就会大大增加，也因此阻碍了此技术在高频化、小体积、低成本上进一步的发展。本实用新型基于此进行设计。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种信号隔离传输电路，通过对全桥驱动电路单独供电处理，使之可以传输以零电压为起点的宽范围电压信号，电路的隔离耦合变压器只需要单绕组就能实现直流信号的高精度隔离传输。此外，通过数字隔离芯片进行隔离传输，省去了驱动信号变压器，大大减小变压器绕组数量以及变压器数量，降低成本和体积。

本实用新型的目的可以通过以下方案实现：

一种信号隔离传输电路，包括输入信号转换电路，用于对直流输入信号进行比例减小；信号斩波电路，用于对直流输入信号斩波；信号耦合电路，用于隔离耦合经过斩波后的直流输入信号；信号还原电路，用于还原隔离耦合的交流信号；输出信号转换电路，用于对还原的直流信号进行比例运算并输出直流信号；

其中输入信号转换电路的输入端连接直流输入信号，输入信号转换电路的输出端连接信号斩波电路的输入端，信号斩波电路的第一输出端连接隔离耦合变压器的原边绕组同名端，第二输出端连接隔离耦合变压器的原边绕组异名端；信号还原电路第一输入连接隔离耦合变压器的副边绕组同名端，信号还原电路第二输入连接隔离耦合变压器的副边绕组异名端；输出信号转换电路输入端连接信号还原电路输出端，由输出信号转换电路输出端输出直流电压信号。

作为上述输入信号转换电路的具体实施方式，包含运算放大器U10A、U10B、电容C10 以及电阻R10、R11；运算放大器U10A正向输入端连接输入直流信号，运算放大器U10A负向输入端连接运算放大器U10A输出端，运算放大器U10A输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端以及运算放大器U10B正向输入端，电阻R11的另一端连接输入直流信号参考端GND1，运算方法器U10B负向输入端连接运算放大器U10B输出端，运算放大器U10B输出端连接电容C10一端，电容C10另一端连接输入直流信号参考端GND1，运算放大器U10B输出端为输入信号转换电路输出端。

作为上述信号斩波电路的具体实施方式，包括MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，MOS管Q20 的栅极和MOS管Q23的栅极连接第一驱动信号Drive1，MOS管Q21的栅极和MOS管Q23 的栅极连接第一驱动信号Drive2，MOS管Q20的漏极和MOS管Q21的漏极连接作为信号斩波电路的输入端，MOS管Q20的源极和MOS管Q22的漏极共同连接隔离耦合变压器原边绕组的同名端，MOS管Q21的源极和MOS管Q23的漏极共同连接隔离耦合变压器原边绕组的异名端，MOS管Q22的源极和MOS管Q23的源极连接输入直流信号参考端GND1。

优选的，所述的信号隔离耦合电路，包含隔离耦合变压器，由原边绕组(1-2)以及副边绕组(3-4)构成。隔离耦合变压器原边绕组1脚(同名端)连接信号斩波电路第一输出端(MOS 管Q20的源极和MOS管Q22的漏极)，隔离耦合变压器原边绕组2脚(异名端)连接信号斩波电路第二输出端(MOS管Q21的源极和MOS管Q23的漏极)；隔离耦合变压器副边绕组 4脚(同名端)连接滤波电容C31，并同时连接U40A正向输入端，隔离耦合变压器副边绕组 3脚(异名端)连接开关管Q30漏极。

作为上述信号还原电路的具体实施方式，包括数字隔离器U21、滤波电容C31、开关管 Q30；数字隔离器U21的信号输入端连接第一驱动信号Drive1，数字隔离器U21的信号输出端连接MOS管Q30的栅极，MOS管Q30的漏极连接隔离耦合变压器副边绕组的异名端， MOS管Q30的源极连接输出直流信号参考端GND2，电容C31一端连接隔离耦合变压器副边绕组的同名端作为信号还原电路的输出端，C31另一端连接输出直流信号参考端GND2。

作为上述输出信号转换电路的具体实施方式，包括运算放大器U40A和电阻R41、R42，运算放大器U40A正向输入端连接隔离耦合变压器副边绕组同名端，运算放大器U40A负向输入端连接电阻R41一端和电阻R42一端，电阻R41另一端连接输出直流信号参考端GND2，电阻R42另一端连接运算放大器U40A输出端，运算放大器U40A输出端为输出信号转换电路输出端。

优选的，第一驱动信号Drive1和第二驱动信号Drive2为互补脉冲信号。

对本实用新型的工作原理说明如下:

输入直流信号VIN经过输入信号转换电路进行比例运算，输入信号转换电路输出电压信号MOS管Q20、Q21、Q22、Q23组成的全桥驱动器，在驱动脉冲信号上半周期，第一驱动信号Drive1使MOS管Q20、MOS管Q23导通，使得隔离耦合变压器原边绕组电压幅值为V₁的方波，并通过隔离耦合变压器隔离传输至副边绕组；在驱动脉冲信号下半周期，第二驱动信号Drive2使MOS管Q21、MOS管Q22导通，使得隔离耦合变压器原边绕组对变压器反向激磁，从而通过信号斩波电路实现了将单极性直流信号转换通过隔离耦合变压器传输至副边信号还原电路。

对于信号还原电路，在驱动脉冲信号上半周期，MOS管Q30开通，隔离耦合变压器副边绕组对电容C31进行充电直至电容电压为V₁，在驱动脉冲信号下半周期，MOS管Q30关断，电容C31放电阻抗极大，电压保持V₁，从而实现将双极性方波信号还原为单极性直流信号。单极性直流信号输入至输出信号转换电路后，经过比例放大后输出。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于，通过驱动信号与斩波电路可以将输入直流信号转换为交流信号，隔离耦合变压器只需要单绕组即可完成直流信号隔离传输，此外还原电路驱动信号数量减少为1路，可以通过数字隔离器进行传输，省去了驱动隔离耦合变压器，因此变压器数量以及体积大大减少，对于实现变压器的PCB化，进而可以提高产品的生产自动化，从而大大加快了生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为背景技术1的信号隔离传输电路应用电路原理框图；

图2为背景技术1的信号隔离传输电路应用电路原理图；

图3为本实用新型信号隔离传输电路原理框图；

图4为本实用新型信号隔离传输电路第一实施例原理图；

图5为本实用新型信号隔离传输电路第一实施例驱动时序。

具体实施方式

图3为本实用新型信号隔离传输电路的电路原理框图，一种信号隔离传输电路，包括输入信号转换电路，用于对直流输入信号进行比例减小；信号斩波电路，用于对直流输入信号斩波；信号耦合电路，用于隔离耦合经过斩波后的直流输入信号；信号还原电路，用于还原隔离耦合的交流信号；输出信号转换电路，用于对还原的直流信号进行比例运算并输出直流信号；

其中输入信号转换电路与信号斩波电路连成输入回路，信号斩波电路的两输出端分别连接原边绕组的两端，直流输入信号连接输入信号转换电路输入端，信号斩波电路的公共端连接输入直流信号参考端；

信号耦合电路的副边绕组与信号还原电路连成输出回路，信号还原电路的驱动输入端连接斩波电路的驱动隔离输出端，信号还原电路的输出回路连接输出信号转换电路输入端，信号还原电路的公共端连接输出直流信号参考端；

通过外部互补脉冲控制信号控制信号斩波电路，实现输入直流信号斩波，斩波后的信号通过隔离耦合变压器线性传输至副边，通过隔离耦合变压器副边绕组还原电路将副边交流信号还原为直流信号。

为了更好理解本实用新型，以下将采用具体实施例对本实用新型的信号隔离传输电路进一步进行阐述。

第一实施例

图4为本实用新型第一实施例的电路原理图，如图所示，本实施例各电路结构为：所述的输入信号转换电路，包含运算放大器U10A、U10B以及电阻R10、R11；信号斩波电路，包括模拟开关MOS管Q20、Q21、Q22、Q23；隔离耦合电路，包含隔离耦合变压器，由原边绕组(1-2)以及副边绕组(3-4)构成；信号还原电路由数字隔离器U21、滤波电容C31、开关管Q30构成；输出信号转换电路由运算放大器U40A电阻R41、R42构成。

各电路连接关系为：运算放大器U10A正向输入端连接输入直流信号，运算放大器U10A 负向输入端连接运算放大器U10A输出端，运算放大器U10A输出端连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接电阻R11一端以及运算放大器U10B正向输入端，电阻R11另一端连接输入直流信号参考端GND1，运算放大器U10B负向输入端连接运算放大器U10B输出端，运算放大器U10B输出端同时连接电容C10一端以及MOS管Q20漏极、MOS管Q21漏极，第一驱动信号Drive1连接MOS管Q20栅极、MOS管Q23栅极以及数字隔离器U21信号输入端A2，第二驱动信号Drive2连接MOS管Q21栅极、MOS管Q22栅极，MOS管Q20源极和MOS管Q22漏极连接隔离耦合变压器原边绕组的同名端，MOS管Q21源极和MOS管 Q23漏极连接隔离耦合变压器原边绕组的异名端，MOS管Q22源极、MOS管Q23源极连接输入直流信号参考端GND1；数字隔离器U21信号输出端B2连接MOS管Q30栅极，电容 C31一端连接隔离耦合变压器副边绕组的同名端以及运算放大器U40A正向输入端，电容C31 另一端连接输出直流信号参考端GND2；MOS管Q30漏极连接隔离耦合变压器副边绕组的异名端，MOS管Q30源极连接输出直流信号参考端GND2；运算放大器U40A正向输入端连接隔离耦合变压器副边绕组的同名端，运算放大器U40A负向输入端连接电阻R41一端、电阻 R42一端，电阻R41另一端连接输出直流信号参考端GND2，电阻R42另一端连接运算放大器U40A输出端，运算放大器U40A输出端为输出信号转换电路输出端。

图5为本实用新型信号隔离传输电路第一实施例驱动时序，基于本技术方案中的工作原理，对本实施例的信号还原电路的工作原理再进行进一步具体阐述：直流输入信号VIN经过运算放大器U10A正向输入端输入，U10A的输出跟随输入为VIN，然后再通过电阻R10、 R11进行比例缩小，再输入至运算放大器U10B的正向输入端，再输入至信号斩波电路，比例运算满足以下计算条件：

对于斩波电路，在驱动脉冲信号上半周期，第一驱动信号Drive1使MOS管Q20、MOS管Q23导通，电压信号通过MOS管Q20输入至隔离耦合变压器原边绕组的同名端，再通过 MOS管Q23连接至输入直流信号参考端GND1形成通路，使得隔离耦合变压器原边绕组电压幅值为V₁的方波，并通过隔离耦合变压器隔离传输至副边绕组；在驱动脉冲信号下半周期， MOS管Q21、MIS管Q22导通，电压信号通过MOS管Q21输入至隔离耦合变压器原边绕组的异名端，再通过MOS管Q22连接至输入直流信号参考地GND1形成完成通路，使隔离耦合变压器原边绕组对变压器反向激磁，从而通过信号斩波电路实现了将单极性直流信号转换通过隔离耦合变压器传输至副边信号还原电路。

对于信号还原电路，在驱动脉冲信号上半周期，第一驱动信号Drive1通过数字隔离器 U21输出隔离同步脉冲驱动信号使开关管Q30开通，隔离耦合变压器副边绕组对电容C31进行充电直至电容电压为V₁，在驱动脉冲信号下半周期，开关管Q30关断，电容C31放电阻抗极大，电压保持V₁，从而实现将双极性方波信号还原为单极性直流信号。单极性直流信号输入至输出信号转换电路后，经过比例放大后输出。输出电压满足以下计算公式：

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种信号隔离传输电路，包括隔离耦合变压器，其特征在于：还包括输入信号转换电路、信号斩波电路、信号还原电路和输出信号转换电路；

输入信号转换电路，用于对直流输入信号进行比例放大或减小，输入信号转换电路的输入端连接直流输入信号，输入信号转换电路的输出端连接信号斩波电路的输入端；

信号斩波电路用于对直流输入电压信号调制，包括MOS管Q1、Q2、Q3和Q4组成的全桥驱动器，MOS管Q20的栅极和MOS管Q23的栅极连接第一驱动信号Drive1，MOS管Q21的栅极和MOS管Q23的栅极连接第一驱动信号Drive2，MOS管Q20的漏极和MOS管Q21的漏极连接作为信号斩波电路的输入端，MOS管Q20的源极和MOS管Q22的漏极共同连接隔离耦合变压器原边绕组的同名端，MOS管Q21的源极和MOS管Q23的漏极共同连接隔离耦合变压器原边绕组的异名端，MOS管Q22的源极和MOS管Q23的源极连接输入直流信号参考端GND1；

信号还原电路，用于还原隔离耦合的交流信号，信号还原电路第一输入连接隔离耦合变压器的副边绕组同名端，信号还原电路第二输入连接隔离耦合变压器的副边绕组异名端，信号还原电路的输出端连接输出信号转换电路；还包括还原驱动输入端，用于控制电路的互补脉冲控制信号输入；

输出信号转换电路，用于对还原的直流信号进行比例运算并输出直流信号；输出信号转换电路输入端连接信号还原电路输出端，输出信号转换电路输出端输出直流电压信号。

2.根据权利要求1所述的信号隔离传输电路，其特征在于：所述输入信号转换电路，由运算放大器U10A、U10B、电容C10以及电阻R10、R11构成，运算放大器U10A正向输入端连接输入直流信号，运算放大器U10A负向输入端连接运算放大器U10A输出端，运算放大器U10A输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端分别连接电阻R11的一端以及运算放大器U10B正向输入端，电阻R11的另一端连接输入直流信号参考端GND1，运算放大器U10B负向输入端连接运算放大器U10B输出端，运算放大器U10输出端连接电容C10一端作为输入信号转换电路输出端，电容C10另一端连接输入直流信号参考端GND1。

3.根据权利要求1所述的信号隔离传输电路，其特征在于：所述的信号还原电路由数字隔离器U21、滤波电容C31、开关管Q30构成；数字隔离器U21的信号输入端连接第一驱动信号Drive1，数字隔离器U21的信号输出端连接MOS管Q30的栅极，MOS管Q30的漏极连接隔离耦合变压器副边绕组的异名端，MOS管Q30的源极连接输出直流信号参考端GND2，电容C31一端连接隔离耦合变压器副边绕组的同名端作为信号还原电路的输出端，C31另一端连接输出直流信号参考端GND2。

4.根据权利要求1所述的信号隔离传输电路，其特征在于：所述的输出信号转换电路由运算放大器U40A和电阻R41、R42构成，运算放大器U40A正向输入端连接隔离耦合变压器副边绕组同名端，运算放大器U40A负向输入端连接电阻R41一端和电阻R42一端，电阻R41另一端连接输出直流信号参考端GND2，电阻R42另一端连接运算放大器U40A输出端，运算放大器U40A输出端为输出信号转换电路输出端。

5.根据权利要求1所述的信号隔离传输电路，其特征在于：第一驱动信号Drive1和第二驱动信号Drive2为互补脉冲信号。