CN220525920U - 一种无源隔离式开关量检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无源隔离式开关量检测电路，信号插座J1的1、2脚分别与变压器T1隔离侧的1、2脚连接，变压器T1低压侧的3、4脚先与TVS管D2两端连接，MOS管Q1的源极接地，栅极与信号插座J3连接，漏极通过串联的电阻R2及R3与电源VCC连接，二极管D1的阳极接地，阴极通过电阻R2与MOS管Q1的漏极连接，光耦U1的1脚、2脚分别通过电阻R3、R4与电源VCC连接，光耦U1的3脚接地，4脚通过电阻R1与逻辑电压VDD连接，同时连接到信号插座J2的1号脚。

Description

一种无源隔离式开关量检测电路

技术领域

本实用新型涉及隔离开关电路技术领域，特别是涉及一种无源隔离式开关量检测电路。

背景技术

开关量信号广泛应用于通信、测控、传感领域，能够传递有、无或者高、低两种状态，为数字信号，具备很强的抗干扰能力。在工业应用场景中，如大功率焊接技术领域，由于重型工业设备会产生强电磁干扰，特别是大功率电机启动停止时，会向空间辐射很强的电磁噪声，加上大型设备自身的信号走线长、工作电流大，可以达到数十米甚至数百米，信号发送端和接收端的地电位会有明显差别，即便是对抗干扰能力较强的数字信号而言，耦合噪声和地电位差异也会使信号发生明显的劣化，因此有必要采取隔离或使用电流信号代替电压信号的措施，保证信号能够完整地传递到接收端。

目前常用的隔离式开关量检测电路往往使用光耦传递开关量，由于光耦的发光二极管需要毫安级的电流才能点亮，因此需要在隔离侧提供单独的电源才能使电路正常工作，加上光耦发光二极管耐压能力较低，需要额外的保护电路才能够在强干扰环境下工作。该方案在抗干扰和隔离电压上存在两个瓶颈，一是光耦自身的耐压、隔离性能，二是用于供电的隔离式开关电源或者工频变压器隔离绕组本身能够提供的隔离耐压能力，如果使用工频变压器隔离绕组，那么隔离侧对大地将具有较高的杂散电容，不利于信号的抗干扰能力，除此之外，使用隔离电源将会极大提高系统的成本、体积且降低可靠性，对方案的实现是不利的。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种无源隔离式开关量检测电路。

一种无源隔离式开关量检测电路，包括信号插座J1~J3，变压器T1，电容C1~C5，MOS管Q1，二极管D1，TVS管D2，光耦U1，电阻R1~R6，信号插座J1的1、2脚分别与变压器T1隔离侧的1、2脚连接，且分别通过电容C4、C5连接到隔离侧地电位，变压器T1低压侧的3、4脚先与TVS管D2两端连接，用于吸收经过变压器T1映射的隔离侧的强干扰信号，再连接到另一端均接低压地的电容C2、C3，最后分别串联电阻R5、R6连接到电源VCC，MOS管Q1的源极接地，栅极与信号插座J3连接，引出信号，漏极通过串联的电阻R2及R3与电源VCC连接，二极管D1的阳极接地，阴极通过电阻R2与MOS管Q1的漏极连接，光耦U1的1脚、2脚分别通过电阻R3、R4与电源VCC连接，电容C1串联在光耦U1的1脚、2脚之间，所述光耦U1的3脚接地，4脚通过电阻R1与逻辑电压VDD连接，同时连接到信号插座J2的1号脚，将信号引出，供外部电路使用。

优选的，所述J2、J3的1号脚分别连接到外部单片机具备的PWM捕获和PWM发生功能的引脚，MOS管Q1的栅极受PWM信号驱动，光耦U1的4脚经过配合上拉电阻R1产生PWM输出信号，外部电路通过检测该PWM信号的占空比判断J1上连接的开关的闭合状态。

优选的，所述外部单片机内集成有具备多路同频PWM输出和输入脉冲边沿捕获能力的定时器外设。

优选的，所述Q1的栅极用于与PWM发生器U2的3脚连接，PWM发生器U2的7脚通过电阻R7接电源VCC，PWM发生器U2的2脚、6脚通过电阻R6、R7接电源VCC，并同时通过电容CT接地，所述光耦U1的3、4号脚之间加入串联的Rf及Cf滤波电路，将PWM信号转换为平滑的直流电。

优选的，所述PWM发生器U2的型号为NE555，用于产生定频、定占空比的高频PWM信号。

本实用新型的有益之处在于：首先，使用变压器作为传递开关量信号的核心部件，将变压器当作耦合电感，如果隔离侧开路，低压侧将检测到很高的电感量，反之隔离侧短路，低压侧将检测到非常小的变压器漏感，与开路时的电感量具有10倍至100倍的明显差异，也就是说通过检测低压侧的电感量就能够推断隔离侧的开关量状态，实现信号的隔离与传递，不再需要对隔离侧单独供电，再通过控制变压器的尺寸和耐压等级，可以实现降低成本、减小装置体积、满足安规标准的目的，加上空间中电场干扰对于低压侧电感量的测量几乎没有影响，具备非常高的抗干扰能力。

其次，我们利用了电感储能的性质，将低压侧绕组作为boost电路中的储能电感，组成升压电路驱动光耦的LED，再将信号通过光耦的光敏三极管侧输出，通过PWM信号控制变压器隔离侧储能或向光耦LED放电，最后检测光耦输出PWM波的占空比，既实现了变压器低压侧等效电感的间接测量，也通过光耦实现了电平转换，便于接入后级不同供电电压的电路。如果使用多绕组的变压器，还可以对外部多个隔离的信号进行初步的逻辑与、逻辑或操作，再将运算后的信号传递到后级电路，可以实现单个开关量检测模块搭配多个隔离输入信号的方案，对于工业设备中常见的错误保护信号非常适用。

附图说明

图1为其中一实施例一种无源隔离式开关量检测电路示意图；

图2为另一实施例一种无源隔离式开关量检测电路示意图；

图3为另一实施例一种无源隔离式开关量检测电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

如图1所示，一种无源隔离式开关量检测电路，包括信号插座J1~J3，变压器T1，电容C1~C5，MOS管Q1，二极管D1，TVS管D2，光耦U1，电阻R1~R6，信号插座J1的1、2脚分别与变压器T1隔离侧的1、2脚连接，且分别通过电容C4、C5连接到隔离侧地电位，变压器T1低压侧的3、4脚先与TVS管D2两端连接，用于吸收经过变压器T1映射的隔离侧的强干扰信号，再连接到另一端均接低压地的电容C2、C3，最后分别串联电阻R5、R6连接到电源VCC，MOS管Q1的源极接地，栅极与信号插座J3连接，引出信号，漏极通过串联的电阻R2及R3与电源VCC连接，二极管D1的阳极接地，阴极通过电阻R2与MOS管Q1的漏极连接，光耦U1的1脚、2脚分别通过电阻R3、R4与电源VCC连接，电容C1串联在光耦U1的1脚、2脚之间，所述光耦U1的3脚接地，4脚通过电阻R1与逻辑电压VDD连接，同时连接到信号插座J2的1号脚，将信号引出，供外部电路使用。具体的，在本实施例中，可知的，电路接收外部开关量输入，并经过隔离侧的滤波保护电路进行必要的滤波后，接入隔离变压器的隔离侧；隔离变压器的低压侧接入低压侧保护电路，受低压侧驱动电路控制变压器的励磁电感的充放电，最后由电感至占空比转换电路，生成实际输出信号，其包含了隔离侧开关的闭合或开路的信息。具体的，在本实施例中，其原理如下，电路接收外部开关量输入，并经过隔离侧的滤波保护电路进行必要的滤波后，接入隔离变压器的隔离侧；隔离变压器的低压侧接入低压侧保护电路，受低压侧驱动电路控制变压器的励磁电感的充放电，最后由电感至占空比转换电路，生成实际输出信号，其包含了隔离侧开关的闭合或开路的信息。

运作时，高压电容C4、C5构成隔离侧吸收电路，用于抑制外部导线上感应的电压尖峰和提供隔离侧共模电压通路；变压器T1的1、2脚分别连接至隔离侧开关量输入插座J1的1、2脚，且分别经过高压电容C4、C5连接到隔离侧地电位。吸收电阻R5、R6，吸收电容C2、C3，TVS管D2构成低压侧保护电路，TVS管D2用于吸收经过变压器T1映射的隔离侧的强干扰信号，C2、C3用于提供共模电压通路，R5、R6在瞬态干扰过程中起到限制冲击电流的作用，并于C2、C3形成低通滤波器降低对低压侧电路的干扰；变压器T1的3、4脚分别先连接双向TVS管D2的两端，再连接到另一端均接低压地的电容C2、C3，最后分别串联R5、R6连接到VCC，和阳极端接低压地的二极管D1的阴极。

限流电阻R2与MOS管Q1构成限流驱动电路，用于向变压器T1的励磁电感提供受电源VCC和限流电阻R2控制的、稳态下近似恒流的充电电流；Q1的源极接低压地电位，漏极串接R2后连接到D1的阴极，栅极经插座J3的1号脚引出，受外部电路控制。

泄放电阻R3、限流电阻R4、吸收电容C1和钳位二极管D1构成光耦保护和驱动调整电路，用于优化光耦LED导通、关断瞬态过程的快速性，同时钳位二极管D1起到限制光耦LED反压的保护作用；光耦U1中LED的阳极即1脚，直接连接到D1的阴极，同时通过串联R3连接到VCC；U1中LED的阴极，即2脚，通过串联R4连接到VCC，同时并联C1连接到U1中LED的阳极。

光耦U1中光敏三极管的发射极，即3脚，连接低压侧地电位，集电极，机4脚，经过上拉电阻R1连接到后级控制电路的逻辑电压VDD，同时连接到信号输出插座J2的1号脚，将信号引出，供外部电路使用。

不同于以往的光耦隔离电路，本实用新型利用变压器的励磁电感作为储能元件，当变压器的隔离侧短路时,折射到低压侧的低阻抗将励磁电感短路，使变压器失去储存能量的能力，反之隔离侧开路时，低压侧呈现变压器的励磁电感，通过电流时该励磁电感可以储存一定的能量，利用电感的继流特性驱动光耦LED，即可将电感量大小的信息转换为数字量，实现了将隔离侧开关是否闭合的信息传递到低压侧的功能。

由于上述特性，隔离侧不需要供电即可实现开关量的传递，相比现有光耦隔离方案在供电方面更加简单，能够消除电源带来的杂散电容对强干扰环境下的系统抗干扰能力的劣化作用、降低系统成本和复杂程度，隔离侧无源也提高了系统的可靠性，大幅降低了强干扰信号导致例如光耦击穿、隔离电源绝缘不足导致电路故障的几率；本实用新型提出的开关量检测电路的隔离侧至低压侧的耐压仅由变压器决定，用户可以根据所需的耐压等级调整变压器的工艺，大幅降低了应用隔离式开关量检测电路的系统通过安规测试的器件选型、设计难度。

除上述特性之外，基于本实用新型提出的电路，可以利用外接的PWM发生器发出频率、占空比可调的PWM波，根据不同的电感量和不同的低压侧供电电压进行调整，可以快速匹配不同的隔离变压器，达到高兼容性的效果。

在本实施例中，J1连接外部开关，J2、J3中的1号脚分别连接到外部单片机具备的PWM捕获和PWM发生功能的引脚，即MOS管Q1的栅极受PWM信号驱动，光耦U1的4脚经过配合上拉电阻R1产生PWM输出信号，外部电路通过检测该PWM信号的占空比判断J1上连接的开关的闭合状态。

Q1导通时，变压器T1的励磁电感通过R5、R6、R2、Q1，在VCC与地电位间形成回路进行充电，根据实际励磁电感，根据VCC调整R2的阻值，以控制该回路最大允许通过的电流使得T1不进入饱和状态，同时能存储足够多的能量驱动光耦U1的LED发光；再调整Q1栅极PWM信号的占空比与频率，确保在每个Q1导通的时间段内，该回路电流都能够达到受VCC与R2控制的该回路的最大电流，以保证测量的一致性和准确性。

Q1关断时，变压器T1的励磁电感通过R5、R6、R4、R3、C1、光耦U1的LED继流，如果J1连接的外部开关开路，变压器T1将能够储存足够的能力将光耦U1的LED点亮，使光耦的光电三极管触发并输出信号；如果J1连接的外部开关短路，映射到低压侧的低阻抗将会短路变压器T1的励磁电感，使其失去储能作用，光耦U1的LED不能被点亮，输出侧也不会出现动作波形。

在Q1栅极PWM信号频率和占空比较低的情况下，或者外接开关阻抗从开路缓慢降低至短路过程中，变压器T1的励磁电感的电流将会进入非连续模式，钳位二极管D1的阴极节点电压将会出现振荡；由于VCC典型值为5V，光耦U1的发光二极管反向耐压典型值为6.5V，为了保护光耦U1的发光二极管不被反向击穿，在保证光耦U1的发光二极管能够稳定触发的情况下增加C1的容值，此外优选地，D1使用肖特基二极管，以降低反向钳位的电压，实现对光耦的LED更好的保护效果。

作为一种可选的实施例，外部单片机使用同一个具备多路同频PWM输出和输入脉冲边沿捕获能力的定时器外设，能够实现同步检测，可以进一步提升本实用新型提出电路的抗干扰能力。

作为一种可选的实施例，Q1选用VGth小于2.5V的MOS管，以兼容5V和3.3V的单片机I/O电压。

作为一种可选的实施例，VCC使用+5V，VDD根据单片机I/O供电选择对应的5V或3.3V电压。

作为一种可选的实施例，定时器PWM输出配置为5KHz，50%占空比，驱动Q1进行开关动作，且确保电路参数合适，满足变压器励磁电感处于非连续模式。

由于C1和C3的储能作用，在Q1关断后延迟一定时间，光耦U1中的光敏三级管才会动作；定时器的另一个通道配置为输入捕获模式，下降沿触发，接收光耦的光敏三级管的输出信号，在这种配置下，定时器输入捕获的边沿将始终位于整个PWM周期的50~100%的区域内，通过软件进行检测是否每个周期都测量到触发事件，且触发区域位于上述区域，则认为外部开关没有闭合；如果在一个PWM周期内没有检测到触发信号，则认为外部开关闭合；如果输入捕获的边沿落在了0%~50%的区间内，则认为本次触发由干扰引起，维持上一周期的判断结果，最后对单周期的判别结果进行软件滤波、消抖，即可以实现稳定的外部开关状态检测。

实施例

在实施例一的基础上，如图2所示，所述J2、J3的1号脚分别连接到外部单片机具备的PWM捕获和PWM发生功能的引脚，MOS管Q1的栅极受PWM信号驱动，光耦U1的4脚经过配合上拉电阻R1产生PWM输出信号，外部电路通过检测该PWM信号的占空比判断J1上连接的开关的闭合状态。具体的，本实施例采用单片机方案，检测外部开关量信号的有无，同时能够判别外部开关的接触电阻是否满足系统设计的范围，否则可以提醒用户检查外部开关是否出现泡水、阻值偏移的情况，例如受潮引起的外部开关开路情况下存在较小阻值、或开关接触不良导致开关闭合时阻值偏大的情况。

本实施例的其它方面和实施例一相同，但输入捕获配置为上升沿触发，在判断输入捕获的边沿位于PWM周期内的区域时，设计人员需要根据实际应用中的电感、PWM频率建立模型，或将外部开关替换成可变电阻进行测试，例如，外接开关正常的情况下，闭合时电阻小于100Ω，开路时电阻大于10KΩ，记录实际测试得到的正常闭合最大阻值和开路最小阻值对应的输入捕获边沿在PWM周期中的位置，例如55%和85%，再考虑变压器工艺带来的励磁电感波动，适当扩宽阈值，例如60%和80%，那么当触发区域位于80%至100%的区间内，认为外部开关开路；若当前周期没有检测到触发信号，认为外部开关闭合；若触发区域长时间位于60%~80%的区间内，则认为外部开关受潮或接触阻值过大，可以依此进行报警，满足系统自检的需求。

作为一种可选的实施例，所述外部单片机内集成有具备多路同频PWM输出和输入脉冲边沿捕获能力的定时器外设。

实施例

在实施例一的基础上，如图3所示，所述Q1的栅极用于与PWM发生器U2的3脚连接，PWM发生器U2的7脚通过电阻R7接电源VCC，PWM发生器U2的2脚、6脚通过电阻R6、R7接电源VCC，并同时通过电容CT接地，所述光耦U1的3、4号脚之间加入串联的Rf及Cf滤波电路，将PWM信号转换为平滑的直流电。本实施例中，变压器T1的隔离侧信号开关J1接入一个开关K1，或者直接使用开关K1串联在变压器T1隔离侧电路上。所述PWM发生器U2的型号为NE555，用于产生定频、定占空比的PWM信号。设计人员根据所需的PWM占空比和频率，调整RA、RB、CT，使NE555的PWM输出信号满足要求。即，当开关K1开路时，光耦U1的光敏三极管不动作，后级系统将在输出端口上检测到高电平VDD；当外部开关K1闭合短路时，光耦U1的光敏三极管输出PWM信号，经Rf和Cf滤波后输出一个小于0.5倍VDD的电压，后级电路通过比较器判断是否满足上述两种条件中的任一种，从而判断K1的闭合与否。本方案可以在没有单片机的简单系统当中工作，相比实施例一和实施例二，简化开关量判定过程。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种无源隔离式开关量检测电路，其特征在于：包括信号插座J1~J3，变压器T1，电容C1~C5，MOS管Q1，二极管D1，TVS管D2，光耦U1，电阻R1~R6，信号插座J1的1、2脚分别与变压器T1隔离侧的1、2脚连接，且分别通过电容C4、C5连接到隔离侧地电位，变压器T1低压侧的3、4脚先与TVS管D2两端连接，用于吸收经过变压器T1映射的隔离侧的强干扰信号，再连接到另一端均接低压地的电容C2、C3，最后分别串联电阻R5、R6连接到电源VCC，MOS管Q1的源极接地，栅极与信号插座J3连接，引出信号，漏极通过串联的电阻R2及R3与电源VCC连接，二极管D1的阳极接地，阴极通过电阻R2与MOS管Q1的漏极连接，光耦U1的1脚、2脚分别通过电阻R3、R4与电源VCC连接，电容C1串联在光耦U1的1脚、2脚之间，所述光耦U1的3脚接地，4脚通过电阻R1与逻辑电压VDD连接，同时连接到信号插座J2的1号脚，将信号引出，供外部电路使用。

2.如权利要求1所述的一种无源隔离式开关量检测电路，其特征在于：所述J2、J3的1号脚分别连接到外部单片机具备的PWM捕获和PWM发生功能的引脚，MOS管Q1的栅极受PWM信号驱动，光耦U1的4脚经过配合上拉电阻R1产生PWM输出信号，外部电路通过检测该PWM信号的占空比判断J1上连接的开关的闭合状态。

3.如权利要求2所述的一种无源隔离式开关量检测电路，其特征在于：所述外部单片机内集成有具备多路同频PWM输出和输入脉冲边沿捕获能力的定时器外设。

4.如权利要求1所述的一种无源隔离式开关量检测电路，其特征在于：所述Q1的栅极用于与PWM发生器U2的3脚连接，PWM发生器U2的7脚通过电阻R7接电源VCC，PWM发生器U2的2脚、6脚通过电阻R6、R7接电源VCC，并同时通过电容CT接地，所述光耦U1的3、4号脚之间加入串联的Rf及Cf滤波电路，将PWM信号转换为平滑的直流电。

5.如权利要求4所述的一种无源隔离式开关量检测电路，其特征在于：所述PWM发生器U2的型号为NE555，用于产生定频、定占空比的高频PWM信号。