新型磁耦合隔離電路設計

摘要：在電路設計中，數(shù)字信號的隔離傳輸電路是比較常用電路之一，一般的磁耦合隔離電路只適合于傳輸高頻信號，對于低頻或直流信號劃無能為力。為了實現(xiàn)磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號的功能，用一串窄脈沖代表數(shù)字信號的狀態(tài)改變，以窄脈沖的磁隔離傳輸代替低頻數(shù)字信號的磁隔離傳輸，以上電復位電路確定磁隔離傳輸電路的初始狀態(tài)，在確定的初始狀態(tài)和信號狀態(tài)變化脈沖的共同作用下，在磁隔離電路的輸出端完整恢復需要傳輸?shù)臄?shù)字信號，從而實現(xiàn)低頻或直流信號的磁耦隔離傳輸。使用該設計可以拓展磁耦合隔離技術的應用領域，降低電路功耗。
關鍵詞：磁耦合隔離；脈沖變壓器；CPLD；VHDL

在醫(yī)療設備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設計中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來說，常用的隔離方式有光耦合隔離和磁耦合隔離兩種，光耦合隔離方式適合傳輸?shù)皖l信號和直流信號，但功耗較大；磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號，不能用于直流或低頻信號的傳輸，且需要對隔離輸出信號整形后才能為接收數(shù)字電路使用，但其功耗較小。
然而在大多數(shù)的隔離電路設計實踐中，往往既需要隔離傳輸?shù)皖l信號甚至是直流，又需要傳輸幾兆赫茲以上的高頻信號。例如在隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號有ADC的控制信號(直流電平)、ADC工作時鐘信號(幾兆甚至更高頻率的信號)，在這樣的應用條件下，如果單用光耦合隔離方式或磁耦合隔離方式都很難滿足電路的工作要求。兩種隔離方式組合工作又會使電路設計復雜，增加系統(tǒng)功耗。因此在數(shù)字寬頻隔離電路的設計中，要么選用響應頻率更高的光耦合隔離器件(同時帶來功耗增加、成本上升、時序調(diào)試困難等缺點)，要么設法解決磁耦合隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號的問題。
本文通過對磁耦合隔離原理的分析，提出一種磁耦合隔離電路改進方法，采用此方法后，可以使磁耦合隔離電路即能傳輸高頻信號，又能準確恢復低頻信號，從而很好的解決了磁耦合隔離電路不能傳輸?shù)皖l信號的問題，拓展磁耦合隔離電路的應用范圍。

1 磁耦合隔離電路的基本原理
磁耦合隔離(脈沖變壓器隔離)是指利用電磁感應原理，把需要傳輸?shù)淖兓盘柤釉谧儔浩鞯某跫壘€圈，該信號在初級線圈中產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場使次級線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級感應出與初級線圈激勵信號相關的變化信號輸出，在整個信號的傳輸過程中，初級與次級之間沒有發(fā)生電連接，從而達到隔離初次級的目的。
由于只有變化的信號電流才能在磁耦合隔離電路的初級產(chǎn)生變化磁場，從而在次級電路中感應出輸出信號，只有變化頻率高于某一值的信號才能在初次級之間傳輸，而變化頻率較低的信號在傳輸過程中會發(fā)生嚴重畸變，直流信號不能在初次級之間傳輸。因此普通的磁耦合隔離技術只能在高頻信號的隔離傳輸中使用。
磁耦合隔離的傳輸波形如圖1所示。

通過上圖可以看出，高頻信號(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔離傳輸，低頻信號(10 kHz)經(jīng)磁耦合隔離后波形畸變嚴重。由此證明，如不對磁耦合隔離電路進行改進，就不能應用于對低頻信號的隔離傳輸。為了使磁耦合隔離技術能夠應用于對低頻信號的隔離傳輸，本文設計了一種新型磁耦合隔離電路。