基于TMS320F2812泄漏電流測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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1．1．2 線性光耦隔離電路的設(shè)計(jì)
在電路設(shè)汁中，隔離傳輸電路是比較常用的電路之一，隔離就是將一部分與其他部分中的非理想影響分離開(kāi)來(lái)，在電子電路中，電介質(zhì)通過(guò)阻斷直流(DC)電來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信點(diǎn)的隔離。泄漏電流測(cè)試需要加上工頻電壓及以上的高電壓，期間即使流過(guò)很小的交流(AC)電流，也會(huì)給人體造成致命的傷害。設(shè)計(jì)隔離電路的作用就是使人體免受危險(xiǎn)電壓或危險(xiǎn)電流的損壞。高壓與低壓隔離電路如圖4所示。
在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、高精度數(shù)據(jù)采集、長(zhǎng)距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來(lái)說(shuō)，隔離分為光耦隔離、電磁隔離和電容隔離、磁耦隔離四種方法，下面介紹各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
(1)光電隔離技術(shù)
光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層(例如：空氣間隙)上的光傳輸，以達(dá)到隔離目的。光耦合器(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出，這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，光具有對(duì)外部電子或磁場(chǎng)內(nèi)在的抗擾性，而且，光耦合技術(shù)允許使用恒定信息傳輸。光耦合器的不足之處主要體現(xiàn)在速度限制、功耗以及LED老化上。還有，光耦合隔離方式適合傳輸?shù)皖l信號(hào)和直流信號(hào)，且功耗較大。
(2)電磁隔離技術(shù)
電感耦合技術(shù)使用兩個(gè)線圈之間的變化磁場(chǎng)在一個(gè)隔離層上進(jìn)行通信。最常見(jiàn)的例子就是變壓器，其磁場(chǎng)大小取決于主級(jí)和次級(jí)繞組的線圈結(jié)構(gòu)(匝數(shù)／單位長(zhǎng)度)、磁芯的介電常數(shù)以及電流振幅。電感耦合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可能存在的共模差異和差分傳輸特性。變壓器的精心設(shè)計(jì)允許噪聲和信號(hào)頻率重疊，但是會(huì)呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號(hào)低差分阻抗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)能量傳輸可達(dá)到近100％的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。其主要缺點(diǎn)是對(duì)外部磁場(chǎng)(噪聲)的磁化。
(3)電容隔離技術(shù)
電容耦合技術(shù)是在隔離層上采用一個(gè)不斷變化的電場(chǎng)傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個(gè)電介質(zhì)隔離器，并形成隔離層。該極板尺寸、極板之間的間隔和電介質(zhì)材料等都決定著電氣性能。使用一個(gè)電容隔離層的好處是，在尺寸大小和能量傳輸方面的高效率，以及對(duì)磁場(chǎng)的抗擾度。電容耦合技術(shù)的缺點(diǎn)是其沒(méi)有差分信號(hào)和噪聲，并且信號(hào)共用相同的傳輸通道，這一點(diǎn)與變壓器不同。這就要求信號(hào)頻率要大大高于噪聲預(yù)期頻率，這樣隔離層電容就呈現(xiàn)出信號(hào)的低阻抗，以及噪聲的高阻抗。
(4)磁耦隔離技術(shù)
磁耦技術(shù)是一種芯片級(jí)變壓器隔離技術(shù)。Icoupler磁耦數(shù)字隔離器就是在上述背景下，由美國(guó)模擬器件公司ADI設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款適合高壓環(huán)境的隔離電路。Icoupler是ADI公司的一項(xiàng)專利隔離技術(shù)，是一種基于芯片尺寸的變壓器，而非傳統(tǒng)的基于光電耦合器所采用的發(fā)光二極管(LED)與光敏三極管的結(jié)合，因采用了高速的iCOMS工藝，因此在功耗、體積、集成度、速度等各方面都優(yōu)于光耦技術(shù)。同時(shí)能滿足醫(yī)用設(shè)備高電壓工業(yè)應(yīng)用、電源以及其他高隔離度環(huán)境的嚴(yán)格隔離要求，非常適合在各種工業(yè)上的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口、各種總線隔離以及其他多通道隔離應(yīng)用。磁耦產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)有：
速度高 最高速率可達(dá)到150 Mb／s；
功耗低 工作時(shí)的功耗僅為傳統(tǒng)光耦產(chǎn)品的1／10，最小工作電流為0．8 mA；
性能更高 時(shí)序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器；瞬態(tài)抗擾度可高達(dá)25 kV／μs。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的兩倍，并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍。
體積更小 集成度更高，最多一個(gè)芯片上集成了4個(gè)通道；PCB節(jié)省60％～70％左右，采用了低成本SOIC封裝；
應(yīng)用方便 同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道，而且不用任何外圍分立元件；
可靠性高 壽命長(zhǎng)，省去傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換部分，壽命與其他CMOS器件相同；
當(dāng)然，磁耦合隔離方式適合傳輸高頻信號(hào)，不能用于直流或低頻信號(hào)的傳輸，且需要對(duì)隔離輸出信號(hào)整形后才能為接收數(shù)字電路使用，但其功耗較小。
在泄漏電流隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號(hào)有ADC控制信號(hào)(直流電平)、ADC工作時(shí)鐘信號(hào)(幾兆甚至更高頻率的信號(hào))，在這樣的應(yīng)用條件下，如果用普通的光耦隔離器件，只能隔離直流或者低頻信號(hào)，所以采用光耦技術(shù)很難滿足對(duì)泄漏電流隔離的需求。而磁耦隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號(hào)以及直流信號(hào)，且磁耦隔離對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸性能較好，即使傳輸模擬信號(hào)，也會(huì)引起信號(hào)的失真，解決方法就是可以對(duì)需要傳輸?shù)哪M信號(hào)進(jìn)行電平抬高，使得模擬信號(hào)的最小電流值可以驅(qū)動(dòng)隔離器件工作，才會(huì)保證被傳輸信號(hào)的不失真。另外一個(gè)解決的方法就是如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號(hào)調(diào)制到高頻載波上，再用磁耦合隔離電路隔離傳輸，在接收端再用解調(diào)電路提取出低頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號(hào)的目的。本文設(shè)計(jì)的新型磁耦合隔離電路不用調(diào)制和解調(diào)電路就可以實(shí)現(xiàn)低頻和直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小，信號(hào)傳輸延遲很小。
本文采用模擬隔離放大器進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象電氣上的隔離，選用高線性度模擬光電耦合器HCNR201，其主要參數(shù)介紹如下：具有±5％的傳輸增益誤差和±0．05％的線性誤差；具有大于1 MHz的頻帶帶寬；輸入電壓范圍為0～15 V。電路如圖5所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/193999.htm
評(píng)論