新型磁耦合隔離電路設(shè)計(jì)

摘要：在電路設(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)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(hào)，對(duì)于低頻或直流信號(hào)劃無(wú)能為力。為了實(shí)現(xiàn)磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號(hào)的功能，用一串窄脈沖代表數(shù)字信號(hào)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(hào)的磁隔離傳輸，以上電復(fù)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(hào)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(fù)需要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)低頻或直流信號(hào)的磁耦隔離傳輸。使用該設(shè)計(jì)可以拓展磁耦合隔離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，降低電路功耗。
關(guān)鍵詞：磁耦合隔離；脈沖變壓器；CPLD；VHDL

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)，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(hào)和直流信號(hào)，但功耗較大；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。
然而在大多數(shù)的隔離電路設(shè)計(jì)實(shí)踐中，往往既需要隔離傳輸?shù)皖l信號(hào)甚至是直流，又需要傳輸幾兆赫茲以上的高頻信號(hào)。例如在隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號(hào)有ADC的控制信號(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(huì)使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加系統(tǒng)功耗。因此在數(shù)字寬頻隔離電路的設(shè)計(jì)中，要么選用響應(yīng)頻率更高的光耦合隔離器件(同時(shí)帶來(lái)功耗增加、成本上升、時(shí)序調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn))，要么設(shè)法解決磁耦合隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號(hào)的問題。
本文通過(guò)對(duì)磁耦合隔離原理的分析，提出一種磁耦合隔離電路改進(jìn)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(hào)，又能準(zhǔn)確恢復(fù)低頻信號(hào)，從而很好的解決了磁耦合隔離電路不能傳輸?shù)皖l信號(hào)的問題，拓展磁耦合隔離電路的應(yīng)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(yīng)原理，把需要傳輸?shù)淖兓盘?hào)加在變壓器的初級(jí)線圈，該信號(hào)在初級(jí)線圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使次級(jí)線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級(jí)感應(yīng)出與初級(jí)線圈激勵(lì)信號(hào)相關(guān)的變化信號(hào)輸出，在整個(gè)信號(hào)的傳輸過(guò)程中，初級(jí)與次級(jí)之間沒有發(fā)生電連接，從而達(dá)到隔離初次級(jí)的目的。
由于只有變化的信號(hào)電流才能在磁耦合隔離電路的初級(jí)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，從而在次級(jí)電路中感應(yīng)出輸出信號(hào)，只有變化頻率高于某一值的信號(hào)才能在初次級(jí)之間傳輸，而變化頻率較低的信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，直流信號(hào)不能在初次級(jí)之間傳輸。因此普通的磁耦合隔離技術(shù)只能在高頻信號(hào)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(guò)上圖可以看出，高頻信號(hào)(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔離傳輸，低頻信號(hào)(10 kHz)經(jīng)磁耦合隔離后波形畸變嚴(yán)重。由此證明，如不對(duì)磁耦合隔離電路進(jìn)行改進(jìn)，就不能應(yīng)用于對(duì)低頻信號(hào)的隔離傳輸。為了使磁耦合隔離技術(shù)能夠應(yīng)用于對(duì)低頻信號(hào)的隔離傳輸，本文設(shè)計(jì)了一種新型磁耦合隔離電路。