一款基于電容的電磁全隔離直流電源傳輸電路設(shè)計(jì)

高性能的電子電路要求高度潔凈的電源。然而目前在供電線路上的各種電器設(shè)備會(huì)產(chǎn)生許多高次諧波，對供電質(zhì)量造成影響。開關(guān)型穩(wěn)壓電源以及DC-DC變換器都在輸入回路中采用開關(guān)管作為斬?cái)嚯娏鞯钠骷?。高頻變壓器把脈動(dòng)的電流信號(hào)由初級(jí)回路傳輸?shù)酱渭?jí)回路，再通過采樣反饋到初級(jí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。在典型的電源電路中，盡管輸入端與輸出端不共地，但高頻變壓器作為電磁耦合通道，其傳遞函數(shù)有一定的頻率選擇性。輸入端電源窄脈沖干擾含有十分豐富的頻率分量，會(huì)耦合到輸出端，使電源的供電質(zhì)量下降，存在使微機(jī)程序跑飛的可能性。

本文提出了一種基于電容的全隔離直流電源傳輸電路，它依靠幾組電容存儲(chǔ)電荷來實(shí)現(xiàn)傳輸電能。由于電路輸入、輸出端不存在電磁耦合通路，電路實(shí)現(xiàn)了完全的電磁隔離。

電路總體結(jié)構(gòu)

本直流傳輸電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 直流傳輸電路系統(tǒng)框圖

圖1中A是MOS管的陣列，B是電容的陣列，C是光電耦合器的陣列，D是穩(wěn)壓電路，E是電壓比較器，F(xiàn)是單片機(jī)。

光電耦合器控制MOS管的導(dǎo)通與斷開，從而控制電容的工作狀態(tài)。而光電耦合器的控制信號(hào)來自單片機(jī)。單片機(jī)的觸發(fā)信號(hào)來自穩(wěn)壓電路與電壓比較器組成的判決電路。

穩(wěn)壓電路將輸出電壓穩(wěn)定為固定值，分壓后作為閾值電壓Vth。電壓比較器將輸出電壓Vout 與閾值電壓Vth 比較，若Vout 小于Vth ，觸發(fā)單片機(jī)。單片機(jī)收到觸發(fā)信號(hào)后，控制光電耦合器的導(dǎo)通與斷開，從而控制MOS管的導(dǎo)通與斷開，改變電容的工作狀態(tài)。

供電及電磁隔離的原理

為了利用電容給負(fù)載供電并且同時(shí)保證負(fù)載兩端電壓的穩(wěn)定，采用多個(gè)電容是理想的解決方法。可以將多個(gè)電容分為兩組，在同一時(shí)刻，保證有一組電容給負(fù)載供電而另外一組接受外部電源的充電。在單片機(jī)控制下的MOS管實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的電磁隔離。

圖2 電容、MOS管、光電耦合器的連接圖

圖2表示電容、MOS管、光電耦合器的連接圖，即圖1中的A、B、C的連接。 其中#1、#2、#3、#4接單片機(jī)的四個(gè)輸出端口。

當(dāng)#1為高電平，#2為低電平時(shí)，輸入端的兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，電容處于充電狀態(tài)。

當(dāng)#1為低電平，#2為高電平時(shí)，輸出端的兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，電容處于給負(fù)載供電狀態(tài)。

當(dāng)#1為低電平，#2為低電平時(shí)，輸入端和輸出端的MOS管關(guān)斷，電容處于懸空狀態(tài)。

而#1、#2都為高電平的情況是不允許的，這相當(dāng)于把輸入端與輸出端連接起來，輸入端的電磁干擾就會(huì)傳遞到輸出端。在單片機(jī)編程時(shí)可以避免這種情況。

#3、#4的情況同#1、#2。

如圖1和圖2所示，電路輸入端與輸出端采用不同的“地”，避免電磁干擾通過共接的“地”傳遞到輸出端。

下面對兩組電容工作的時(shí)序進(jìn)行詳細(xì)的分析。以四個(gè)電容為例，分兩組，每組兩個(gè)電容。

圖3表示出兩組電容的工作時(shí)序。

圖3體現(xiàn)了本電路在時(shí)序上的兩個(gè)特點(diǎn)。第一，在同一組電容中，充電與供電狀態(tài)之間存在一個(gè)懸空狀態(tài)，即電容與輸入、輸出端都斷開，從而使輸入、輸出端之間不可能存在電磁耦合通路。第二，兩組電容輪流供電時(shí)，有一段共同供電的時(shí)間，保證在任意時(shí)刻都有電容給負(fù)載供電，從而避免了兩組電容同時(shí)切換帶來的輸出電壓的突變，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖4 兩組電容的電壓隨時(shí)間變化圖

圖4表示了與圖3對應(yīng)的兩組電容的電壓變化。

單片機(jī)編程流程

圖5中，“1H,2L,3H,4L”表示控制端口1為高電平，2為低電平，3為高電平，4為低電平。其它依此類推。

單片機(jī)按照圖3工作。在單片機(jī)編程時(shí)，用到三個(gè)延時(shí)：充電延時(shí)t1 ，懸空延時(shí)t2 ，和供電延時(shí) t5。

結(jié)論

本文介紹了一種基于電容的電磁干擾全隔離直流傳輸電路。電容擁有的電荷存儲(chǔ)特性以及MOS管和光電耦合器的運(yùn)用，使得該電路可以將輸出端與來自輸入端的電磁干擾完全隔離，從而有效地抑制了來自電源的傳導(dǎo)干擾，可以廣泛地使用在電磁環(huán)境惡劣的電源電路中。