基于TMS320F2812泄漏電流測試系統(tǒng)的設(shè)計
加入技術(shù)交流群
1．1．2 線性光耦隔離電路的設(shè)計
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來，在電子電路中，電介質(zhì)通過阻斷直流(DC)電來實現(xiàn)兩個通信點的隔離。泄漏電流測試需要加上工頻電壓及以上的高電壓，期間即使流過很小的交流(AC)電流，也會給人體造成致命的傷害。設(shè)計隔離電路的作用就是使人體免受危險電壓或危險電流的損壞。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、長距離通信、高低壓混合系統(tǒng)等電路設(shè)計中，經(jīng)常要用到隔離電路，一般來說，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。
(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，以達到隔離目的。光耦合器(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出，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)點是，光具有對外部電子或磁場內(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信號和直流信號，且功耗較大。
(2)電磁隔離技術(shù)
電感耦合技術(shù)使用兩個線圈之間的變化磁場在一個隔離層上進行通信。最常見的例子就是變壓器，其磁場大小取決于主級和次級繞組的線圈結(jié)構(gòu)(匝數(shù)／單位長度)、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)計允許噪聲和信號頻率重疊，但是會呈現(xiàn)出噪聲高共模阻抗和信號低差分阻抗。另一個優(yōu)點是，信號能量傳輸可達到近100％的效率，從而使低功耗隔離器成為可能。其主要缺點是對外部磁場(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不斷變化的電場傳輸信息。各電容器極板之間的材料是一個電介質(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，以及對磁場的抗擾度。電容耦合技術(shù)的缺點是其沒有差分信號和噪聲，并且信號共用相同的傳輸通道，這一點與變壓器不同。這就要求信號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，由美國模擬器件公司ADI設(shè)計開發(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)點有：
速度高 最高速率可達到150 Mb／s；
功耗低 工作時的功耗僅為傳統(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)傳輸速率和時序精度是其10倍。
體積更小 集成度更高，最多一個芯片上集成了4個通道；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，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，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。
在泄漏電流隔離數(shù)據(jù)采集電路中，需要隔離的信號有ADC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(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，所以采用光耦技術(shù)很難滿足對泄漏電流隔離的需求。而磁耦隔離器件不能傳輸?shù)皖l信號以及直流信號，且磁耦隔離對數(shù)字信號的傳輸性能較好，即使傳輸模擬信號，也會引起信號的失真，解決方法就是可以對需要傳輸?shù)哪M信號進行電平抬高，使得模擬信號的最小電流值可以驅(qū)動隔離器件工作，才會保證被傳輸信號的不失真。另外一個解決的方法就是如果將需要傳輸?shù)牡皖l信號調(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，可以實現(xiàn)用磁耦合隔離電路傳輸?shù)皖l信號的目的。本文設(shè)計的新型磁耦合隔離電路不用調(diào)制和解調(diào)電路就可以實現(xiàn)低頻和直流信號的磁耦合隔離傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，信號傳輸延遲很小。
本文采用模擬隔離放大器進行隔離，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測對象電氣上的隔離，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://cafeforensic.com/article/193999.htm
評論