第四章隔離型DCDC變換器

隔離型DC/DC變換器1概述非隔離的DC/DC變換器的局限性輸入輸出不隔離，形成地線上的環(huán)流輸入輸出電壓比或電流比不能太大無法實現(xiàn)多路輸出2解決方法采用變壓隔離器概述

理想變壓隔離器的特征從輸入到輸出能夠通過所有的信號頻率，即從理想的直流到交流都能變換；變換時可不考慮能量損耗；變換中能提供任何選定的電壓和電流變比能使輸入和輸出之間完全隔離變換時，無論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一樣方便有效3理想的變壓隔離器符號隔離型Buck變換器——單端正激變換器電路的構(gòu)成4基本buck變換電路拓撲Buck變換器工作波形隔離型Buck變換器——單端正激變換器電路的構(gòu)成5隔離型buck（正激Forward）變換器隔離型Buck變換器——單端正激變換器工作原理6N3+VD2：將殘存的能量饋送到輸入端，即進行磁復(fù)位。由于磁芯的磁滯效應(yīng)，當(dāng)具有非零直流平均電壓的單向脈沖加到變壓器初級繞組上，線圈電壓或電流回到零時，磁芯中磁通并不回到零，這就是剩磁通。剩磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和，因此需要采用磁復(fù)位（去磁技術(shù)）（2）電感L儲能，電流直線上升隔離型Buck變換器——單端正激變換器工作原理7能量傳遞階段VT導(dǎo)通UN2UO（1）經(jīng)變壓器耦合和二極管VD向負載傳輸能量。工作原理8隔離型Buck變換器——單端正激變換器磁復(fù)位階段VT截止（2）副邊：VD截止，VD1導(dǎo)通，L向負載釋放能量，電流直線下降。（1）原邊：磁芯中的剩磁能量通過VD2和N3向輸入電源饋送。工作原理9隔離型Buck變換器——單端正激變換器續(xù)流階段VD2截止磁芯中的能量釋放完畢。VD1導(dǎo)通或截止（1）如果電感儲能能夠維持電流連續(xù)至下個周期開始，VD1始終導(dǎo)通。（2）如果電感電流斷續(xù)，則VD1截止。工作原理10隔離型Buck變換器——單端正激變換器輸出電壓平均值VT截止時隔離型Buck變換器——單端正激變換器

正激變換器的設(shè)計開關(guān)管的選擇（1）開關(guān)管的漏極額定電流必須大于流過IGBT漏極實際電流IDmax。11（2）當(dāng)N1=N3時，開關(guān)管承受最大電壓為2Ui隔離型Buck變換器——單端正激變換器整流二極管、續(xù)流二極管的選擇（1）流過整流二極管和續(xù)流二極管中的電流峰值均為電感電流峰值（2）VD1承受最大電壓出現(xiàn)在VT導(dǎo)通時（3）VD承受最大電壓出現(xiàn)在VT截止時12隔離型Buck變換器——單端正激變換器多路輸出的正激變換器原理圖13參考電壓隔離型Buck變換器——單端正激變換器例1前頁所示正激變換器，輸入電源電壓60V，二次主輸出的平均輸出電壓為5V,開關(guān)頻率為1kHz，輸出電感電流紋波最大值為0.1A，原邊邊繞組匝數(shù)60，匝比Nr/Np等于1。求：

（1）副邊主繞組匝數(shù)最小值Nsm；（2）輸出濾波電感Lom的值。14回顧：右手定則磁場方向電流方向磁場方向

電流方向11安培環(huán)路定律矢量H沿任意閉合曲線的積分等于此閉合曲線所包圍的所有電流的代數(shù)和(圖1.6),即dlHαI1I2I3根據(jù)右圖,方程右邊I416磁場強度單位如果磁場強度H與閉合路徑方向一致,閉合路徑的積分為

在MKS制中磁場強度單位為安/米.而在CGS制中為奧斯特,簡稱奧,代號Oe.它們之間的變換關(guān)系為17電磁感應(yīng)定律楞次定律SN運動方向18電磁感應(yīng)定律如果是多匝線圈式中：Ψ＝Nφ－磁鏈（Wb)韋伯19電路中的磁元件1、自感自感系數(shù)20即電感單位

L=伏.秒/安=歐秒=亨利簡稱亨,代號H電感的感應(yīng)電勢符號和單位+

u-電流增加-u+電流減少單位(亨)21自感電動勢與能量關(guān)系22能量關(guān)系互感線圈之間互感23N1N2i1i2φ11φ12互感系數(shù)MN1N2i1i2同名端用表示電壓平衡方程式如果兩個耦合線圈都流過增量電流有25耦合系數(shù)變壓器127空載：電壓激勵，初級次級：變比：變壓器2變壓器負載28u1u2N1N2kRLi1i2‘i’2＝N2i2/N1－次級反射電流單端正激變換器總結(jié)：1電路簡單，多應(yīng)用于中，小功率電路；2變壓器與儲能電感分離，但正激需要B-H工作于1象限，所以電路需增加磁復(fù)位輔助電路；3輸入電流是脈動的，有較大尖峰出現(xiàn)，對器件要求較高，一般最大值為平均值的4-5倍。COMEON隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器

電路的構(gòu)成29基本Buck-Boost變換器隔離型Buck-Boost變換器電感—>隔離變換器隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器電路的構(gòu)成(變壓器N2反繞)30單端反激式（Flyback）變換器VT導(dǎo)通時，VD截止VT截止時，VD導(dǎo)通電感儲能型變換器導(dǎo)通終了時，i1的幅值隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器

工作原理31VT導(dǎo)通時，VD截止i1i2流過N1的電流VT截止時，VD導(dǎo)通I2p為VT截止時i2的幅值流過N2的電流隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器3種工作狀態(tài)變壓器磁通臨界連續(xù)狀態(tài)32VT截止時間toff和繞組N2中電流i2衰減到零所需的時間相等隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器變壓器磁通不連續(xù)狀態(tài)34VT截止時間toff比繞組N2中電流i2衰減到零所需的時間更長即toff>(L2/UO)I2P隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器

變壓器磁通連續(xù)狀態(tài)35VT截止時間較小，toff<(L2/UO)I2P，即I2min>0隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器電壓傳輸比36VT導(dǎo)通VT截止伏秒平衡隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器輸入輸出電壓關(guān)系37即輸入功率為VT導(dǎo)通期間，變壓器T儲能輸出功率為假定電路無損結(jié)論：（1）Uo與負載RL有關(guān)，RL↑→Uo↑（2）Uo與導(dǎo)通時間成正比（3）與電感量L1成反比教材P69隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器

開關(guān)管承受電壓38VT截止時，N1上的感應(yīng)電勢VT截止時，漏-源承受的電壓隔離型Buck-Boost變換器——單端反激變換器

變換器的設(shè)計變壓器磁通不連續(xù)39開關(guān)管的選擇整流二級管的選擇單端反激變換器總結(jié)：1電路簡單，廣泛應(yīng)用于50W以下電路；2變壓器同時充當(dāng)儲能電感器，設(shè)計時比較困難；3輸入、輸出電流都有較大尖峰出現(xiàn)，而且都是脈動的。雙端變壓器隔離變換器1、單端變壓器無論是正激還是反激，功率管在開關(guān)翻轉(zhuǎn)瞬間要承受2Vi。2、變壓器只工作于第一象限，幾個周期后，很容易進入“磁飽和”，而且變壓器利用率低，只有50%。3、需要退磁電路設(shè)計。一、回顧單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)43使用單端變壓隔離器遇到的問題如何使變壓器磁芯在每個脈動工作磁通之后都能回復(fù)到磁通起始值去磁復(fù)位問題開關(guān)導(dǎo)通時，電流很大開關(guān)斷開時，過電壓很高如果每個周期不去磁，剩余磁通的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)磁芯復(fù)位線路種類44把磁芯殘存能量自然地轉(zhuǎn)移，在為了復(fù)位所加的元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端方法一

通過外加能量的方法強迫磁芯的磁狀態(tài)復(fù)位方法二采用哪種方法取決于功率P的大小和所使用的磁芯磁滯特性而定單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)2種典型的磁芯磁滯特性曲線45低Br鐵氧體、鐵粉磁芯、非晶合金磁芯復(fù)位常用轉(zhuǎn)移損耗法，線路簡單可靠高Br無氣隙的晶粒取向鎳－鐵合金磁芯復(fù)位常用強迫法，線路較復(fù)雜單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)

低Br的去磁方法46轉(zhuǎn)移損耗法磁芯去磁線路單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)低Br的去磁方法47再生式磁芯去磁線路（a）能量－>電源（b）能量－>負載單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)高Br的去磁方法48強制磁芯去磁各種方法（a）加恒流源和變壓器附加繞組（b）外部加永久磁鐵單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)高Br的去磁方法49強制磁芯去磁各種方法（c）利用濾波電感作為恒流源單端變壓隔離器的磁通復(fù)位技術(shù)

高電壓源變換器中去磁電路50雙開關(guān)、單端去磁線路利用原邊繞組本身雙管正激式DC/DC變換器

電路結(jié)構(gòu)51

工作原理VT1、VT2同時動作VT1、VT2同時導(dǎo)通：UNP－>UNS，iVD3↑，iVD4

關(guān)閉IP=IS/n（n=NP/NS）VT1、VT2同時關(guān)斷：VD1，VD2將N1磁能量反饋回Ui，并嵌位；VD3關(guān)斷，VD4

續(xù)流導(dǎo)通注意點：D≤0.552雙端變壓隔離電路開關(guān)管輪流工作分類：1、推挽式2、半橋式3、全橋式一、推挽式雙端變換器T1導(dǎo)通D4導(dǎo)通（L儲能）占空比D＜0.5，ton1結(jié)束時，L通過D3放能T2導(dǎo)通D3導(dǎo)通（L儲能）占空比D＜0.5，ton2結(jié)束時，L通過D4放能四個工作狀態(tài)推挽式雙端變換器輸出電壓不足：1,、隔離變壓器N1利用率低50%2、功率管耐壓要求高2Ui3、存在“單向磁偏”，有可能損壞功率管二、全橋變換器57全橋變換器電路拓撲演變過程優(yōu)點：UVT1max＝UVT2max≈Ui缺點：變壓器利用率較低1.大功率場合常用電路2.VT1和VT4

、VT2和VT3同時導(dǎo)通3.變壓器得到充分利用全橋變換器

工作原理58t0~t1:uG1,4=1，VT1,VT4導(dǎo)通，UNP=Ui

；iVD5↑，iVD6↓－>VD5導(dǎo)通，VD6關(guān)斷t1~t2:uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4關(guān)斷；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui

t2~t3:uG2,3=1，VT2,VT3導(dǎo)通，UNP=-Ui

；iVD6↑，iVD5↓－>VD6導(dǎo)通，VD5關(guān)斷t3~t4:uG1,4=uG2,3=0，VT1～VT4關(guān)斷；uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui

全橋變換器緩沖器的組成及作用59三、半橋變換器

半橋變換器的構(gòu)成60半橋式變換器的電路拓撲1.用2個相同的電容器代替2個晶體管2.降低成本，增大電路體積3.常用于低功率變換器4.初級電壓峰值為全橋電路一半，電流為全橋的2倍半橋變換器

工作原理61t0~t1:uG1=1，VT1導(dǎo)通，UNP=(1/2)Ui

；iVD5↑，iVD6↓－>VD5導(dǎo)通，VD6關(guān)斷t1~t2:uG1=uG2=0，VT1、VT2關(guān)斷，UNP=0；uVT1=uVT2=(1/2)Ui

；

VD5、VD6均導(dǎo)通為L提供續(xù)流回路t2~t3:uG2=1，VT2導(dǎo)通，UNP=-(1/2)Ui

；iVD6↑，iVD5↓－>VD6導(dǎo)通，VD5關(guān)斷t3~t4:uG1=uG2=0，VT1、VT2關(guān)斷；uVT1=uVT2=(1/2)Ui

半橋變換器

分壓電容器C1，C2的選擇62初級電流VT1和VT2導(dǎo)通時，從A點充電或取電在半周期中，C1，C2兩個電容器補充電荷損失電容器上直流電壓變化的百分數(shù)與整流輸出電壓變化的百分數(shù)是相同的輸出電壓紋波百分數(shù)CF=C1+C2半橋變換器

偏磁現(xiàn)象及其防止方法偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同開關(guān)特性，導(dǎo)致伏秒不平衡，發(fā)生偏磁現(xiàn)象。63串聯(lián)耦合電容改善偏磁性能C3兩端直流電壓降變化速度的時間常數(shù)半橋變換器

串聯(lián)耦合電容的選擇初算電容量64初算電容器充電電壓是否過高或過低注：諧振頻率通常選fR=0.1fS半橋變換器

直通的可能性及其防止直通：VT1、VT2兩晶體管在某一時間內(nèi)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。防止方法：對驅(qū)動脈寬最大值加于限制。從拓撲上解決，采用交叉耦合封閉電路。65第四章拓展

光電隔離開關(guān)量的輸入輸出隔離主要有兩個目的：電氣隔離：防止被隔離兩邊的電噪聲干擾；電平轉(zhuǎn)換：兩邊的工作電平、電源電壓、信號極性都可以不同。1、廉價實用的TLP521-XTLP521-1TLP521-2TLP521-4圖1TLP521的各種封裝及引腳排列開關(guān)量的輸入隔離一般使用光電隔離器件?？梢允褂玫墓怆姼綦x器件很多，有許多器件性能相近，普通開關(guān)量的輸入隔離使用TLP521-X即可

工作頻率不高，一般限制在10KHZ以內(nèi)A圖輸入高電平，輸出高電平，輸入低電平，輸出低電平；

b圖輸入高電平，輸出低電平，輸入低電平，輸出高電平圖4.2基本的光電隔離電路（1）R1可按驅(qū)動電流5～10mA設(shè)計,選擇驅(qū)動發(fā)光二極管的驅(qū)動器件任意，只要能保證長時間提供5~10mA電流即可

（2）R2可取2.2K~10K，太小則電路功耗增大，太大則抗干擾能力減弱，且關(guān)斷時輸出端的上升速度將減慢,

VCCX=+5V時，R2可取3.3KVCCIN1VCCXDOUTGNDXR1R2TLP521基本的光隔電路（一）圖4.2基本的光隔電路（a）（1）此種接法更為常用（2）VCCX=+5V時，R4去掉

VCCX=+12V時，R4取6.8K(或改用ULN2004）

VCCX=+24V時，R4取20K(或改用ULN2002）VCCIN1VCCXULN2003R3R4TLP521基本的光隔電路（二）圖4.2基本的光隔電路（b）D1~D4用于輸入狀態(tài)的直觀顯示，R1~R4的輸入限流電阻，使用1/4瓦電阻即可。不使用D1~D4時，限流電阻取330Ω即可。輸出上拉電阻功耗較小，可以使用排阻。要求響應(yīng)速度較高時，排阻阻值應(yīng)適當(dāng)減小。圖中假設(shè)VCC和VCCX均為5V。圖4.3實用的隔離電路輸入TLP521的正常工作頻率應(yīng)限制在10kHz以下，在大于10kHz時，必須考慮負載電阻對工作頻率的影響。原則上，降低負載電阻阻值對工作頻率的提高有利，負載電阻最低可降至1kΩ。對波形要求較高的場合，工作頻率應(yīng)適當(dāng)降低，并應(yīng)在輸出端加接施密特觸發(fā)器整形電路。

圖4.4TLP521的負載電阻對開關(guān)時間的影響2、高頻脈沖的隔離對波形要求較高的場合，應(yīng)使用高頻特性好的光隔如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ)4N356N136光敏二極管的開關(guān)時間通常比光敏三極管小負載電阻越小，開關(guān)時間越短，光耦的開關(guān)速度越高。最小負載電阻可以小到500Ω。帶基極引腳的光耦，其基極應(yīng)使用一電阻接到集電極，阻值以50kΩ到100kΩ為佳。如省略該電阻，則開關(guān)時間會大4~5倍，則開關(guān)頻率就降低4~5倍。不應(yīng)該省略該電阻。圖4.54N35負載電阻及基極-發(fā)射極電阻對開關(guān)時間的影響影響工作頻率的因素：（1）負載電阻:越小，開關(guān)速度越快,最好不小于1000Ω（2）基極電阻:一般取50KΩ~100KΩLED+LED-NCBCEDINDOUT7406R1R1100kR3550ΩVCCVCCX4N35GNDX74LS14圖4.6可以工作到115.2波特的光隔電路（1）VCCX取5V時，負載電阻R3應(yīng)取2.2KΩ~3.3KΩ（2）74LS14用于整形，為保證輸出波形為理想的方波，防止出現(xiàn)干擾脈沖等非正常情況的發(fā)生，輸出端使用施密特觸發(fā)器對波形整形

DINDOUT7406R1R32.2KΩVCCVCCX6N136GNDX74LS14圖4.7用6N136的光隔電路

4.2DC-DC變換器的應(yīng)用從工作原理分，DC-DC變換器通常有電荷泵變壓、脈寬調(diào)制變壓、電荷泵與脈寬調(diào)制組合變壓、隔離變壓器變壓等多種。前幾種的變壓通常是全電子的，因而輸入與輸出無隔離；后者通?？商峁?000V以上的電壓隔離。集成電路DC-DC變換器電荷泵變壓、脈寬調(diào)制變壓、前二者的組合變壓隔離變壓器型DC-DC變換器,真正隔離獨立的直流電源是光電隔離電路的基本條件。DC-DC變換器通常可以提供幾毫安到數(shù)百毫安電流的各種隔離電壓輸出1、集成電路DC-DC變換器效率高、體積小、以小電流應(yīng)用為主(互補電壓：電路生成兩個模擬電壓，用一種互補方式可以改變這兩個電壓。當(dāng)直通輸出電壓上升時，互補的輸出電壓下降，反之亦然。兩個輸出電壓之和為恒定值：VOUT+VOUTC=VREF）（1）ICL7660Intersil公司輸出：1.5V~10V輸：互補電壓（通常為正電壓入、負電壓出)主要用于單電源供電的A/D轉(zhuǎn)換場合（2）MAX640/MAX848Maxim公司輸入：5V輸出：3.3V,典型應(yīng)用為給低電壓器件供電（3）MAX735輸入：4V~6.2V輸出：－5V（4）MAX737輸入：4V~8.6V輸出：－15V-15V輸出可給LCD提供負偏置電壓單電源輸出變換器（1）MAX742

輸入：4.2V~10V輸出：±12V，±15V,±2A（2）MAX743

輸入：5V輸出：±12V，

±15V,±100mA

MAX743的最大電流可達±100mA，而MAX742的最大電流則可達±2A雙電源輸出變換器BUCK降壓型是指輸入電壓大于輸出電壓如12V->5VBOOST則反之5V->12V單電源變雙電源4.2V~10V直流電源變成雙±12V，±15V直流電源集成運算放大器、AD轉(zhuǎn)換器常用雙電源ICL7660(A)提供從1.5V到10.0V的互補電壓，以電荷泵原理工作，需外接泵電容兩個。泵電容通常選用10μf的電解電容。7腳為振蕩器輸入，不接時使用內(nèi)部振蕩器。也可外接電容以降低振蕩頻率。降低振蕩頻率時泵電容的容量應(yīng)加大，加大到100μf可保證任何振蕩頻率都能正常工作(最低1kHz)。6腳為低壓調(diào)整端。當(dāng)工作電壓低于3.5V時，6腳應(yīng)接地，否則浮空。圖4.8ICL7660的泵電容連接低電壓器件供電器件工作時需在輸出端增加三個元件：一個二極管、一個電感、一個電解電容。為使器件能提供最大輸出電流，電感應(yīng)選用100μH，電容應(yīng)選用100μF，二極管可以使用常用的1N5817或相當(dāng)?shù)男ぬ鼗O管。輸出電壓5V/3.3V/3V

圖4.9MAX639/MAX640/MAX653的電路連接低電池電壓檢測輸入低電池電壓檢測輸出適于A/D轉(zhuǎn)換器或模擬放大器使用的，通常是雙電源輸出型。MAX743可提供±12V或±15V的對稱電壓，MAX743的最大電流可達±100mA，

圖中兩個電感100μH、兩個電解電容100μF和兩個肖特基二極管1N5817圖4.10雙電源輸出變換器MAX473的基本應(yīng)用電路2、隔離變壓器型DC-DC變換

DC-DC變換器通常使用高頻變壓器(2~5kHz)隔離（1）固定電壓輸入（用于信號隔離）寬電壓輸入（用于未經(jīng)穩(wěn)壓的輸入電壓）（2）選取器件:1)根據(jù)輸入、輸出電壓選取器件;2)輸出電流應(yīng)按系統(tǒng)最大工作電流的1.2～1.5倍計算需要的功率，根據(jù)功率選用(DC-DC變換器通常以輸出功率標注);3)再次要注意器件輸出電壓是否已經(jīng)過穩(wěn)壓，經(jīng)過穩(wěn)壓的輸出波紋有多大（3）盡量選用經(jīng)穩(wěn)壓的。穩(wěn)壓輸出的DC-DC變換器的輸出電壓穩(wěn)定度通常優(yōu)于1%，交流波紋電壓也很小，一般情況下可以直接使用。CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V圖4.11DC-DC變換器模塊的使用電路5V~12V:Cin100uf,25V24V~48V:Cin10uf,100V器件功率增加時，輸入、輸出電容應(yīng)相應(yīng)增大。無穩(wěn)壓輸出的DC-DC變換器使用時必須注意：負載電流不可小于額定電流的20%，不足時應(yīng)加裝假負載(功率足夠的電阻)。

CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V使用DC-DC變換器模塊非常方便，僅需在輸入、輸出端加上適當(dāng)?shù)臑V波電容濾波電容的選取4.3專用隔離芯片及模塊1、RS-422/485隔離芯片隔離收發(fā)器MAX1480——用于RS-485半雙工網(wǎng)絡(luò)MAX1490——用于RS-422全雙工網(wǎng)絡(luò)MAX3157——全雙工或半雙工，但不是真正的隔離MAX3157的使用方便，僅需提供兩個0.047μF的隔離電容。器件的隔離電壓為±50V。為保證該隔離電壓，要求隔離電容的耐壓必須高于50V。該器件可以通過引腳選擇工作在半雙工方式或全雙工方式，更重要的是器件可以選擇反相輸出，當(dāng)信號線正反接反時，可以自動倒相典型芯片及用途圖4.12RS-485/RS-422隔離集成電路隔離電容應(yīng)用特點：提供隔離電容、隔離電壓±50V2、模擬隔離放大器（1）AD202/204(低成本線性隔離放大器)——2端口，變壓器耦合

隔離電壓高達2000V

共模抑制比(放大器輸出功率與輸入功率比值的對數(shù)，用以表示功率放大的程度。亦指電壓或電流的放大倍數(shù),通常以分貝(dB)數(shù)來規(guī)定。)高130db，信號最高頻率5KHZ

供電電壓15V，可提供±7.5V電源(0.4mA/2mA)（2）MAX210(三端口寬頻帶隔離放大器)——3端口，變壓器耦合

隔離電壓高達2500V

共模抑制比高120db,信號最高頻率可達20KHZ

供電電壓15V,可提供±15V電源（5mA）（3）ISO1001——光電耦合隔離放大器按傳輸信號的類型。可以分為模擬隔離和開關(guān)隔離放大器。模擬隔離放大器的生產(chǎn)商和產(chǎn)品種類均較少，且產(chǎn)品價格比較昂貴常見模塊（1）AD202:2端口，隔離電壓2000V圖4.13低成本線性隔離放大器AD202采樣/保持電路

對于一個動態(tài)模擬信號在模擬轉(zhuǎn)換過程中，輸入的模擬信號是不確定的，從而引起轉(zhuǎn)換器輸出的不確定性誤差，直接影響轉(zhuǎn)換精度

要求輸入模擬量在整個模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中被“凍結(jié)”起來，保持不變。但在轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端能跟蹤輸入模擬量的變化，能完成上述任務(wù)的器件叫采樣/保持電路，簡稱采/保(S/H)。

最基本的采/保電路由模擬開關(guān)，保持電容和緩沖放大器組成AVO_圖8-38采樣/保持器原理圖+ViVcCHS增益1：1反相輸入同相輸入（2）AD210:圖4.14AD210結(jié)構(gòu)框圖3端口，寬頻帶隔離放大器，頻率20Hz、隔離電壓2500V、輸出阻抗低可提供±15V電源（5mA）供電15V增益1：1圖4.15AD210的基本應(yīng)用電路同相輸入反相輸入應(yīng)用舉例AD210的16、17兩引腳連接在一起，可實現(xiàn)信號跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過電阻Ra接信號源Vs，18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳，Rb為輸出負載電阻(使用時可選Ra=Rb=1kΩ)。該電路可實現(xiàn)1:1的隔離傳輸功能。3、高頻邏輯門專用隔離電路（1）輸入電流僅需5mA（有的更低），OC門輸出，通信速率可達10M波特以上，有極高的抗共模干擾性能和極高的隔離耐壓（2）有單路、雙路、四路多種封裝圖4.17單路封裝圖4.19雙路封裝特點及常見模塊適用于多路邏輯隔離，如并行A/D,D/A特點：有極高的電流傳輸比(輸出管的工作電壓為規(guī)定值時，輸出電流和發(fā)光二極管正向電流之比為電流傳輸比CTR)，達到1500%。發(fā)光二極管最小驅(qū)動電流0.5mA，5mA時工作頻率最高高頻邏輯門專用隔離電路

簡單化是邏輯電路

在6N136的基礎(chǔ)上，將輸出電路做成與TTL兼容的標準邏輯電路，這就是6N137

，6N137典型應(yīng)用圖4.186N137典型應(yīng)用電路(單路）直接邏輯輸入/邏輯輸出的隔離器件（1）輸出＋3.3V,+5V,TTL/CMOS兼容，注意使能端（2）工作頻率可達100M波特（3）隔離電壓高達2500V圖4.21單路直接邏輯輸入/邏輯輸出的隔離器件圖4.21單路圖4.22三種器件輸入/輸出的方向三種器件的性能指標均相同，僅輸入、輸出端口的方向不同

4.4新型的光電隔離產(chǎn)品種類：微電流隔離器件

4mA～20m專用光電隔離器件高頻隔離器件智能功率模塊（IPM）專用驅(qū)動隔離模塊普通的發(fā)光二極管，發(fā)光電流應(yīng)在1mA以上，達到正常亮度時，電流應(yīng)達到5mA以上。光耦作為發(fā)光二極管與光敏二極管(或光敏三極管)的組合器件，也需要足夠的驅(qū)動電流才能使其正常工作。在某些特定的應(yīng)用場合，期望用很小的驅(qū)動電流就可使器件可靠地工作，如希望光耦能在小于1mA時能可靠地工作。4.4.1微電流光電隔離器件典型器件：HCPL-2200/2219：驅(qū)動電流1.6mA、通信速率2.5MbHCPL-2300/0300：驅(qū)動電流0.5mA、通信速率8Mb為保證8Mbd的通信速率，電源與地這間的退耦電容(0.1μF)不可省略

電源:多數(shù)情況下

5V供電直接將RL和VO相連HCPL-2300/0300典型應(yīng)用電路20pF電容為加速而設(shè)，肖特基二極管用于提高TTL的高電平閥值，防止微小的高電平漏電流造成光耦的誤動作。輸出上拉電阻，對不同的供電電源，建議使用圖4.24中的電阻值加速容電OC門驅(qū)動HCPL-2300/0300典型應(yīng)用電路如果使用OC門輸出的器件驅(qū)動，則電容和肖特基二極管均可省略。OC門驅(qū)動時，常連接到發(fā)光二極管的陰極，這時輸出邏輯反相圖4.25OC門輸出驅(qū)動HCPL-2300/0300的實例RS-485直接驅(qū)動HCPL-2300/0300不平衡式電路HCPL-2300/0300可以直接由RS-485驅(qū)動器驅(qū)動，組成隔離的RS-485網(wǎng)絡(luò)。由于實際的RS-485接收器是電壓檢測器件，由端接電阻完成電流-電壓轉(zhuǎn)換，而HCPL-2300/0300是電流檢測器件，由發(fā)光二極管檢測電流，因而性能上無法完全達到RS-485的指標，主要表現(xiàn)在通信距離有限、接收端數(shù)目有限通信距離不宜超過

100m脈沖上升時間tr、下降時間

傳輸延遲時間tPHL、tPLH脈沖上升時間tr、下降時間tf：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸出脈沖前沿幅度的10%到90%，所需時間為脈沖上升時間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時間為脈沖下降時間tf。傳輸延遲時間tPHL、tPLH：光耦合器在規(guī)定工作條件下，發(fā)光二極管輸入規(guī)定電流IFP的脈沖波，輸出端管則輸出相應(yīng)的脈沖波，從輸入脈沖前沿幅度的50%到輸出脈沖電平下降到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPHL。從輸入脈沖后沿幅度的50%到輸出脈沖電平上升到1.5V時所需時間為傳輸延遲時間tPLH。波形失真：波形失真主要由于長導(dǎo)線導(dǎo)致的輸入跳變與輸出跳變的延時不同引起。不同的電容與電阻匹配將引起不同的tPHL和tPLH延時。影響因素除電子元件外，還有導(dǎo)線品質(zhì)、長度、驅(qū)動器的特性等.長線驅(qū)動應(yīng)改用平衡式RS-485隔離接收電路圖4.27輸入跳變與輸出跳變的延時平衡式RS-485隔離接收電路改善波形失真，信號品質(zhì)大大提高，但電路復(fù)雜4.4.2線接收器專用電路使用注意：勿須使用端接電阻，輸入接至IN+和IN-，輸出OC門應(yīng)接上拉電阻。適用：使用RS-485驅(qū)動的點對點應(yīng)用圖4.29HCPL-2602/2612的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳HCPL2602/12驅(qū)動實例：屏蔽雙絞線驅(qū)動光耦使用注意：勿須使用端接電阻，輸入接至IN+和IN-，輸出OC門應(yīng)接上拉電阻。適用：使用RS-485驅(qū)動的點對點應(yīng)用通信質(zhì)量最高使用差動驅(qū)動器驅(qū)動光耦實例差動驅(qū)動器20mA電流環(huán)專用隔離器件

4~20mA電流驅(qū)動是工業(yè)控制中常用的信號傳輸方式

HCPL-4100為20mA電流環(huán)數(shù)字隔離傳輸時的專用發(fā)送器。在20k波特的通信速率下，可以可靠傳送400米距離。隔離電壓可達3750V(有效值)一分鐘。圖4.32HCPL-4100原理圖和邏輯功能4.5強干擾源的隔離及抗干擾技術(shù)功率電機、變頻器等干擾途徑：電網(wǎng)干擾、電場干擾和電磁干擾等抗干擾措施：抗電網(wǎng)干擾：加接電源濾波器（低通）單相電源濾波器有多種型號東莞泰澤電子科技有限公司單相電源濾波器三相電源濾波器TY460三級三相電源濾波器，用于三相電機控制一般儀器上應(yīng)用常規(guī)型電噪聲較大場合應(yīng)用雙級電源濾波器，隔離驅(qū)動和隔離輸入方法：用于控制信號。避免隔離的控制線與大功率電機平行走線，必要時使用屏蔽線，并將屏蔽層可靠接地抗電場干擾和電磁干擾采用鍍鋅管屏蔽，效果好，使用不方便，成本高。金屬線槽，鋼板和鐵皮線槽較好。注意：不可將弱電控制信號線和強電電纜排入同一線槽，不可將傳感器信號線和強電信號線排入同一線槽，

4.6A/D、D/A的隔離技術(shù)特殊情況下A/D、D/A采用隔離技術(shù)常用隔離方式：隔離的微處理器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（常見）；隔離的模擬信號（不常見）；隔離的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器：使用HCPL-900(3個4路器件即可，滿足數(shù)據(jù)、控制信號、狀態(tài)信號要求）

隔離電路實例數(shù)控系統(tǒng)常用的接口形式機床數(shù)控系統(tǒng)的接口具有代表性。了解與機床數(shù)控系統(tǒng)的接口，對工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)字I/O接口開發(fā)有較大的幫助不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，采用的接口形式有所不同，但大致可以分為光電隔離接口方式和繼電器接口方式兩大類它們通常在數(shù)控系統(tǒng)板(控制器、驅(qū)動器等)上都已經(jīng)過必要的隔離，以防止子系統(tǒng)間的相互干擾。需與數(shù)控系統(tǒng)硬件接口時，如果本系統(tǒng)是獨立的子系統(tǒng)，則往往還需在I/O部分再次隔離。盡管控制用微處理器一般使用5V供電(也有些已改用3.3V供電)，接口部分的電源電壓往往仍使用24V。從節(jié)能角度看，使用較低的電源電壓更利于節(jié)能，但數(shù)控系統(tǒng)的主要能源消耗是動力系統(tǒng)，而不是控制系統(tǒng)，因此很少有控制系統(tǒng)將電源電壓降為12V或更低電壓的(高頻脈沖信號和通信信號除外)。因此，與這些接口信號的硬件接口部分，還存在一個電平轉(zhuǎn)換的功能數(shù)控系統(tǒng)常用的接口形式

大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)的輸入采用光電隔離輸入

1差動輸出:主要用于高頻脈沖信號的輸出，或者用于串行通信的輸出(RS-422串行通信方式)。AM26LS31是常用的輸出驅(qū)動器件。

VCCQ/0VQ2集電極開路輸出(O.C.)或漏極開路輸出

中低頻開關(guān)量的輸出，便于驅(qū)動LED或繼電器。ULN2003/2803或MC1413是常用的輸出驅(qū)動器