新型磁耦合隔離電路設計

摘要：在電路設計中，數字信號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，對于低頻或直流信號劃無(wú)能為力。為了實(shí)現磁耦合隔離電路傳輸低頻信號的功能，用一串窄脈沖代表數字信號的狀態(tài)改變，以窄脈沖的磁隔離傳輸代替低頻數字信號的磁隔離傳輸，以上電復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需要傳輸的數字信號，從而實(shí)現低頻或直流信號的磁耦隔離傳輸。使用該設計可以拓展磁耦合隔離技術(shù)的應用領(lǐng)域，降低電路功耗。
關(guān)鍵詞：磁耦合隔離；脈沖變壓器；CPLD；VHDL

在醫療設備、工業(yè)控制、高精度數據采集、長(cháng)距離通信、高低壓混合系統等電路設計中，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低頻信號和直流信號，但功耗較大；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字電路使用，但其功耗較小。
然而在大多數的隔離電路設計實(shí)踐中，往往既需要隔離傳輸低頻信號甚至是直流，又需要傳輸幾兆赫茲以上的高頻信號。例如在隔離數據采集電路中，需要隔離的信號有ADC的控制信號(直流電平)、ADC工作時(shí)鐘信號(幾兆甚至更高頻率的信號)，在這樣的應用條件下，如果單用光耦合隔離方式或磁耦合隔離方式都很難滿(mǎn)足電路的工作要求。兩種隔離方式組合工作又會(huì )使電路設計復雜，增加系統功耗。因此在數字寬頻隔離電路的設計中，要么選用響應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)序調試困難等缺點(diǎn))，要么設法解決磁耦合隔離器件不能傳輸低頻信號的問(wèn)題。
本文通過(guò)對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，又能準確恢復低頻信號，從而很好的解決了磁耦合隔離電路不能傳輸低頻信號的問(wèn)題，拓展磁耦合隔離電路的應用范圍。

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)是指利用電磁感應原理，把需要傳輸的變化信號加在變壓器的初級線(xiàn)圈，該信號在初級線(xiàn)圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使次級線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級感應出與初級線(xiàn)圈激勵信號相關(guān)的變化信號輸出，在整個(gè)信號的傳輸過(guò)程中，初級與次級之間沒(méi)有發(fā)生電連接，從而達到隔離初次級的目的。
由于只有變化的信號電流才能在磁耦合隔離電路的初級產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，從而在次級電路中感應出輸出信號，只有變化頻率高于某一值的信號才能在初次級之間傳輸，而變化頻率較低的信號在傳輸過(guò)程中會(huì )發(fā)生嚴重畸變，直流信號不能在初次級之間傳輸。因此普通的磁耦合隔離技術(shù)只能在高頻信號的隔離傳輸中使用。
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(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔離傳輸，低頻信號(10 kHz)經(jīng)磁耦合隔離后波形畸變嚴重。由此證明，如不對磁耦合隔離電路進(jìn)行改進(jìn)，就不能應用于對低頻信號的隔離傳輸。為了使磁耦合隔離技術(shù)能夠應用于對低頻信號的隔離傳輸，本文設計了一種新型磁耦合隔離電路。