一種兩端隔離的磁隔離放大器電路設(shè)計(jì)技術(shù)的研究

李芳，郝振宇，莊永河

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安徽合肥，230088）

1 概述

隔離是指電氣上的隔離，讓信號(hào)通過(guò)其他渠道進(jìn)行傳輸，避免電氣上的直接相連。隔離放大的基本要求是保證信號(hào)不失真，并具有較高的隔離電壓和一定的頻率范圍。常用的隔離方式有變壓器耦合、光電耦合和電容耦合。

隔離放大器可應(yīng)用于高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量。它的主要作用在不影響信號(hào)傳輸?shù)那闆r下，把相互關(guān)聯(lián)的兩部分電路用合適的電子元件隔開(kāi)，使兩部分電路之間沒(méi)有電氣連接，通過(guò)選用合適的隔離器件，可以達(dá)到傳輸信號(hào)，抑制干擾，保護(hù)電路的目的。在對(duì)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、供電電源進(jìn)行隔離的同時(shí),并按照一定的比例對(duì)信號(hào)放大進(jìn)行，在這個(gè)隔離、放大的過(guò)程中要保證輸出的信號(hào)失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數(shù)都要達(dá)到使用要求。隔離放大器要求被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離，從而提高共模抑制比，同時(shí)保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全。根據(jù)隔離放大器的特點(diǎn)，隔離放大器廣泛應(yīng)用在電力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自控等需要電量隔離測(cè)控的行業(yè)。

磁隔離的隔離放大器的優(yōu)點(diǎn)是隔離電壓很高，單電源供電，三端或兩端隔離，多個(gè)放大器可以共用一個(gè)電源，節(jié)省了外供電源。

2 電路總體方案設(shè)計(jì)

隔離放大器按隔離端口分有輸入地和輸出地兩端隔離的隔離放大器，有輸入地、輸出地和電源地三端隔離的隔離放大器。兩端隔離的隔離放大器有美國(guó)AD公司的AD202、AD203、AD208等，三端隔離的有美國(guó)TI公司的BB3656和AD公司的AD210等。本文介紹的是兩端隔離型的隔離放大器電路的設(shè)計(jì)原理。由中電43所研制的混合集成工藝制作的隔離模塊，電路由輸入級(jí)運(yùn)算放大器、輸入調(diào)制電路、信號(hào)變壓器、電源變壓器、輸出解調(diào)電路、輸出整流濾波等組成，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)電氣隔離，工作時(shí)+15V電源連到產(chǎn)品的電源輸入引腳20上，使片內(nèi)的振蕩器工作，從而產(chǎn)生頻率為25KHz的載波信號(hào)，通過(guò)變壓器耦合，經(jīng)整流和濾波，在隔離輸入部分形成電流2mA的±7.5V隔離電壓給前級(jí)運(yùn)算放大器提供電源。該隔離電壓除供給片內(nèi)電源外，還可作為外圍電路的電源使用。該方案擬采用混合集成電路工藝制作金屬全密封外殼封裝電路，電路原理框圖見(jiàn)圖1所示。

電路設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)需滿足如下條件：（1）放大倍數(shù)：1～100 ；（2）輸出失調(diào)電壓 ：-10mv～10mv ；（3）帶寬（-3dB）：≥2KHz；（4）交流隔離電壓：≥1000V；（5）直流隔離電壓：≥ 1500V；（6）隔離電源額定輸出電壓 ：6.75V～8.25V；（7）隔離電源輸出電流：≥400uA；（8）輸出阻抗：≤7KΩ；（9）輸出紋波電壓 ：≤ 20mv；（10）電源電流 ：≤ 5.5mA；（11）工作溫度：-55℃～125℃。

圖1 電路原理框圖

2.1 模擬開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

模擬開(kāi)關(guān)在電路功能中起很重要作用，模擬開(kāi)關(guān)決定輸出信號(hào)波形的失真度、輸出電壓精度、輸出噪聲、輸出紋波等指標(biāo)。

在電路中的作用：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。由輸入放大器電路和輸入部分的模擬開(kāi)關(guān)完成信號(hào)調(diào)制功能，輸出放大器和輸出部分的模擬開(kāi)關(guān)完成信號(hào)解調(diào)功能。

模擬開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)：主要從以下幾個(gè)方面考慮，模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)方式、開(kāi)關(guān)狀態(tài)滿足產(chǎn)品功能的條件下，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通電阻等性能指標(biāo)，應(yīng)作為模擬開(kāi)關(guān)型號(hào)選擇的依據(jù)。

同一電路中輸入、輸出部分使用的模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)選用相同型號(hào)的器件，以保證信號(hào)在調(diào)制、解調(diào)電路中的上升、下降沿一致性，減小輸出信號(hào)失真。經(jīng)查詢資料模擬調(diào)試驗(yàn)證，某款隔離放大器產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)選擇模擬開(kāi)關(guān)為CD4016。

CD4016B系列為CMOS型14腳多路開(kāi)關(guān)，可以用于數(shù)字或模擬信號(hào)的多路傳輸，每個(gè)器件均有四組相互獨(dú)立的開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)均有一個(gè)控制信號(hào)輸入端，單路原理連接圖見(jiàn)圖2所示，該多路開(kāi)關(guān)可以應(yīng)用于信號(hào)處理電路、斬波電路、調(diào)制電路（或解調(diào)電路）以及CMOS邏輯裝置電路中。器件的特點(diǎn)：供電范圍：-0.5V～18V（直流電壓）；線性傳輸；低導(dǎo)通阻抗，正常工作狀態(tài)下具有280Ω的導(dǎo)通阻抗；所有輸入管腳均有二極管保護(hù)，輸入輸出無(wú)需ESD保護(hù)電路；低噪聲。

圖2 CD4016模擬開(kāi)關(guān)單路原理連接圖

2.2 內(nèi)置DC/DC電源設(shè)計(jì)

內(nèi)置DC/DC電源，是磁隔離放大器的特色，產(chǎn)品使用時(shí)，隔離端不需要提供外置電源，隔離端電源由電路內(nèi)部供電，減少了對(duì)外電源的要求，節(jié)省了成本，方便了使用。該款產(chǎn)品采用變壓器直接傳輸，二極管整流、濾波，輸出正、負(fù)電壓。隔離端的正、負(fù)電壓指標(biāo)依據(jù)各運(yùn)放工作電壓，根據(jù)某款隔離放大器的技術(shù)文件中的隔離電壓指標(biāo)，確定變壓器初、次級(jí)圈數(shù)的匝比。

隔離端電源電壓（絕對(duì)值）：Uo1≈Uo2≈Ui×N2/（（N1-UD1）或 UD2）。

內(nèi)置DC/DC電源電路見(jiàn)圖3。

圖3 內(nèi)置DC/DC電源電路

2.3 輸出濾波電路設(shè)計(jì)

濾波電路的作用實(shí)質(zhì)上是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號(hào)順利通過(guò)，而使另一部頻率的信號(hào)被急劇衰減（即被濾波掉）。在無(wú)線電通訊、自動(dòng)測(cè)量及控制系統(tǒng)中，常常利用濾波電路進(jìn)行模擬信號(hào)的處理，如用于數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾等等。根據(jù)其電路其工作信號(hào)的頻率范圍，濾波器可以分為四大類，他們是低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）。

低通濾波器指低頻信號(hào)能夠通過(guò)而高頻信號(hào)不能通過(guò)的濾波器；高通濾波器的性能與之相反，即高頻信號(hào)能通過(guò)而低頻信號(hào)不能通過(guò)；帶通濾波器是指頻率在某一個(gè)頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)能通過(guò)，而在此頻帶范圍之外的信號(hào)均不能通過(guò)；帶阻濾波器的性能與之相反，即謀和頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)被阻斷，但允許在此頻帶范圍之外的信號(hào)通過(guò)。

隔離放大器的輸出一般采用低通有源濾波器電路，常用一階或二階有源低通濾波器濾波，濾除解調(diào)信號(hào)后的殘余雜波，圖4是信號(hào)解調(diào)后的波形，從圖中可以看出解調(diào)后的信號(hào)波形疊加有調(diào)制紋波，必須對(duì)解調(diào)后的信號(hào)波形進(jìn)行濾波處理，減小信號(hào)波形失真，滿足實(shí)用要求。采用有源低通濾波電路濾波后，有源低通濾波電路見(jiàn)圖5所示，經(jīng)過(guò)濾波電路輸出的信號(hào)圖形見(jiàn)圖6。

通過(guò)對(duì)圖4、圖6兩圖對(duì)比，輸出濾波器可以有效濾除雜波，改善輸出信號(hào)的平整度，降低輸出信號(hào)的失真度。

圖4 解調(diào)后信號(hào)波形

圖5 有源低通濾波電路

圖6 濾波后輸出波形

濾波器電路的設(shè)計(jì),決定輸出信號(hào)波形的失真、輸出精度、頻率帶寬、輸出阻抗等指標(biāo)，因此選取合適的輸出濾波電路非常重要。該款隔離放大器采用一節(jié)有源低通濾波器，電路簡(jiǎn)單，但帶載能力一般。

2.4 變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)

變壓器是隔離放大器中的關(guān)鍵元件，由信號(hào)變壓器、電源變壓器組成。完成信號(hào)傳輸、內(nèi)置電源功能，將輸入端、輸出端隔離。

信號(hào)隔離原理：輸入信號(hào)通過(guò)變壓器傳輸，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)和電源地、輸出信號(hào)的隔離。

圖7 兩種變壓器結(jié)構(gòu)形式

變壓器磁材的選定：根據(jù)電路的工作頻率，頻響特性，高低溫特性，帶載能力，選擇磁性材料，計(jì)算電感量。

線圈參數(shù)設(shè)計(jì)：變壓器設(shè)計(jì)的核心是確定初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)，我們采用以下公式來(lái)計(jì)算初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)：

NP—初級(jí)線圈匝數(shù)

VP—加在變壓器初級(jí)的電壓

f—變壓器的開(kāi)關(guān)頻率

Bmax—最大磁通密度

Ae—磁芯有效截面積（cm2）

不考慮肖特基二級(jí)極管上的壓降，則次級(jí)線圈匝數(shù)為：

Vo—輸出電壓

δmax—脈沖導(dǎo)通最大占空比

Vinmin—輸入電壓最小值

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)的理論值，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行初次級(jí)線圈參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)性能指標(biāo)的差異，進(jìn)行變壓器線圈圈數(shù)微調(diào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了輸入和輸出兩端隔離型隔離放大器電路設(shè)計(jì)方案及電路設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)介紹了模擬開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)、內(nèi)置DC/DC電源電路的設(shè)計(jì)、輸出濾波電路的設(shè)計(jì)以及變壓器參數(shù)的電路設(shè)計(jì)。該隔離放大器電路設(shè)計(jì)技術(shù)成熟并已成功應(yīng)用于某款隔離放大器產(chǎn)品中，被多家用戶采購(gòu)并形成市場(chǎng)合同。隔離放大器輸入、輸出信號(hào)傳輸中的物理隔離，可減小電源對(duì)輸入信號(hào)的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；并可將輸入高共模電壓與輸出隔離，提高系統(tǒng)的安全性。