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(xiàn)上的環(huán)流輸入輸出電壓比或電流比不能太大無(wú)法實(shí)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(guò)所有的信號(hào)頻率，即從理想的直流到交流都能變換；變換時(shí)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(shí)，無(wú)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(hào)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?fù)銪uck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(jìn)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(jí)繞組上，線(xiàn)圈電壓或電流回到零時(shí)，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(chǔ)能，電流直線(xiàn)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(fù)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(fù)載釋放能量，電流直線(xiàn)下降。（1）原邊：磁芯中的剩磁能量通過(guò)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(chǔ)能能夠維持電流連續(xù)至下個(gè)周期開(kāi)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(shí)隔離型Buck變換器——單端正激變換器

正激變換器的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)管的選擇（1）開(kāi)關(guān)管的漏極額定電流必須大于流過(guò)IGBT漏極實(shí)際電流IDmax。11（2）當(dāng)N1=N3時(shí)，開(kāi)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(guò)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(shí)（3）VD承受最大電壓出現(xiàn)在VT截止時(shí)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(yè)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(kāi)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(chǎng)方向電流方向磁場(chǎng)方向

電流方向11安培環(huán)路定律矢量H沿任意閉合曲線(xiàn)的積分等于此閉合曲線(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)度單位如果磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度單位為安/米.而在CGS制中為奧斯特,簡(jiǎn)稱(chēng)奧,代號(hào)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(yùn)動(dòng)方向18電磁感應(yīng)定律如果是多匝線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)亨,代號(hào)H電感的感應(yīng)電勢(shì)符號(hào)和單位+

u-電流增加-u+電流減少單位(亨)21自感電動(dòng)勢(shì)與能量關(guān)系22能量關(guān)系互感線(xiàn)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(gè)耦合線(xiàn)圈都流過(guò)增量電流有25耦合系數(shù)變壓器127空載：電壓激勵(lì)，初級(jí)次級(jí)：變比：變壓器2變壓器負(fù)載28u1u2N1N2kRLi1i2‘i’2＝N2i2/N1－次級(jí)反射電流單端正激變換器總結(jié)：1電路簡(jiǎn)單，多應(yīng)用于中，小功率電路；2變壓器與儲(chǔ)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(dòng)的，有較大尖峰出現(xiàn)，對(duì)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(shí)，VD截止VT截止時(shí)，VD導(dǎo)通電感儲(chǔ)能型變換器導(dǎo)通終了時(shí)，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(shí)，VD截止i1i2流過(guò)N1的電流VT截止時(shí)，VD導(dǎo)通I2p為VT截止時(shí)i2的幅值流過(guò)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(shí)間toff和繞組N2中電流i2衰減到零所需的時(shí)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(shí)間toff比繞組N2中電流i2衰減到零所需的時(shí)間更長(zhǎng)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(shí)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(chǔ)能輸出功率為假定電路無(wú)損結(jié)論：（1）Uo與負(fù)載RL有關(guān)，RL↑→Uo↑（2）Uo與導(dǎo)通時(shí)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(kāi)關(guān)管承受電壓38VT截止時(shí)，N1上的感應(yīng)電勢(shì)VT截止時(shí)，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(jì)變壓器磁通不連續(xù)39開(kāi)關(guān)管的選擇整流二級(jí)管的選擇單端反激變換器總結(jié)：1電路簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于50W以下電路；2變壓器同時(shí)充當(dāng)儲(chǔ)能電感器，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)的。雙端變壓器隔離變換器1、單端變壓器無(wú)論是正激還是反激，功率管在開(kāi)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(gè)周期后，很容易進(jìn)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(jì)。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(wèn)題如何使變壓器磁芯在每個(gè)脈動(dòng)工作磁通之后都能回復(fù)到磁通起始值去磁復(fù)位問(wèn)題開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流很大開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，過(guò)電壓很高如果每個(gè)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(xiàn)路種類(lèi)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(guò)外加能量的方法強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)路簡(jiǎn)單可靠高Br無(wú)氣隙的晶粒取向鎳－鐵合金磁芯復(fù)位常用強(qiáng)迫法，線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路（a）能量－>電源（b）能量－>負(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(kāi)關(guān)、單端去磁線(xiàn)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(shí)動(dòng)作VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通：UNP－>UNS，iVD3↑，iVD4

關(guān)閉IP=IS/n（n=NP/NS）VT1、VT2同時(shí)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(diǎn)：D≤0.552雙端變壓隔離電路開(kāi)關(guān)管輪流工作分類(lèi)：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(chǔ)能）占空比D＜0.5，ton1結(jié)束時(shí)，L通過(guò)D3放能T2導(dǎo)通D3導(dǎo)通（L儲(chǔ)能）占空比D＜0.5，ton2結(jié)束時(shí)，L通過(guò)D4放能四個(gè)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?fù)溲葑冞^(guò)程優(yōu)點(diǎn)：UVT1max＝UVT2max≈Ui缺點(diǎn)：變壓器利用率較低1.大功率場(chǎng)合常用電路2.VT1和VT4

、VT2和VT3同時(shí)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?fù)?.用2個(gè)相同的電容器代替2個(gè)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(jí)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(zhǎng)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(jí)電流VT1和VT2導(dǎo)通時(shí)，從A點(diǎn)充電或取電在半周期中，C1，C2兩個(gè)電容器補(bǔ)充電荷損失電容器上直流電壓變化的百分?jǐn)?shù)與整流輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)是相同的輸出電壓紋波百分?jǐn)?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(kāi)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(shí)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(guò)高或過(guò)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(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。防止方法：對(duì)驅(qū)動(dòng)脈寬最大值加于限制。從拓?fù)渖辖鉀Q，采用交叉耦合封閉電路。65第四章拓展

光電隔離開(kāi)關(guān)量的輸入輸出隔離主要有兩個(gè)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(hào)極性都可以不同。1、廉價(jià)實(shí)用的TLP521-XTLP521-1TLP521-2TLP521-4圖1TLP521的各種封裝及引腳排列開(kāi)關(guān)量的輸入隔離一般使用光電隔離器件。可以使用的光電隔離器件很多，有許多器件性能相近，普通開(kāi)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?xún)?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(dòng)電流5～10mA設(shè)計(jì),選擇驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器件任意，只要能保證長(zhǎng)時(shí)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(shí)輸出端的上升速度將減慢,

VCCX=+5V時(shí)，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(shí)，R4去掉

VCCX=+12V時(shí)，R4取6.8K(或改用ULN2004）

VCCX=+24V時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，必須考慮負(fù)載電阻對(duì)工作頻率的影響。原則上，降低負(fù)載電阻阻值對(duì)工作頻率的提高有利，負(fù)載電阻最低可降至1kΩ。對(duì)波形要求較高的場(chǎng)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(fù)載電阻對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響2、高頻脈沖的隔離對(duì)波形要求較高的場(chǎng)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(kāi)關(guān)時(shí)間通常比光敏三極管小負(fù)載電阻越小，開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，光耦的開(kāi)關(guān)速度越高。最小負(fù)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(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)大4~5倍，則開(kāi)關(guān)頻率就降低4~5倍。不應(yīng)該省略該電阻。圖4.54N35負(fù)載電阻及基極-發(fā)射極電阻對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響影響工作頻率的因素：（1）負(fù)載電阻:越小，開(kāi)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(shí)，負(fù)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(duì)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(wú)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(dú)立的直流電源是光電隔離電路的基本條件。DC-DC變換器通?？梢蕴峁缀涟驳綌?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(bǔ)電壓：電路生成兩個(gè)模擬電壓，用一種互補(bǔ)方式可以改變這兩個(gè)電壓。當(dāng)直通輸出電壓上升時(shí)，互補(bǔ)的輸出電壓下降，反之亦然。兩個(gè)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(bǔ)電壓（通常為正電壓入、負(fù)電壓出)主要用于單電源供電的A/D轉(zhuǎn)換場(chǎng)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(fù)偏置電壓?jiǎn)坞娫摧敵鲎儞Q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(dá)±100mA，而MAX742的最大電流則可達(dá)±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(yùn)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(bǔ)電壓，以電荷泵原理工作，需外接泵電容兩個(gè)。泵電容通常選用10μf的電解電容。7腳為振蕩器輸入，不接時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)需在輸出端增加三個(gè)元件：一個(gè)二極管、一個(gè)電感、一個(gè)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(cè)輸入低電池電壓檢測(cè)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(duì)稱(chēng)電壓，MAX743的最大電流可達(dá)±100mA，

圖中兩個(gè)電感100μH、兩個(gè)電解電容100μF和兩個(gè)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(hào)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(jì)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(biāo)注);3)再次要注意器件輸出電壓是否已經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓，經(jīng)過(guò)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(shí)，輸入、輸出電容應(yīng)相應(yīng)增大。無(wú)穩(wěn)壓輸出的DC-DC變換器使用時(shí)必須注意：負(fù)載電流不可小于額定電流的20%，不足時(shí)應(yīng)加裝假負(fù)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(zhuān)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(gè)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(guò)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(hào)線(xiàn)正反接反時(shí)，可以自動(dòng)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(diǎn)：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(xiàn)性隔離放大器)——2端口，變壓器耦合

隔離電壓高達(dá)2000V

共模抑制比(放大器輸出功率與輸入功率比值的對(duì)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(lái)規(guī)定。)高130db，信號(hào)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(dá)2500V

共模抑制比高120db,信號(hào)最高頻率可達(dá)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(hào)的類(lèi)型?？梢苑譃槟M隔離和開(kāi)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(lèi)均較少，且產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴常見(jiàn)模塊（1）AD202:2端口，隔離電壓2000V圖4.13低成本線(xiàn)性隔離放大器AD202采樣/保持電路

對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)在模擬轉(zhuǎn)換過(guò)程中，輸入的模擬信號(hào)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(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中被“凍結(jié)”起來(lái)，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(jiǎn)稱(chēng)采/保(S/H)。

最基本的采/保電路由模擬開(kāi)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(shí)現(xiàn)信號(hào)跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過(guò)電阻Ra接信號(hào)源Vs，18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳，Rb為輸出負(fù)載電阻(使用時(shí)可選Ra=Rb=1kΩ)。該電路可實(shí)現(xiàn)1:1的隔離傳輸功能。3、高頻邏輯門(mén)專(zhuān)用隔離電路（1）輸入電流僅需5mA（有的更低），OC門(mén)輸出，通信速率可達(dá)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(diǎn)及常見(jiàn)模塊適用于多路邏輯隔離，如并行A/D,D/A特點(diǎn)：有極高的電流傳輸比(輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，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(dá)到1500%。發(fā)光二極管最小驅(qū)動(dòng)電流0.5mA，5mA時(shí)工作頻率最高高頻邏輯門(mén)專(zhuān)用隔離電路

簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)100M波特（3）隔離電壓高達(dá)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(biāo)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(lèi)：微電流隔離器件

4mA～20m專(zhuān)用光電隔離器件高頻隔離器件智能功率模塊（IPM）專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)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(dá)到正常亮度時(shí)，電流應(yīng)達(dá)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(dòng)電流才能使其正常工作。在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合，期望用很小的驅(qū)動(dòng)電流就可使器件可靠地工作，如希望光耦能在小于1mA時(shí)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(dòng)電流1.6mA、通信速率2.5MbHCPL-2300/0300：驅(qū)動(dòng)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(dòng)作。輸出上拉電阻，對(duì)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(mén)驅(qū)動(dòng)HCPL-2300/0300典型應(yīng)用電路如果使用OC門(mén)輸出的器件驅(qū)動(dòng)，則電容和肖特基二極管均可省略。OC門(mén)驅(qū)動(dòng)時(shí)，常連接到發(fā)光二極管的陰極，這時(shí)輸出邏輯反相圖4.25OC門(mén)輸出驅(qū)動(dòng)HCPL-2300/0300的實(shí)例RS-485直接驅(qū)動(dòng)HCPL-2300/0300不平衡式電路HCPL-2300/0300可以直接由RS-485驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，組成隔離的RS-485網(wǎng)絡(luò)。由于實(shí)際的RS-485接收器是電壓檢測(cè)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(cè)器件，由發(fā)光二極管檢測(cè)電流，因而性能上無(wú)法完全達(dá)到RS-485的指標(biāo)，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(guò)

100m脈沖上升時(shí)間tr、下降時(shí)間

傳輸延遲時(shí)間tPHL、tPLH脈沖上升時(shí)間tr、下降時(shí)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(shí)間為脈沖上升時(shí)間tr。從輸出脈沖后沿幅度的90%到10%，所需時(shí)間為脈沖下降時(shí)間tf。傳輸延遲時(shí)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(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)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(shí)所需時(shí)間為傳輸延遲時(shí)間tPLH。波形失真：波形失真主要由于長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)致的輸入跳變與輸出跳變的延時(shí)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(shí)。影響因素除電子元件外，還有導(dǎo)線(xiàn)品質(zhì)、長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)器的特性等.長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(shí)平衡式RS-485隔離接收電路改善波形失真，信號(hào)品質(zhì)大大提高，但電路復(fù)雜4.4.2線(xiàn)接收器專(zhuān)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(mén)應(yīng)接上拉電阻。適用：使用RS-485驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用圖4.29HCPL-2602/2612的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳HCPL2602/12驅(qū)動(dòng)實(shí)例：屏蔽雙絞線(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(mén)應(yīng)接上拉電阻。適用：使用RS-485驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用通信質(zhì)量最高使用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光耦實(shí)例差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器20mA電流環(huán)專(zhuān)用隔離器件

4~20mA電流驅(qū)動(dòng)是工業(yè)控制中常用的信號(hào)傳輸方式

HCPL-4100為20mA電流環(huán)數(shù)字隔離傳輸時(shí)的專(zhuān)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(dá)3750V(有效值)一分鐘。圖4.32HCPL-4100原理圖和邏輯功能4.5強(qiáng)干擾源的隔離及抗干擾技術(shù)功率電機(jī)、變頻器等干擾途徑：電網(wǎng)干擾、電場(chǎng)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(hào)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(jí)三相電源濾波器，用于三相電機(jī)控制一般儀器上應(yīng)用常規(guī)型電噪聲較大場(chǎng)合應(yīng)用雙級(jí)電源濾波器，隔離驅(qū)動(dòng)和隔離輸入方法：用于控制信號(hào)。避免隔離的控制線(xiàn)與大功率電機(jī)平行走線(xiàn)，必要時(shí)使用屏蔽線(xiàn)，并將屏蔽層可靠接地抗電場(chǎng)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(xiàn)槽，鋼板和鐵皮線(xiàn)槽較好。注意：不可將弱電控制信號(hào)線(xiàn)和強(qiáng)電電纜排入同一線(xiàn)槽，不可將傳感器信號(hào)線(xiàn)和強(qiáng)電信號(hào)線(xiàn)排入同一線(xiàn)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(jiàn)）；隔離的模擬信號(hào)（不常見(jiàn)）；隔離的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器：使用HCPL-900(3個(gè)4路器件即可，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)要求）

隔離電路實(shí)例數(shù)控系統(tǒng)常用的接口形式機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的接口具有代表性。了解與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的接口，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)字I/O接口開(kāi)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(lèi)它們通常在數(shù)控系統(tǒng)板(控制器、驅(qū)動(dòng)器等)上都已經(jīng)過(guò)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(shí)，如果本系統(tǒng)是獨(dú)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(dòng)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(hào)和通信信號(hào)除外)。因此，與這些接口信號(hào)的硬件接口部分，還存在一個(gè)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(dòng)輸出:主要用于高頻脈沖信號(hào)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(dòng)器件。

VCCQ/0VQ2集電極開(kāi)路輸出(O.C.)或漏極開(kāi)路輸出

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