开关量输入输出的隔离技术

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 开关量输入输出的隔离技术,开关量的输入输出隔离主要有两个目的：,电气隔离,，防止被隔离两边的电噪声干扰；,电平转换,，两边的工作电平、电源电压、信号极性都可以不同。,1、廉价实用的TLP521-X,TLP521-1,TLP521-2,TLP521-4,图4.1,TLP521的各种封装及引脚排列,4.1开关量输入端隔离,开关量的输入隔离一般使用,光电隔离器件,。可以使用的光电隔离器件很多，有许多器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用,TLP521-X,即可,工作频率不高，一般限制在10KHZ以内,A图输入高电平，输出高电平，输入低电平，输出低电平；b图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平,图4.2 基本的光电隔离电路,（1）R1可按驱动电流,510mA,选择驱动发光二极管的驱动器件任意，只要能保证长时间提供510mA电流即可,（2）,R2可取2.2K10K,，太小则电路功耗增大，太大则抗干扰能力减弱，且关断时输出端的上升速度将减慢,V,CCX,=+5V时，R2可取3.3K,V,CC,IN1,V,CC X,D,OUT,GNDX,R1,R2,TLP521,基本的光隔电路（一）,图4.2,基本的光隔电路（a）,（1）,此种接法更为常用,（2）V,CCX,=+5V时，R4去掉,V,CCX,=+12V时，R4取6.8K(或改用ULN2004）,V,CCX,=+24V时，R4取20K(或改用ULN2002）,V,CC,IN1,V,CC X,ULN2003,R3,R4,TLP521,基本的光隔电路（二）,图4.2,基本的光隔电路（b）,D1D4用于,输入状态,的直观显示，R1R4的输入,限流电阻,，使用1/4瓦电阻即可。不使用D1D4时，限流电阻取330即可。输出上拉电阻功耗较小，可以使用排阻。要求响应速度较高时，排阻阻值应适当减小。图中假设VCC和VCCX均为5V。,图4.3 实用的隔离电路输入,TLP521的正常工作频率应限制在10kHz以下，在大于10kHz时，必须考虑负载电阻对工作频率的影响。原则上，降低负载电阻阻值对工作频率的提高有利，负载电阻最低可降至1k。对波形要求较高的场合，工作频率应适当降低，并应在输出端加接施密特触发器整形电路。,图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响,2、高频脉冲的隔离,对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔,如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ),4N35,6N136,光敏二极管的开关时间,通常比光敏三极管小,负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500。带基极引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以50k到100k为佳。如省略该电阻，则开关时间会大45倍，则开关频率就降低45倍。不应该省略该电阻。,图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响,影响工作频率的因素：,（1）负载电阻，越小，开关速度越快,最好不小于1000,（2）基极电阻，一般取50K100K,LED+,LED-,NC,B,C,E,D,IN,D,OUT,7406,R1,R1,100k,R3,550,V,CC,V,CC X,4N35,GNDX,74LS14,图4.6 可以工作到115.2波特的,光隔电路,（1）VCCX取5V时，负载电阻R3应取2.2K3.3K,（2）74LS14用于整形，,为保证输出波形为理想的方波，防止出现干扰脉冲等非正常情况的发生，输出端使用施密特触发器对波形整形,D,IN,D,OUT,7406,R1,R3,2.2K,V,CC,V,CC X,6N136,GNDX,74LS14,图4.7 用6N136的,光隔电路,4.2DC-DC变换器的应用,独立的直流电源,是光电隔离电路的基本条件。,DC-DC变换器,通常可以提供几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出,从工作原理分，DC-DC变换器通常有,电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压,等多种。前几种的变压通常是全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提供1000V以上的电压隔离。,集成电路DC-DC变换器,电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压,隔离变压器型DC-DC变换器,真正隔离,1、集成电路DC-DC变换器,效率高、体积小、以小电流应用为主,(,互补电压：,电路生成两个模拟,电压,，用一种互补方式可以改变这两个电压。当直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为恒定值：VOUT+VOUTC=VREF）,（1）ICL7660 Intersil公司 输出：1.5V10V 输：,互补电压,（,通常为正电压入、负电压出),主要用于单电源供电的A/D转换场合,（2）MAX640/MAX848Maxim公司 输入：5V 输出：,3.3V,典型应用为给低电压器件供电,（3）MAX735 输入：4V6.2V 输出：,5V,（4）MAX737 输入：4V8.6V 输出：,15V,-15V输出可给LCD提供负偏置电压,单电源输出变换器,（1）MAX742,输入：4.2V10V 输出：,12V，15V,2A,（2）MAX743,输入：5V 输出：,12V，,15V,100mA,MAX743的最大电流可达100mA，而 MAX742的最大电流则可达2A,双电源输出变换器,BUCK 降压型 是指输入电压大于输出电压 如12V-5V,BOOST 则反之 5V-12V,单电源变双电源4.2V10V直流电源变成双,12V，15V,直流电源,集成运算放大器、AD转换器常用双电源,ICL7660(A)提供从,1.5V到10.0V的互补电压，以电荷泵原理工作，需外接泵电容两个。,泵电容,通常选用10f的电解电容。7脚为振荡器输入，不接时使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降低振荡频率时泵电容的容量应加大，加大到100f可保证任何振荡频率都能正常工作(最低1kHz)。6脚为低压调整端。,当工作电压低于3.5V时，6脚应接地，否则浮空,。,图4.8 ICL7660的泵电容连接,低电压器件供电,器件工作时需在,输出端,增加三个元件：一个二极管、一个电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流，电感应选用100H，电容应选用100F，二极管可以使用常用的1N5817或相当的肖特基二极管。输出,电压,5V/3.3V/3V,图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接,低电池电压检测输入,低电池电压检测输出,适于A/D转换器或模拟放大器使用的，通常是双电源输出型。MAX743可提供12V或15V的,对称电压,，MAX743的最大电流可达100mA，图中两个电感100H、两个电解电容100F和两个肖特基二极管1N5817,图4.10,双电源输出变换器,MAX473的基本应用电路,2、隔离变压器型DC-DC变换,DC-DC变换器通常使用高频变压器(25kHz)隔离，再作整流及稳压器件体积通常相对较大,（1）固定电压输入（用于信号隔离）,宽电压输入（用于未经稳压的输入电压）,（2）,选取器件:1),根据输入、输出电压选取器件;2)输出电流应按系统最大工作电流的,1.21.5,倍,计算需要的功率，根据功率选用(DC-DC变换器通常以输出功率标注);3)再次要注意器件输出电压是否已经过稳压，经过稳压的输出波纹有多大,（3）尽量选用经稳压的。,稳压输出的DC-DC变换器的输出电压稳定度通常优于1%，交流波纹电压也很小，一般情况下可以直接使用。,C,in,C,out,V,in,+V,OUT,GND,-V,OUT,100uf,25V,图4.11,DC-DC变换器模块的使用电路,5V12V:C,in,100uf,25V,24V48V:C,in,10uf,100V,器件功率增加时，输入、输出电容应相应增大。无稳压输出的DC-DC变换器使用时必须注意：负载电流不可小于额定电流的20%，不足时应加装,假负载,(功率足够的电阻),。,C,in,C,out,V,in,+V,OUT,GND,-V,OUT,100uf,25V,使用DC-DC变换器模块非常方便，仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容,滤波电容的选取,4.3专用隔离芯片及模块,1、RS-422/485隔离芯片,隔离收发器,MAX1480用于RS-485半双工网络,MAX1490用于RS-422全双工网络,MAX3157全双工或半双工，但不是真正的隔离,MAX3157的使用方便，仅需提供两个0.047F的隔离电容。器件的隔离电压为50V。为保证该隔离电压，要求隔离电容的耐压必须高于50V。该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式，更重要的是器件可以选择反相输出，当信号线正反接反时，可以自动倒相,典型芯片及用途,图4.12 RS-485/RS-422 隔离集成电路,隔离电容,应用特点,：提供隔离电容、隔离电压50V,2、模拟隔离放大器,（1）AD202/204(低成本线性隔离放大器),2端口，变压器耦合,隔离电压高达2000V,共模抑制比,(,放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率放大的程度。亦指电压或,电流,的放大倍数,通常以分贝(dB)数来规定。),高130db，信号最高频率,5KHZ,供电电压15V，可提供,7.5V电源(0.4mA/2mA),（2）MAX210(三端口宽频带隔离放大器),3端口，变压器耦合,隔离电压高达2500V,共模抑制比高120db,信号最高频率可达,20KHZ,供电电压15V,可提供15V电源（5mA）,（3）ISO1001,光电耦合,隔离放大器按,传输信号,的类型。可以分为,模拟隔离和开关隔离放大器,。模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵常见模块,（1）AD202:2端口，隔离电压2000V,图4.13 低成本线性隔离放大器AD202,采样/保持电路,对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度,要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起来，保持不变。但在转换之后，又要求A/D转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称,采/保(S/H),。,最基本的采/保电路由模拟开关，保持电容和缓冲放大器,组成,A,V,O,_,图8-38 采样/保持器原理图,+,Vi,Vc,C,H,S,增益1：1,反相输入,同相输入,（2）AD210:,图4.14 AD210结构框图,3端口，宽频带隔离放大器，频率20Hz、隔离电压2500V、输出阻抗低可提供15V电源（5mA）,供电15V,增益1：1,图4.15 AD210的基本应用电路,同相输入,反相输入,应用举例,AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 k)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。,3、高频逻辑门专用隔离电路,（1）输入电流仅需5mA（有的更低），OC门输出，通信速率可达,10M,波特以上，有极高的抗共模干扰性能和极高的隔离耐压,（2）有单路、双路、四路多种封装,图4.17,单路封装,图4.19,双路封装,特点及常见模块,适用,于多路逻辑隔离，如,并行A/D,D/A,特点,：有极高的,电流传输比,(输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR)，,达到1500%。发光二极管,最小驱动电流0.5mA，,5mA时工作频率最高,高频逻辑门专用隔离电路,简单化是逻辑电路在6N136的基础上，将输出电路做成与TTL兼容的标准逻辑电路，这就是6N137,，,6N137典型应用,图4.18,6N137典型应用,电路(单路）,直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件,（1）输出3.3V,+5V,TTL