第四章隔离型DCDC变换器详解课件.ppt

隔离型DC/DC变换器,1,概述,非隔离的DC/DC变换器的局限性输入输出不隔离，形成地线上的环流输入输出电压比或电流比不能太大无法实现多路输出,2,解决方法采用变压隔离器,概述,理想变压隔离器的特征从输入到输出能够通过所有的信号频率，即从理想的直流到交流都能变换；变换时可不考虑能量损耗；变换中能提供任何选定的电压和电流变比能使输入和输出之间完全隔离变换时，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效,3,理想的变压隔离器符号,隔离型Buck变换器单端正激变换器,电路的构成,4,基本buck变换电路拓扑,Buck变换器工作波形,隔离型Buck变换器单端正激变换器,电路的构成,5,隔离型buck（正激 Forward）变换器,隔离型Buck变换器单端正激变换器,工作原理,6,N3+VD2：将残存的能量馈送到输入端，即进行磁复位。,由于磁芯的磁滞效应，当具有非零直流平均电压的单向脉冲加到变压器初级绕组上，线圈电压或电流回到零时，磁芯中磁通并不回到零，这就是剩磁通。剩磁通的累加可能导致磁芯饱和，因此需要采用磁复位（去磁技术）,（2）电感L储能，电流直线上升,隔离型Buck变换器单端正激变换器,工作原理,7,能量传递阶段,VT导通,（1）经变压器耦合和二极管VD向负载传输能量。,工作原理,8,隔离型Buck变换器单端正激变换器,磁复位阶段,VT截止,（2）副边：VD截止，VD1导通，L向负载释放能量，电流直线下降。,（1）原边：磁芯中的剩磁能量通过VD2和N3向输入电源馈送。,工作原理,9,隔离型Buck变换器单端正激变换器,续流阶段,VD2截止,磁芯中的能量释放完毕。,VD1导通或截止,（1）如果电感储能能够维持电流连续至下个周期开始，VD1始终导通。（2）如果电感电流断续，则VD1截止。,工作原理,10,隔离型Buck变换器单端正激变换器,输出电压平均值,VT截止时,隔离型Buck变换器单端正激变换器,正激变换器的设计开关管的选择（1）开关管的漏极额定电流必须大于流过IGBT漏极实际电流IDmax。,11,（2）当N1=N3时，开关管承受最大电压为2Ui,隔离型Buck变换器单端正激变换器,整流二极管、续流二极管的选择（1）流过整流二极管和续流二极管中的电流峰值均为电感电流峰值（2）VD1承受最大电压出现在VT导通时（3）VD承受最大电压出现在VT截止时,12,隔离型Buck变换器单端正激变换器,多路输出的正激变换器原理图,13,参考电压,隔离型Buck变换器单端正激变换器,例1 前页所示正激变换器，输入电源电压60V，二次主输出的平均输出电压为5V,开关频率为1kHz，输出电感电流纹波最大值为0.1A，原边边绕组匝数60，匝比Nr/Np等于1。求： （1）副边主绕组匝数最小值Nsm； （2）输出滤波电感Lom的值。,14,回顾 ：右手定则,磁场方向 电流方向,磁场方向 电流方向,11,安培环路定律,矢量H沿任意闭合曲线的积分等于此闭合曲线所包围的所有电流的代数和(图1.6),即,dl,H,I1,I2,I3,根据右图,方程右边,I4,16,磁场强度单位,如果磁场强度H与闭合路径方向一致,闭合路径的积分为,在MKS制中磁场强度单位为安/米.而在CGS制中为奥斯特,简称奥,代号Oe.它们之间的变换关系为,17,电磁感应定律,楞次定律,S,N,运动方向,18,电磁感应定律,如果是多匝线圈,式中：N磁链（Wb)韦伯,19,电路中的磁元件,1、自感自感系数,20,即,电感单位 L=伏.秒/安=欧秒=亨利 简称亨,代号H,电感的感应电势符号和单位,+ u -,电流增加,- u +,电流减少,单位,(亨),21,自感电动势与能量关系,22,能量关系,互感,线圈之间互感,23,N1,N2,i1,i2,11,12,互感系数,M,N1,N2,i1,i2,同名端用 表示,电压平衡方程式,如果两个耦合线圈都流过增量电流有,25,耦合系数,变压器1,27,空载：电压激励，初级,次级：,变比：,变压器2,变压器负载,28,u1,u2,N1,N2,k,RL,i1,i2,i2N2i2/N1次级反射电流,单端正激变换器总结：1 电路简单，多应用于中，小功率电路；2 变压器与储能电感分离，但正激需要B-H工作于1象限，所以电路需增加磁复位辅助电路；3 输入电流是脉动的，有较大尖峰出现，对器件要求较高，一般最大值为平均值的4-5倍。,COME ON,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电路的构成,29,基本Buck-Boost变换器,隔离型Buck-Boost变换器,电感隔离变换器,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电路的构成(变压器N2反绕),30,单端反激式（Flyback）变换器,VT导通时，VD截止,VT截止时，VD导通,电感储能型变换器,导通终了时，i1的幅值,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,工作原理,31,VT导通时，VD截止,i1,i2,流过N1的电流,VT截止时，VD导通,I2p为VT截止时i2的幅值,流过N2的电流,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,3种工作状态变压器磁通临界连续状态,32,VT截止时间toff和绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间相等,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变压器磁通不连续状态,34,VT截止时间toff比绕组N2中电流i2衰减到零所需的时间更长即 toff(L2/UO)I2P,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变压器磁通连续状态,35,VT截止时间较小，toff 0,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,电压传输比,36,VT导通,VT截止,伏秒平衡,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,输入输出电压关系,37,即输入功率为,VT导通期间，变压器T储能,输出功率为,假定电路无损,结论：（1）Uo与负载RL有关， RL Uo （2） Uo与导通时间成正比（3）与电感量L1成反比,教材P69,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,开关管承受电压,38,VT截止时，N1上的感应电势,VT截止时，漏-源承受的电压,隔离型Buck-Boost变换器单端反激变换器,变换器的设计变压器磁通不连续,39,开关管的选择,整流二级管的选择,单端反激变换器总结：1 电路简单，广泛应用于50W以下电路；2 变压器同时充当储能电感器，设计时比较困难；3 输入、输出电流都有较大尖峰出现，而且都是脉动的。,双端变压器隔离变换器,1、单端变压器无论是正激还是反激，功率管在开关翻转瞬间要承受2Vi。2、变压器只工作于第一象限，几个周期后，很容易进入“磁饱和”，而且变压器利用率低，只有50%。3、需要退磁电路设计。,一、回 顾,单端变压隔离器的磁通复位技术,43,使用单端变压隔离器遇到的问题,如何使变压器磁芯在每个脉动工作磁通之后都能回复到磁通起始值,去磁复位问题,开关导通时，电流很大开关断开时，过电压很高,如果每个周期不去磁，剩余磁通的累加可能导致磁芯饱和,单端变压隔离器的磁通复位技术,磁芯复位线路种类,44,采用哪种方法取决于功率P的大小和所使用的磁芯磁滞特性而定,单端变压隔离器的磁通复位技术,2种典型的磁芯磁滞特性曲线,45,低Br铁氧体、铁粉磁芯、非晶合金磁芯复位常用转移损耗法，线路简单可靠,高Br无气隙的晶粒取向镍铁合金磁芯复位常用强迫法，线路较复杂,单端变压隔离器的磁通复位技术,低Br的去磁方法,46,转移损耗法磁芯去磁线路,单端变压隔离器的磁通复位技术,低Br的去磁方法,47,再生式磁芯去磁线路,（a）能量电源,（b）能量负载,单端变压隔离器的磁通复位技术,高Br的去磁方法,48,强制磁芯去磁各种方法,（a）加恒流源和变压器附加绕组,（b）外部加永久磁铁,单端变压隔离器的磁通复位技术,高Br的去磁方法,49,强制磁芯去磁各种方法,（c）利用滤波电感作为恒流源,单端变压隔离器的磁通复位技术,高电压源变换器中去磁电路,50,双开关、单端去磁线路,利用 原边绕组本身,双管正激式DC/DC变换器,电路结构,51,工作原理,VT1、VT2同时动作,VT1、VT2同时导通：UNPUNS，iVD3 ，iVD4 关闭 IP=IS/n（n=NP/NS）,VT1、VT2同时关断：VD1，VD2将N1磁能量反馈回Ui，并嵌位；VD3关断，VD4 续流导通,注意点：D 0.5,52,双端变压隔离电路,开关管轮流工作,分类：1、推挽式2、半桥式3、全桥式,一、推挽式双端变换器,T1导通,D4导通（L储能）,占空比D0.5，ton1结束时，L通过D3放能,T2导通,D3导通（L储能）,占空比D0.5，ton2结束时，L通过D4放能,四个工作状态,推挽式双端变换器,输出电压,不足：1,、隔离变压器N1利用率低50%2、功率管耐压要求高2Ui3、存在“单向磁偏”，有可能损坏功率管,二、全桥变换器,57,全桥变换器电路拓扑演变过程,优点：UVT1maxUVT2max Ui缺点：变压器利用率较低,1.大功率场合常用电路2.VT1和VT4 、VT2和VT3同时导通3.变压器得到充分利用,全桥变换器,工作原理,58,t0t1: uG1,4=1，VT1 , VT4导通，UNP =Ui ； iVD5 ，iVD6VD5导通，VD6关断,t1t2: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui,t2t3: uG2,3=1， VT2 , VT3导通，UNP =-Ui ； iVD6 ，iVD5VD6导通，VD5关断,t3t4: uG1,4=uG2,3=0，VT1VT4关断； uVT1=uVT2=uVT3=uVT4=(1/2)Ui,全桥变换器,缓冲器的组成及作用,59,三、半桥变换器,半桥变换器的构成,60,半桥式变换器的电路拓扑,1. 用2个相同的电容器代替2个晶体管2. 降低成本，增大电路体积3. 常用于低功率变换器4. 初级电压峰值为全桥电路一半，电流为全桥的2倍,半桥变换器,工作原理,61,t0t1: uG1=1，VT1 导通，UNP =(1/2)Ui ； iVD5 ，iVD6VD5导通，VD6关断,t1t2: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断，UNP =0； uVT1=uVT2=(1/2)Ui ； VD5、VD6均导通为L提供续流回路,t2t3: uG2=1， VT2 导通，UNP =-(1/2)Ui ； iVD6 ，iVD5VD6导通，VD5关断,t3t4: uG1=uG2=0，VT1、VT2关断； uVT1=uVT2=(1/2)Ui,半桥变换器,分压电容器C1，C2的选择,62,初级电流,VT1和VT2导通时，从A点充电或取电在半周期中，C1，C2两个电容器补充电荷损失,电容器上直流电压变化的百分数与整流输出电压变化的百分数是相同的,输出电压纹波百分数,CF=C1+C2,半桥变换器,偏磁现象及其防止方法偏磁的可能性：VT1，VT2具有不同开关特性，导致伏秒不平衡，发生偏磁现象。,63,串联耦合电容改善偏磁性能,C3两端直流电压降变化速度的时间常数,半桥变换器,串联耦合电容的选择初算电容量,64,初算电容器充电电压是否过高或过低,注：谐振频率通常选fR=0.1fS,半桥变换器,直通的可能性及其防止直通：VT1、VT2两晶体管在某一时间内同时导通的现象。防止方法：对驱动脉宽最大值加于限制。从拓扑上解决，采用交叉耦合封闭电路。,65,第四章 拓展 光电隔离,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1 TLP521的各种封装及引脚排列,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设计, 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, VCCX=+5V时，R2可取3.3K,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） VCCX=+5V时， R4去掉 VCCX=+12V时，R4取6.8K(或改用ULN2004） VCCX=+24V时，R4取20K(或改用ULN2002）,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,（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,图4.7 用6N136的光隔电路,4.2DC-DC变换器的应用,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,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,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-5VBOOST 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,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,（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。,图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路,5V12V:Cin 100uf,25V24V48V:Cin 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)。,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,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/CMOS兼容，注意使能端（2）工作频率可达100M波特（3）隔离电压高达2500V,图4.21 单路,直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件,图4.21 单路,图4.22 三种器件输入/输出的方向,三种器件的性能指标均相同，仅输入、输出端口的方向不同,4.4 新型的光电隔离产品,种类： 微电流隔离器件 4mA20m专用光电隔离器件 高频隔离器件 智能功率模块（IPM）专用驱动隔离模块普通的发光二极管，发光电流应在1mA以上，达到正常亮度时，电流应达到5mA以上。光耦作为发光二极管与光敏二极管(或光敏三极管)的组合器件，也需要足够的驱动电流才能使其正常工作。在某些特定的应用场合，期望用很小的驱动电流就可使器件可靠地工作，如希望光耦能在小于1mA时能可靠地工作。,4.4.1 微电流光电隔离器件,典型器件： HCPL-2200/2219：驱动电流1.6mA、通信速率2.5MbHCPL-2300/0300：驱动电流0.5mA、通信速率8Mb 为保证8Mbd的通信速率，电源与地这间的退耦电容(0.1F)不可省略,电源:多数情况下 5V供电,直接将RL和VO相连,HCPL-2300/0300典型应用电路20pF电容为加速而设，肖特基二极管用于提高TTL的高电平阀值，防止微小的高电平漏电流造成光耦的误动作。输出上拉电阻，对不同的供电电源，建议使用图4.24中的电阻值,加速,容,电,OC门驱动HCPL-2300/0300典型应用电路如果使用OC门输出的器件驱动，则电容和肖特基二极管均可省略。OC门驱动时，常连接到发光二极管的阴极，这时输出逻辑反相,图4.25 OC门输出驱动HCPL-2300/0300的实例,RS-485直接驱动HCPL-2300/0300不平衡式电路HCPL-2300/0300可以直接由RS-485驱动器驱动，组成隔离的RS-485网络。由于实际的RS-485接收器是电压检测器件，由端接电阻完成电流-电压转换，而HCPL-2300/0300是电流检测器件，由发光二极管检测电流，因而性能上无法完全达到RS-485的指标，主要表现在通信距离有限 、接收端数目有限,通信距离不宜超过 100m,脉冲上升时间tr、下降时间传输延迟时间tPHL、tPLH,脉冲上升时间tr、下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。,波形失真：波形失真主要由于长导线导致的输入跳变与输出跳变的延时不同引起。不同的电容与电阻匹配将引起不同的tPHL和tPLH延时。影响因素除电子元件外，还有导线品质、长度、驱动器的特性等.长线驱动应改用平衡式RS-485隔离接收电路,图4.27 输入跳变与输出跳变的延时,平衡式RS-485隔离接收电路,改善波形失真，信号品质大大提高，但电路复杂,4.4.2 线接收器专用电路,使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至IN+和IN-，输出OC门应接上拉电阻。 适用：使用RS-485驱动的点对点应用,图4.29 HCPL-2602/2612的内部结构和引脚,HCPL2602/12驱动实例：,屏蔽双绞线,驱动光耦,使用注意：勿须使用端接电阻，输入接至IN+和IN-，输 出OC门应接上拉电阻。 适用：使用RS-485驱动的点对点应用,通信质量最高,使用差动驱动器驱动光耦实例,差动驱动器,20mA电流环专用隔离器件420mA电流驱动是工业控制中常用的信号传输方式,HCPL-4100为20mA电流环数字隔离传输时的专用发送器。在20k波特的通信速率下，可以可靠传送400米距离。隔离电压可达3750V(有效值)一分钟。,图4.32 HCPL-4100原理图和逻辑功能,4.5 强干扰源的隔离及抗干扰技术,功率电机、变频器等,干扰途径：电网干扰、电场干扰和电磁干扰等,抗干扰措施：,抗电网干扰：加接电源滤波器（低通）,单相电源滤波器,有多种型号,东莞泰泽电子科技有限公司单相电源滤波器,三相电源滤波器,TY460三级三相电源滤波器，用于三相电机控制,一般仪器上应用常规型电噪声较大场合应用双级电源滤波器，,隔离驱动和隔离输入方法：用于控制信号。 避免隔离的控制线与大功率电机平行走线，必要时使用屏蔽线，并将屏蔽层可靠接地,抗电场干扰和电磁干扰,采用镀锌管屏蔽，效果好，使用不方便，成本高。金属线槽， 钢板和铁皮线槽较好。注意：不可将弱电控制信号线和强电电缆排入同一线槽， 不可将传感器信号线和强电信号线排入同一线槽，,4.6 A/D、D/A的隔离技术,特殊情况下A/D、D/A采用隔离技术常用隔离方式： 隔离的微处理器数据采集系统（常见）； 隔离的模拟信号（不常见）； 隔离的A/D、D/A转换器：使用HCPL-900(3个4路器件即 可，满足数据、控制信号、状态信号要求）,隔离电路实例,数控系统常用的接口形式,机床数控系统的接口具有代表性。了解与机床数控系统的接口，对工业控制系统的数字I/O接口开发有较大的帮助 不同厂家生产的数控系统，采用的接口形式有所不同，但大致可以分为光电隔离接口方式和继电器接口方式两大类 它们通常在数控系统板(控制器、驱动器等)上都已经过必要的隔离，以防止子系统间的相互干扰。需与数控系统硬件接口时，如果本系统是独立的子系统，则往往还需在I/O部分再次隔离。尽管控制用微处理器一般使用5V供电(也有些已改用3.3V供电)，接口部分的电源电压往往仍使用24V。从节能角度看，使用较低的电源电压更利于节能，但数控系统的主要能源消耗是动力系统，而不是控制系统，因此很少有控制系统将电源电压降为12V或更低电压的(高频脉冲信号和通信信号除外)。因此，与这些接口信号的硬件接口部分，还存在一个电平转换的功能,数控系统常用的接口形式大多数数控系统的输入采用光电隔离输入,1 差动输出:主要用于高频脉冲信号的输出，或者用于串行通信的输出(RS-422串行通信方式)。AM26LS31是常用的输出驱动器件。,Q,2 集电极开路输出(O.C.)或漏极开路输出,中低频开关量的输出，便于驱动LED或继电器。ULN2003/2803或MC1413是常用的输出驱动器件。驱动器导通时，驱动电流通常能达到50mA以上。,3 电平输出,这是一种常用的电平输出方式。当VCC=24V时，高电平输出通常能达到20V。输出电流可能不大，但低电平输出时，一般能保证20mA以上。上拉电阻通常在2.2k到4.7k之间。如果需在高电平时输出较大电流，必须查阅该输出端的静态工作特性以确定工作电流。,4 推挽输出,高低电平的输出特性基本对称，一般情况下可以提供大于20mA的输出电流。通常可以驱动小型继电器。驱动小型继电器时，必须确认输出电路是否已经带有图中所示的续流二极管，如果没有，则必须外加,5 继电器触点输出,通常为机械触点输出。因此，可以接各类负载。接交流负载时，必须注意允许工作电压与允许工作电流。大多数继电器触点输出可以提供1A以上的工作电流,输入形式1 高电平输入驱动,这种形式输入时，必须了解输入信号的电压，必要时再串接限流电阻以防止烧毁输入端的发光二极管。输入信号INX是低电平有效还是高电平有效，由输入IN决定。COM通常接0V。图中INX与IN反相，所以必要时应再加反相器反相。VCC通常为5V或3.3V，上拉电阻可取4.7k或10 k。,2 低电平输入驱动,COM通常接24V，输入端IN低电平时驱动发光二极管。限流电阻根据光耦的特性按第二章的方法计算。输入信号INX是低电平有效还是高电平有效，由输入IN决定。图中INX与IN同相。VCC通常为5V或3.3V，上拉电阻可取4.7k或10 k。,3 差动输入,主要用于高频脉冲信号的输入，或者用于串行通信的输入(RS-422串行通信方式)。AM26LS32是常用的输入器件。输入电路不一定经过隔离，所以必要时应增加高速光电隔离电路,高电平驱动的电路这时的数控输出OUT与本系统输入INX的极性相反(OUT为高时，INX为低)。限流电阻R的阻值应根据电源电压和数控输出的上拉电阻共同决定，原则上按光耦的发光二极管的发光电流为10mA设计，必要时做实验确定R的阻值。这种电路的功耗较大，系统发热相对较大，对系统的稳定性不利，不推荐使用。,集电极开路输出(或漏极开路输出)电路驱动继电器是很方便的，但只能低电平时驱动。图中VCC通常可以是5V、6V、12V或24V。对于输出部分已有续流二极管的情况，二极管D1可以省略。数控系统电平输出时，驱动继电器的电路与图4.48类似，但继电器的电源电压VCC应该与数控系统输出部分的电压相同。,当系统输出连接到数控系统输入时，必须区分数控系统的输入形式。连接高电平输入驱动的电路(a)时，通常要求高电平时输入电压达到电源电压减1V(12V供电时)或2V(24V供电时)以上，驱动电流达到20mA以上，不使用专用驱动电路是很难达到这样的高电平电压和输出电流的 连接低电平输入驱动的电路(b)时，如果驱动电流可小于10mA，则也可直接使用光耦的输出三极管作为驱动管，将发射极接地，组成O.C.门输出电路。需要更大电流时，使用ULN2003/ULN2803或类似电路驱动是合适的,U1可以改用四路隔离光耦以增大输出信号数目，T0T6为输出端(部分信号未连接)，最大可提供300mA以上的驱动电流，COM通常接+24V，如果排阻的上拉电压不是24V，则阻值应相应减小。,图4.49需大电流的低电平输出隔离驱动电路,