一种直流电压隔离电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子设备技术领域，特别涉及一种直流电压隔离电路。
【背景技术】
[0002]在微机控制系统中，干扰信号通常通过电源线和地线串入主控系统，从而引起控制芯片出错或出现一些预期以外的现象发生。因此必须加强数据采集与数据控制之间的抗干扰设计。然而，在控制系统中，不可避免的需要用到电压控制外部器件或采集外部器件的反馈的电压信号，需要进行直流电压隔离。
[0003]目前常见的直流电压隔离采用两种方式来实现，方案一是采用高速线性光耦，高速线性光耦价格较高，并且其电流传输比容易发生编发，导致隔离采样电路稳定性下降，可靠性较低。方案二是采用现成的电压隔离模块，模块里集成了逆变一一变压一一整流等模块，实现起来比较复杂，并且价格同样较高。
[0004]因此，有必要对现有技术进行改进。
【实用新型内容】
[0005]鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种直流电压隔离电路，以解决现有直流电压隔离电路成本较高、可靠性较低的问题。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案:
[0007]—种直流电压隔离电路，其包括:输入单元、反馈单元、比较单元和电压跟随单元；
[0008]所述输入单元将输入电压转换成对应的电流信号、并对所述电流信号采样获得第一电压;反馈单元将比较单元输出的第三电压转换成对应的电流信号并采样、获得第二电压；比较单元将第一电压与第二电压进行比较并输出第三电压给电压跟随单元；电压跟随单兀对第三电压进行功率放大后获得输出电压。
[0009]所述的直流电压隔离电路中，所述输入单元包括第一光电耦合器、第一电阻、第二电阻和第一电容；
[0010]所述第一光电親合器的阳极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接电压输入端和第一电容的一端，第一光电親合器的阴极连接第一电容的另一端和地，第一光电親合器的集电极连接电源端，第一光电耦合器的发射极连接第二电阻的一端和比较单元，第二电阻的另一端连接反馈单元和地。
[0011]所述的直流电压隔离电路中，所述反馈单元包括第二光电耦合器和第三电阻；
[0012]所述第二光电耦合器的阳极连接比较单元，第二光电耦合器的阴极接地，第二光电耦合器的集电极连接电源端，第二光电耦合器的发射极连接第三电阻的一端和比较单元，第三电阻的另一端连接第二电阻的另一端和地。
[0013]所述的直流电压隔离电路中，所述比较单元包括第一运算放大器、第四电阻和第五电阻；
[0014]所述第一运算放大器的同向输入端连接第一光电親合器的发射极和第二电阻的一端，第一运算放大器的反向输入端连接第二光电親合器的发射极和第三电阻的一端，第一运算放大器的输出端连接第四电阻的一端、第五电阻的一端和电压跟随单元，第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端连接第二光电耦合器的阳极。
[0015]所述的直流电压隔离电路中，所述比较单元还包括第二电容；
[0016]所述第二电容的一端连接第一运算放大器的输出端，第二电容的另一端连接第一运算放大器的反向输入端。
[0017]所述的直流电压隔离电路中，所述电压跟随单元包括第二运算放大器、第三电容、第六电阻和可调电阻；
[0018]所述第二运算放大器的同向输入端连接第一运算放大器的输出端，第二运算放大器的反向输入端连接第二运算放大器的输出端、第六电阻的一端和第三电容的一端，所述第六电阻的另一端连接可调电阻的一端和电压输出端，可调电阻的另一端连接可调电阻的控制端、第三电容的另一端和地。
[0019]所述的直流电压隔离电路中，所述第六电阻和可调电阻的阻值关系为:10K〈R6+VRK100K, R6为第六电阻的阻值，VRl为可调电阻的阻值。
[0020]相较于现有技术，本实用新型提供的直流电压隔离电路，通过输入单元将输入电压转换成对应的电流信号、并对所述电流信号采样获得第一电压;反馈单元将比较单元输出的第三电压转换成对应的电流信号并采样、获得第二电压；比较单元将第一电压与第二电压进行比较并输出第三电压给电压跟随单元；电压跟随单元对第三电压进行功率放大后获得输出电压;通过输入单元的电压电流转换对输入电压进行隔离，通过反馈单元和比较单元的比较反馈以得到动态平衡，构成了具有线性传输特性的隔离放大电路来实现电压的线性隔离和抗干扰，其电路结构简单，电子元器件的成本很低，从而达到了降低成本、提高可靠性的目的。
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型实施例提供的直流电压隔离电路的结构框图。
[0022]图2为本实用新型实施例提供的直流电压隔离电路的电路图。
【具体实施方式】
[0023]本实用新型提供一种直流电压隔离电路，应用于低成本的电压测量领域。利用光电转换技术和电压负反馈方法，采用普通的非线性光耦与普通的运算放大器，构成具有线性传输特性的隔离放大电路来隔离控制电路与外界电路，以实现电压的线性隔离和抗干扰，从而达到降低成本、提高可靠性的目的。为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0024]请同时参阅图1和图2，本实用新型实施例提供的直流电压隔离电路包括输入单元100、反馈单元200、比较单元300和电压跟随单元400。所述输入单元100将输入电压Vin转换成对应的电流信号、并对所述电流信号采样获得第一电压VI;电压转换成电流即实现了输入与输出的完全电器隔离。反馈单元200将比较单元300输出的第三电压V3转换成对应的电流信号并采样、获得第二电压V2。比较单元300将第一电压Vl与第二电压V2进行比较并输出第三电压V3给电压跟随单元400。电压跟随单元400对第三电压V3进行功率放大后获得输出电压Vout。
[0025]如图2所示，所述输入单元100包括第一光电耦合器U1A、第一电阻Rl、第二电阻R2和第一电容Cl ；所述第一光电親合器UlA的阳极连接第一电阻Rl的一端，第一电阻Rl的另一端连接电压输入端和第一电容Cl的一端，第一光电親合器UlA的阴极连接第一电容Cl的另一端和地，第一光电耦合器UlA的集电极连接电源端VCC，第一光电耦合器UlA的发射极连接第二电阻R2的一端和比较单元300，第二电阻R2的另一端连接反馈单元200和地。
[0026]其中，输入电压Vin从电压输入端输入。第一电容Cl用于滤除输入电压Vin的纹波并起到稳压的作用，较佳地第一电容Cl的容值为0.luF。输入电压Vin通过第一光电耦合器UlA转换成电流信号，在这个过程中实现了输入与输出的完全电气隔离。之后再通过第二电阻R2采用，即可将隔离后的电流信号变成对应第一电压VI，输入到比较单元300中与反馈单元200输出的第二电压V2(也叫反馈电压)进行比较。
[0027]本实施例中，所述反馈单元200包括第二光电耦合器UlB和第三电阻R3;所述第二光电耦合器UlB的阳极连接比较单元300，第二光电耦合器UlB的阴极接地，第二光电耦合器UlB的集电极连接电源端VCC，第二光电耦合器UlB的发射极连接第三电阻R3的一端和比较单元300，第三电阻R3的另一端连接第二电阻R2的另一端和地。
[0028]其中，反馈单元200根据比较单元300的输出电压控制第二光电耦合器UlB的导通发光状态。若比较单元300输出高电平，则控制第二光电耦合器UlB的发光二极管发光，使光电三极管导通，从而将高电平转换成对应的电流信号。该电流信号通过第三电阻R3采样变成第二电压V2并输入到比较单元300中与第一电压Vl进行比较。
[0029]所述比较单元300包括第一运算放大器U2A、第四电阻R4和第五电阻R5;所述第一运算放大器U2A的同向输入端(即第3脚)连接第一光电耦合器UlA的发射极和第二电阻R2的一端，第一运算放大器U2A的反向输入端(即第2脚)连接第二光电耦合器UlB的发射极和第三电阻R3的一端，第一运算放大器U2A的输出端连接第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端和电压跟随单元400，第四电阻R4的另一端接地，第五电阻R5的另一端连接第二光电耦合器UlB的阳极。
[0030]其中，所述第四电阻R4在电路启动阶段起下拉作用，使得第一运算放大器U2A输出的第三电压V3处于接近零电位的稳定状态，在电路达到动态平衡作为假性负载，使得第三电压V3更稳定。较佳地，所述第四电阻R4的阻值为1K Ω?10K Ω。同时，该第四电阻R4还可使初始状态下，第一运算放大器U2A的反向输入端上的第二电压V2为零电位，则电路启动时，第一运算放大器U2A先输出高电平的第三电压V3。该高电平经过第二光电耦合器UlB转换成电流信号，再经过第三电阻R3采样变成第二电压V2输入到第一运算放大器U2A与第一电压Vl继续比较。随着第一运算放大器U2A输出端电位(即第三电压V3)的上升，第一运算放大器U2A反向输入端的电位(即第二电压V2)也随之上升，当反向输入端电位与同向输入端电位相同时，反馈单元达到平衡稳定状态，在输入电压Vin不改变的情况下，第一运算放大器U2A输出端的电压保持稳定。同时，第一运算放大器U2A输出的第三电压V3还传输至电压跟随单元400进行电压跟随输出。
[0031]进一步实施例中，所述比较单元300还包括第二电容C2，所述第二电容C2的一端连接第一运算放大器U2A的输出端，第二电容C2的另一端连接第一运算放大器U2A的反向输入端。所述第二电容C2在电路启动阶段起缓冲作用，使得第三电压V3变化更为平缓，并在电路达到动态平衡时使第三电压V3更稳定。较佳地，所述第二电容C2的容值为47uF。
[0032]请继续参阅图2，所述电压跟随单元400包括第二运算放大器U2B、第三电容C3、第六电阻R6和可调电阻VERl;所述第二运算放大器U2B的同向输入端(即第5脚)连接第一运算放大器U2A的输出端，第二运算放大器U2B的反向输入端(即第6脚)连接第二运算放大器U2B的输出端(即第7脚)、第六电阻R6的一端和第三电容C3的一端，所述第六电阻R6的另一端连接可调电阻VERl的一端和电压输出端，可调电阻VERl的另一端连接可调电阻VERl的控制端、第三电容C3的另一端和地。
[0033]其中，第二运算放大器U2B输出第四电压V4，通过第六电阻R6和可调电阻VERl分压后获得输出电压Vout。第二运算放大器U2B在此电路中用作电压跟随器，则第一运算放大器U2A输出的第三电压V3通过电压跟随器进行功率放大，以增强驱动能力。所述第三电容C3用于滤除第四电压V4的纹波并起到稳压作用，较佳地取值为0.luF。
[0034]请继续参阅图2，所述直流电压隔离电路的输出电压与输入电压成线性关系，具体如下所示。为方便叙述整个电路原理，对电路相关参数使用的一些英语缩写符号进行表示，列明如下:
[00；35] Vf，表不第一光电親合器U1A、第二光电親合器UlB的发光二极管正向偏压电压值；
[0036]K，表不第一光电親合器U1A、第二光电親合器UlB的电流传输系数；
[0037]Idl，表示第一光电耦合器UlA的发光二极管导通时通路上的电流值；
[0038]Icl，表示第一光电耦合器UlA的光电三极管受光照时在集电极与发射极通路上激发产的电流值；
[0039]Id2，表示第二光电耦合器UlB的发光二极管导通时通路上的电流值；
[0040]Ic2，表示第二光电耦合器UlB的光电三极管受光照时在集电极与发射极通路上激发产的电流值；
[0041]V3-V1，表示第一运算放大器U2A的同向输入端(即第3脚)上的电压值；
[0042]V2，表示第一运算放大器U2A的反向输入端(即第2脚)上的电压值；
[0043]V1-V3，表示第一运算放大器U2A的输出端(即第I脚)上的电压值；
[0044]V7-V4，表示第二运算放大器U2B的输出端(即第7脚)上的电压值；
[°°45] Vin，表不输入电压的电压值；
[°°46] Vout，表不输出电压的电压值。
[0047]当输入电压Vin引入一个大于第一光电耦合器UlA的发光二极管Vf的确定的电压时，发光二极管导通并在其通路上产生电流Idl，Idl = (Vin-Vf)/Rl。根据光电耦合器工作原理，发光二极管通电导通后产生光线，光线照射到光电三极管之后，光电三极管集电极与发射极之间将产生电流Icl，Icl=K*Idl。根据运算放大器虚断的概念，可认为电流Icl不会注入第一运算放大器U2A的同向输入端，而是全部通过第二电阻R2，由欧姆定律得，Vl=Icl*R2。由上述三式可得:
[0048]Vl =R2*K* (Vin-Vf)/Rl。------1 式
[0049]此电路中，第一运算放大器U2A并未将输出的第三电压V3反馈到其两个输入端，则第一运算放大器U2A工作在开环放大状态，于是可将第一运算放大器U2A看作是一个带推挽输出功能的比较器。
[0050]当输入电压Vin升高使第一电压Vl上升时，出现V1>V2，于是第三电压V3上升。当第三电压V3上升至大于Vf时，第二光电耦合器UlB的发光极管导通并在其通路上产生电流Id2，Id2=(Vl-Vf)/R5。根据光电耦合器工作原理，发光二极管通电导通后产生光线，光线照射到光电三极管之后，光电三极管集电极与发射极之间将产生电流Ic2，Ic2=K*Id2。根据运算放大器虚断的概念，可认为电流Ic2不会注入第一运算放大器U2A的反向输入端，另外第二电容C2具有隔离直流特性，所以电流Ic2将全部通过第三电阻R3，由欧姆定律得，V2=Ic2*R3。由上述三式可得:
[0051 ] V2=R3*K*(V1-Vf)/R5。-------2 式
[0052]由上式可见，随着第三电压V3上升，第二电压V2也同步上升。当V2=V1时，第三电压V3将达到动态平衡，保持稳定。
[0053]将I式，2式代入V2=V1可得，R3*K*(Vl-Vf)/R5=R2*K*(Vin-Vf)/Rl。
[0054]约去K得，R3*(Vl-Vf)/R5=R2*(Vin-Vf)/Rl。
[0055]由此可见，当使R2=R3，R1=R5，则有 V3=Vin。--------3 式
[0056]由于第二运算放大器U2B在此电路中用作电压跟随器，
[0057]所以V4=V3。--------4 式
[0058]第六电阻R6与可调电阻VERl组成线性电路，由线性电路特性可得，Vou t=V4* (R6/VRl )，VRl为可调电阻VERl当前的阻值。
[0059]结合3式，4式，可得Vout=Vin*(R6/VR1)。
[0060]第六电阻R6和可调电阻VERl的值可根据输出电压Vout的需求进行选择，只要满足10K〈R6+VR1〈100K，电路即能工作在理想状态。
[0061]为了使用两个光电耦合器(可采用的型号为TP521-2)，两个运算放大器(可采用的型号为0P747或LM358)工作在理想状态，本实施例中，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第五电阻R5的阻值均为1K欧姆。
[0062]在实际应用中，除了需要等比例的线性隔离电路以外，还可能需要使用等比例线性放大的隔离电路。本实用新型提供的直流电压隔离电路除了可以实现等比例线性隔离夕卜，还可以实现适当比例的放大，只需适当的提高R5/R1这两个电阻值的比例即可，该比例通常小于2。
[0063]综上所述，本实用新型提供的一种直流电压隔离电路，通过设置普通的非线性光耦(即第一光电耦合器)对输入电压进行隔离，隔离后通过比较电路(内置的元器件都很普通且成本低)对两路光耦输出的电压进行比较及反馈，即可实现电压隔离的功能并得到动态平衡。所有物料总成本可低于10元以下，非常低廉实用，并且能实现模拟量的线性传输、线性度非常理想，是一个实用可靠性较高的线性隔离电路。
[0064]可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种直流电压隔离电路，其特征在于，包括:输入单元、反馈单元、比较单元和电压跟随单元； 所述输入单元将输入电压转换成对应的电流信号、并对所述电流信号采样获得第一电压;反馈单元将比较单元输出的第三电压转换成对应的电流信号并采样、获得第二电压;比较单元将第一电压与第二电压进行比较并输出第三电压给电压跟随单元;电压跟随单元对第三电压进行功率放大后获得输出电压。2.根据权利要求1所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述输入单元包括第一光电親合器、第一电阻、第二电阻和第一电容； 所述第一光电親合器的阳极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接电压输入端和第一电容的一端，第一光电親合器的阴极连接第一电容的另一端和地，第一光电親合器的集电极连接电源端，第一光电耦合器的发射极连接第二电阻的一端和比较单元，第二电阻的另一端连接反馈单元和地。3.根据权利要求2所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述反馈单元包括第二光电耦合器和第三电阻； 所述第二光电耦合器的阳极连接比较单元，第二光电耦合器的阴极接地，第二光电耦合器的集电极连接电源端，第二光电耦合器的发射极连接第三电阻的一端和比较单元，第三电阻的另一端连接第二电阻的另一端和地。4.根据权利要求3所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述比较单元包括第一运算放大器、第四电阻和第五电阻； 所述第一运算放大器的同向输入端连接第一光电親合器的发射极和第二电阻的一端，第一运算放大器的反向输入端连接第二光电親合器的发射极和第三电阻的一端，第一运算放大器的输出端连接第四电阻的一端、第五电阻的一端和电压跟随单元，第四电阻的另一端接地，第五电阻的另一端连接第二光电耦合器的阳极。5.根据权利要求4所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述比较单元还包括第二电容； 所述第二电容的一端连接第一运算放大器的输出端，第二电容的另一端连接第一运算放大器的反向输入端。6.根据权利要求4所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述电压跟随单元包括第二运算放大器、第三电容、第六电阻和可调电阻； 所述第二运算放大器的同向输入端连接第一运算放大器的输出端，第二运算放大器的反向输入端连接第二运算放大器的输出端、第六电阻的一端和第三电容的一端，所述第六电阻的另一端连接可调电阻的一端和电压输出端，可调电阻的另一端连接可调电阻的控制端、第三电容的另一端和地。7.根据权利要求6所述的直流电压隔离电路，其特征在于，所述第六电阻和可调电阻的阻值关系为:10K〈R6+VR1〈10K，R6为第六电阻的阻值，VRl为可调电阻的阻值。
【专利摘要】本实用新型公开了一种直流电压隔离电路，包括输入单元、反馈单元、比较单元和电压跟随单元；所述输入单元将输入电压转换成对应的电流信号、并对所述电流信号采样获得第一电压；反馈单元将比较单元输出的第三电压转换成对应的电流信号并采样、获得第二电压；比较单元将第一电压与第二电压进行比较并输出第三电压给电压跟随单元；电压跟随单元对第三电压进行功率放大后获得输出电压；通过输入单元的电压电流转换对输入电压进行隔离，通过反馈单元和比较单元的比较反馈以得到动态平衡，构成了具有线性传输特性的隔离放大电路来实现电压的线性隔离和抗干扰，其电路结构简单，电子元器件的成本很低，从而达到了降低成本、提高可靠性的目的。
【IPC分类】H03K19/14, H03K19/0175
【公开号】CN205385471
【申请号】CN201620003295
【发明人】曾红友, 黄北勇, 吴国辉, 霍炜彬
【申请人】深圳安科高技术股份有限公司
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年1月5日