平面变压器隔离固态继电器的制作方法

本实用新型涉及继电器技术领域，具体涉及一种平面变压器隔离固态继电器。

背景技术：

随着武器型号小型化的发展趋势，对部件体积小型化提出了更高的要求。电气隔离型固态继电器作为军用控制系统的重要部件，目前的电气隔离型固体继电器一般采用导线绕组变压器或者光电耦合器等作为输入控制信号和输出信号的隔离耦合器件。然而，导线绕组变压器存在制造工艺繁琐，劳动量大，成本高，一致性差，体积大，重量大等缺点；而光电耦合器需要独立电源供电，增加了电路的复杂性，成本增加，可靠性降低，此外光耦还存在传输延迟较大，寿命短等缺点。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的是是现有固态继电器所存在的不足，提供一种平面变压器隔离固态继电器，其采用平面变压器完成输入信号与输出信号之间的电气隔离，能够满足固态继电器小型化、质量轻和薄型化要求，具有生产过程简单、低成本、高可靠性，高集成度等特点。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

平面变压器隔离固态继电器，包括至少1个通道的平面变压器隔离固态继电器；每个通道的平面变压器隔离固态继电器主要由低通滤波电路、施密特触发门限电路、振荡电路、平面变压器、阻抗匹配电路、整流倍压电路、功率管驱动电路和功率管组成；其中平面变压器包括初级平面线圈和次级平面线圈；外部输入控制信号与低通滤波电路的输入端相连；低通滤波电路的输出端与施密特触发门限电路的输入端相连；施密特触发门限电路的输出端与振荡电路输入端相连；振荡电路与平面变压器的初级平面线圈连接，并作为振荡电路的一部分；平面变压器的次级平面线圈与阻抗匹配电路连接，并作为阻抗匹配电路的一部分；阻抗匹配电路输出端与整流倍压电路的输入端相连；整流倍压电路的输出端与功率管驱动电路的输入端相连；功率管驱动电路的输出端与功率管的控制端相连；功率管的输出端向外部输出功率信号。

上述方案中，功率管为场效应管、三极管、达林顿管或绝缘栅双极型晶体管。

上述方案中，平面变压器的初级平面线圈和次级平面线圈印制在同一块印制电路板的不同层上，其中初级平面线圈由印制在该印制电路板上的至少 1层盘旋状的覆铜箔导电带构成，次级平面线圈由印制在该印制电路板上的至少1层盘旋状的覆铜箔导电带构成。

上述方案中，在印制电路板的厚度方向上，初级平面线圈的每层覆铜箔导电带相互之间重叠，次级平面线圈的每层覆铜箔导电带相互之间也重叠，初级平面线圈的覆铜箔导电带与次级平面线圈的覆铜箔导电带相互重叠。

上述方案中，低通滤波电路包括电阻R1，电容C1-C2和运算放大器U1；电阻R1的一端作为低通滤波电路的输入端；电阻R1的另一端连接电容C1的一端和运算放大器U1的正输入端；电容C1的另一端接地；电容C2的两端分别与运算放大器U1的正电源端和负电源端相连；运算放大器U1的负输入端与运算放大器U1的输出端相连，并作为低通滤波电路的输出端。

上述方案中，施密特触发门限电路包括电阻R2-R7，电容C3和三极管 VT1-VT2；三极管VT1的基极作为施密特触发门限电路的输入端；电阻R2的一端连接三极管VT1的基极，电阻R2的另一端接地；三极管VT1的发射极经由电阻R4接地；三极管VT1的集电极经由电阻R3接电源VCC；电阻R5与电容C3并联后，其一端连接三极管VT1的集电极，另一端连接三极管VT2的基极；电阻R6的一端连接三极管VT2的基极，电阻R6的另一端接地；三极管 VT2的集电极经电阻R7接电源VCC；三极管VT1的发射极与三极管VT2的发射极相连；三极管VT2的集电极作为施密特触发门限电路的输出端。

上述方案中，振荡电路包括电阻R8-R9，电容C4-C6和三极管VT3；电阻 R8和电容C4并联后，一端作为振荡电路的输入端，并与平面变压器的初级平面线圈的一端相连，另一端与三极管VT3的基极相连；电阻R9和电容C4 并联后，一端与三极管VT3的基端相连，另一端接地；电容C6的两端分别与三极管VT3的集电极和发射极相连；三极管VT3的发射极接地；三极管VT3 的集电极与平面变压器的初级平面线圈的另一端相连。

上述方案中，整流倍压电路包括电容C7-C12和双二极管VD1-VD3；电容 C7的一端作为整流倍压电路的输入端，电容C7的另一端连接双二极管VD1 的第3端；电容C8的两端分别与双二极管VD1的第1端和第3端相连；电容C9的两端分别与双二极管VD1的第3端和双二极管VD2的第3端相连；电容C10的两端分别与双二极管VD2的第1端和第3端相连；电容C11的两端分别与双二极管VD2的第3端和双二极管VD3的第3端相连；电容C12的两端分别与双二极管VD3的第1端和第3端相连；双二极管VD1的第1端接地；双二极管VD1的第2端与双二极管VD2的第1端相连；双二极管VD2的第2端与双二极管VD3的第1端相连；双二极管VD3的第2端作为整流倍压电路的输出端。

上述方案中，功率管驱动电路包括电阻R10-R14，电容C13，运算放大器 U3和稳压管VD4；电阻R10的一端作为功率管驱动电路的输入端，电阻R10 的另一端连接运算放大器U3的负输入端；电阻R11的一端连接运算放大器 U3的正输入端，电阻R11的另一端接地；电阻R12的一端连接运算放大器U3 的负输入端，电阻R12的另一端连接运算放大器U3的输出端；电容C13连接运算放大器U3的正电源端和负电源端；电阻R14与稳压管VD4并联；稳压管VD4的正端接地；电阻R13的一端连接运算放大器U3的输出端；电阻R13的另一端与稳压管VD4的负端相连后，作为功率管驱动电路的输出端。

上述平面变压器隔离固态继电器的运行方法，包括如下步骤：

外部控制信号引入低通滤波电路的输入端，通过低通滤波电路对输入控制信号进行低通滤波，去除控制信号中的高频干扰；

去除高频干扰后的控制信号，从低通滤波电路的输出端输出，引入施密特触发门限电路的输入端，施密特触发门限电路对控制信号进行整形，形成数字方波信号，并添加电压窗口迟滞效应，避免在临界电压点上形成振荡；

经过滤波整形后的控制信号，从施密特触发门限电路的输出端输出，引入振荡电路的输入端，控制信号在振荡电路发生振荡，产生高频正弦信号；

平面变压器的初级平面线圈为振荡电路提供电感并作为输出端，通过磁场耦合作用，将能量传送到平面变压器的次级平面线圈；

平面变压器的次级平面线圈作为接收能量的接收端，用于完成接收平面变压器初级传送来的能量；

平面变压器接收的正弦信号由阻抗匹配网络完成阻抗匹配，减少信号的反射，实现最大耦合效率；

整流倍压电路对接收到的控制信号进行整流滤波，然后对整流滤波得到的低压信号进行升压处理，产生符合要求的高电平信号；

功率管驱动电路对前级输入的信号进行功率放大，产生符合要求的功率管驱动信号，驱动功率管动作去输出功率信号，进而驱动输出负载。

本实用新型采用平面变压器作为固态继电器的输入控制信号和输出信号的隔离器件，从而可以实现固体继电器产品质量轻、轻薄型化等要求，有利于武器型号的小型化，同时具有装配过程简单，成本低，可靠性高、高集成度等显著优势。与传统的固态继电器相比，平面变压器隔离固体继电器具有工作可靠性高、开关速度快、重量轻、寿命长和集成度高等特点。

附图说明

图1为采用场效应管作为输出的平面变压器隔离固态继电器的原理框图。

图2为采用三极管(达林顿管)作为输出的平面变压器隔离固态继电器的原理框图。

图3为采用IGBT作为输出的平面变压器隔离固态继电器的原理框图。

图4为输入电路原理图。

图5为输出电路原理图。

图6为多通道平面变压器隔离固态继电器的原理框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

实施例1：关于单通道平面变压器隔离固态继电器。

一种平面变压器隔离固态继电器，主要由低通滤波电路、施密特触发门限电路、振荡电路、平面变压器、阻抗匹配电路、整流倍压电路、功率管驱动电路和功率管组成。其中平面变压器包括初级平面线圈和次级平面线圈。外部输入控制信号与低通滤波电路的输入端相连；低通滤波电路的输出端与施密特触发门限电路的输入端相连；施密特触发门限电路的输出端与振荡电路输入端相连；平面变压器的初级平面线圈与振荡电路连接，并作为振荡电路的一部分，为电路提供电感；平面变压器的次级平面线圈与阻抗匹配电路连接，并作为阻抗匹配电路的一部分，为电路提供阻抗；阻抗匹配电路输出端与整流倍压电路的输入端相连；整流倍压电路的输出端与功率管驱动电路的输入端相连；功率管驱动电路的输出端与功率管的控制端相连；功率管的输出端向外部输出经过功率放大并与输入控制信号隔离的信号，以驱动输出负载。

上述功率管为场效应管、三极管、达林顿管或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。参见图1，当所选用的功率管为场效应管时：该场效应管的栅极G为功率管的控制端，与功率管驱动电路的输出端相连；该场效应管的源极S和漏极D为功率管的输出端，向外部输出经过功率放大并与输入信号隔离的信号。参见图2，当所选用的功率管为三极管或达林顿管时：该三极管或达林顿管的基极B为功率管的控制端，与功率管驱动电路的输出端相连；该三极管或达林顿管的发射极E和集电极C为功率管的输出端，向外部输出经过功率放大并与输入信号隔离的信号。参见图3，当所选用的功率管为IGBT时：该IGBT 的门极G为功率管的控制端，与功率管驱动电路的输出端相连；该IGBT的发射极E和集电极C为功率管的输出端，向外部输出经过功率放大并与输入信号隔离的信号。

平面变压器由印制在同一块印制电路板上的初级平面线圈和次级平面线圈，其中初级平面线圈由印制在该印制电路板上的至少1层盘旋状的覆铜箔导电带构成，次级平面线圈由印制在该印制电路板上的至少1层盘旋状的覆铜箔导电带构成。初级平面线圈和次级平面线圈印制于印制电路板的不同层，两者之间相互耦合，初级平面线圈完成信号的发送，次级平面线圈用于接收初级平面线圈发送来的高频正弦波。在印制电路板的厚度方向上，初级平面线圈的每层覆铜箔导电带相互之间重叠，次级平面线圈的每层覆铜箔导电带相互之间也重叠，初级平面线圈的所有覆铜箔导电带与次级平面线圈的所有覆铜箔导电带相互重叠。上述重叠方式可以为部分重叠，也可以是完全重叠。在本实用新型优选实施例中，为了获得最佳的能量传递性能，上述每层覆铜箔导电带的尺寸和形状完全一致，且均采用完全重叠方式。上述每层覆铜箔导电带采用类似蚊香的嵌套环绕方式，其具体可以根据需要环绕为圆形、椭圆形、方形、长方形或多边形等。对于每个平面线圈，相邻两层覆铜箔导电带，其上层覆铜箔导电带的末端与其下层覆铜箔导电带的首端相连，所有覆铜箔导电带的最上层覆铜箔导电带的首端和最下层覆铜箔导电带的末端形成平面线圈的两端。平面变压器集成于印制电路板，工艺成熟度高，相对导线绕制的线圈具有良好的一致性。无磁芯平面变压器工作频率高，无需磁芯即可有效驱动功率开关器件。由于产品不含磁芯，可以大幅减小隔离器体积和重量，也使加工装配变得更为简单可靠，由磁芯引起的磁饱和、磁损耗等对品质因素的影响也不再需要考虑，因此提高了产品的性能、提高了可靠性和降低了成本。此外，这种变压器具有工作频率高，响应速度快，动作灵敏等优点。新型平面变压器隔离技术可以有效解决导线绕组式变压器和光电耦合器作为固体继电器隔离耦合器件存在的上述诸多问题，将其用于新一代军用控制系统的信号隔离和功率控制，具有工作可靠性高、开关速度快、体积小、重量轻、便于集成等特点。

参见图4，低通滤波电路、施密特触发门限电路、振荡电路和平面变压器的初级平面线圈组成该固态继电器的输入电路，用于完成输入信号的滤波整形、振荡，然后通过平面变压器的初级完成能量的空间隔离发送。

低通滤波电路包括电阻R1，电容C1、C2，运算放大器U1。电阻R1的一端作为低通滤波电路的输入端，与外部输入控制信号相连；电阻R1与电容 C1串连，串连的中点与运算放大器U1的正输入端相连；电容C1的另一端与输入电路地端相连；电容C2的两端分别与运算放大器U1的正电源端和负电源端相连；运算放大器U1的负输入端与运算放大器U1的输出端相连；运算放大器U1的输出端作为低通滤波电路的输出端。外部控制信号通过输入连接器或管脚引入低通滤波电路的输入端，电阻R1和电容C1组成RC低通滤波电路，通过低通滤波电路对输入控制信号进行低通滤波，去除控制信号中的高频干扰，防止干扰信号引起电路误动作；通过RC低通滤波后的控制信号，引入运算放大器U1的正输入端，由运算放大器U1完成信号的缓冲放大，提高信号的驱动能力，并输出到下级电路。

施密特触发门限电路包括电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7，电容C3，三极管VT1、VT2。三极管VT1的b极作为施密特触发门限电路的输入端；电阻R2 的一端连接三极管VT1的b极，另一端连接输入电路地；电阻R4一端连接三极管VT1的e极，另一端连接输入电路地；电阻R3一端连接三极管VT1的c 极，另一端连接输入电路电源正端VCC；电阻R5与电容C3并联，然后一端连接三极管VT1的c极，另一端连接三极管VT2的b极；电阻R6一端连接三极管VT2的b极，另一端连接输入电路地；电阻R7一端连接三极管VT2的c 极，另一端连接输入电路电源正端VCC；三极管VT1的e极与三极管VT2的e 极相连；三极管VT2的c极作为施密特触发门限电路的输出端。两个三极管 VT1、VT2耦合是采用电阻分压和发射极耦合，并采用正反馈方式进行工作，使得输出翻转时的输入动作电平和输出向原始状态恢复时的输入动作电平有所不同，即形成动作的滞后电压，完成输入波形整形和避免振荡。去除高频干扰后的控制信号，从低通滤波电路的输出端输出，引入施密特触发门限电路的输入端，施密特触发门限电路对输入的控制信号进行整形，形成数字方波信号，并添加电压窗口迟滞效应，避免在临界电压点上形成振荡。

振荡电路包括电阻R8、R9，电容C4、C5、C6，三极管VT3。电阻R8和电容C4并联，一端作为振荡电路的输入端与平面变压器初级平面线圈的一端相连，另一端与三极管VT3的b极相连；电阻R9和电容C4并联，一端与三极管VT3的b极相连，另一端与输入地端相连；电容C6的两端分别与三极管 VT3的c极和e极相连；三极管VT3的e极接地；三极管VT3的c极与平面变压器初级平面线圈的另一端相连。振荡电路用于将控制信号由高低电平信号转换为高频正弦信号，以通过平面变压器进行隔离耦合传输。经过滤波整形后的控制信号，从施密特触发门限电路的输出端输出，作为振荡电路的输入信号，经过电路振荡后由平面变压器的初级将信号输出。

参见图5，平面变压器的次级平面线圈、阻抗配电路、整流倍压电路、功率管驱动电路和功率管组成该固态继电器的输出电路，用于对平面变压器次级接收到的信号进行阻抗匹配、整流滤波、升压、最后驱动功率管输出信号。

阻抗匹配电路由电阻、电容网络构成，实际配比需按实际电路参数进行匹配。阻抗匹配电路用于对平面变压器进行阻抗匹配，以减少信号及能量的反射，以实现次级平面线圈高效接收初级平面线圈发送来的高频正弦波，使得耦合效率最大化。

整流倍压电路包括电容C7、C8、C9、C10、C11、C12，双二极管VD1、 VD2、VD3。电容C7的一端作为整流倍压电路的输入端，另一端连接双二极管 VD1的第3端；电容C8的两端分别与双二极管VD1的第1端、第3端相连；电容C9的两端分别与双二极管VD1的第3端、双二极管VD2的第3端相连；电容C10的两端分别与双二极管VD2的第1端、第3端相连；电容C11的两端分别与双二极管VD2的第3端、双二极管VD3的第3端相连；双二极管 VD1的第1端与输出电路地相连，第2端与双二极管VD2的第1端相连，第 3端与电容C7和C9的公共连接点相连；双二极管VD2的第1端与双二极管 VD1的第2端相连，第2端与双二极管VD3的第1端相连，第3端与电容C9 和C11的公共连接点相连；双二极管VD3的第1端与双二极管VD2的第2端，第3端与电容C11相连，双二极管VD3的第2端作为整流倍压电路的输出端。由电容和二极管构成多级整流倍压电路，对接收到的控制信号进行整流滤波，然后通过倍压电路对整流滤波得到的低压信号进行升压处理，产生符合要求的高电平信号。

功率管驱动电路包括电阻R10、R11、R12、R13、R14，电容C13，运算放大器U3，稳压管VD4。电阻R10的一端作为功率管驱动电路的输入端，另一端连接运算放大器U3的负输入端；电阻R11的一端连接运算放大器U3的正输入端，另一端连接输出电路地；电阻R12的一端连接运算放大器U3的负输入端，另一端连接运算放大器U3的输出端；电容C13连接运算放大器U3的正、负电源端；电阻R14与稳压管VD4并联；稳压管VD4的正端连接输出电路地；电阻R13的一端连接运算放大器U3的输出端，另一端和稳压管VD4的负端作为功率管驱动电路的输出端。由运算放大器U3及外围电阻、电容组成反相放大器，对输入的信号进行放大，提高信号的驱动能力，并将信号电平调整到合适值，产生符合要求的功率管驱动信号，驱动功率管动作，输出功率信号，驱动输出负载，完成输出。

实施例2：关于多通道平面变压器隔离固态继电器。

参见图6，将2个以上的单通道平面变压器隔离固态继电器共同组装在同一个壳体中，即可形成多通道平面变压器隔离固态继电器。各个单通道平面变压器隔离固态继电器可按需求装备具有不同输出功率能力的功率管，此外还需要对每个通道采用地线分割的方法进行隔离，避免各通道间的信号干扰。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。