一种电压信号隔离转换系统的制作方法

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及在信号处理领域中的一种电压信号隔离转换系统。

背景技术：

模拟信号的隔离转换是多电压域电子电气系统中的重要技术手段，以确保系统的可靠性、安全性等指标。模拟信号隔离转换存在三个重要的技术指标，一是转换精度，二是隔离能力，三是转换速度。在产品的应用中还会涉及到成本的考量。

目前行业常用的方法是通过ADC(模数转换器)加数字接口隔离芯片，或者通过隔离运放加单片机的方式采集，再配合上一个隔离电源，便可以实现模拟信号的隔离采集。但是不管是选用哪种技术，或者价格昂贵，不适合大规模量产，或者性能不足，应用要求无法满足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电压信号隔离转换系统，基于25％-75％占空比调制解调技术进行信号隔离传输，从原理上允许单个电容就可以实现信号的隔离传输，所以，本发明同时使用电容器作为信号隔离器件，使用变压器或者电容器作为电源隔离器件，精简了隔离传输的媒介，并且将信号传输和电源传输的控制功能功能集成在前后两个控制芯片内，增加了系统的集成度，有效地提高了系统的稳定性，降低了成本。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种电压信号隔离转换系统，包含：

信号输入级芯片，其内部设置有调制电路，将所述信号输入级芯片的输入信号向变化占空比的第一调制信号转换；

一个或一对信号隔离电容，每个所述信号隔离电容接收所述调制电路输出的所述第一调制信号，将所述第一调制信号进行隔离的电容耦合，输出电容耦合后的第二调制信号；

信号输出级芯片，其内部设置有检测电路，将所述第二调制信号解耦还原形成第三调制信号，所述第三调制信号经过所述信号输出级芯片中的解调电路后的信号作为输出信号输出；

电源隔离变压器或者一对电源隔离电容，所述一对电源隔离电容分别接收由电源供电的所述信号输出级芯片的一对互补的时钟驱动信号，输出对应的输入电源正极信号和输入电源负极信号至所述信号输入级芯片，为所述信号输入级芯片提供电源；或者，所述电源隔离变压器的源极绕组与所述信号输出级芯片的一对互补的时钟驱动信号连接并作为输入，所述电源隔离变压器的次级绕组输出对应的输入电源正极信号和输入电源负极信号至所述信号输入级芯片，为所述信号输入级芯片提供电源。

优选地，所述信号输入级芯片输出的第一调制信号为时钟信号，所述第一调制信号的每个周期的高电平占空比为25％或者75％，，则低电平占空比分别为75％或75％。

优选地，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述第一调制信号上占空比为75％的周期数目或占空比为25％的周期数目均与总周期数目的比例与所述输入信号的电压值呈线性关系。

优选地，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述信号输出级芯片的输出信号为PWM信号时，且该PWM信号的占空比与所述信号输入级芯片的输入信号呈线性关系。

优选地，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述第一调制信号的频率与所述信号输入级芯片的输入信号的电压值呈线性关系。

优选地，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述第一调制信号的周期与所述信号输入级芯片的输入信号的电压值呈线性关系。

优选地，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述信号输出级芯片的输出信号为电压信号时，且该电压信号与所述信号输入级芯片的输入信号呈线性关系；

或者，当所述信号输入级芯片的输入信号为电压信号时，所述信号输出级芯片的输出信号为I²C协议信号，可通过I²C协议读取所述输入信号的相关数据，此读取的数据值与所述信号输入级芯片的输入信号呈线性关系；

或者，所述输入电源正极信号和所述输入电源负极信号分别产生所述信号输入级芯片内部的正极端电源信号VVCC和负极端电源信号VGND，所述正极端电源信号VVCC和所述负极端电源信号VGND之间连接有第一去耦电容。

优选地，所述一对互补的时钟驱动信号的频率相同且电平相反；

所述一对互补的时钟驱动信号由所述信号输出级芯片中的振荡器电路输出，并输出连接至所述一对电源隔离电容，所述一对电源隔离电容将电荷分别传递到所述信号输入级芯片的所述输入电源负极信号和输入电源正极信号的接口；

所述信号输入级芯片内部设置有电荷泵解调电路，其与所述一对电源隔离电容构成电荷泵电路，将所述电荷传输到所述正极端电源信号VVCC和所述负极端电源信号VGND之间的所述第一去耦电容上，支持所述信号输入级芯片的电源消耗。

优选地，所述电荷泵解调电路设置有CMOS电荷泵电路，所述CMOS电荷泵电路包含第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管；所述输入电源正极信号的接口连接到所述第一NMOS晶体管和所述第一PMOS晶体管的栅极以及所述第二NMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的漏极；所述输入电源负极信号的接口连接到所述第二NMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的栅极以及所述第一NMOS晶体管和所述第一PMOS晶体管的漏极；所述第一NMOS晶体管和所述第二NMOS晶体管的源极相接并作为所述信号输入级芯片的负极端电源信号VGND，所述第二NMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的源极相接并作为所述信号输入级芯片的正极端电源信号VVCC。

优选地，所述电源隔离变压器的次级绕组的中间抽头作为输入电源负极，所述电源隔离变压器的次级绕组的两端抽头分别通过第一二极管和第二二极管并接后作为输入电源正极，并且在所述输入电源正极和所述输入电源负极之间连接有第二去耦电容；

或者，所述电源隔离变压器的次级绕组的一端作为输入电源负极，所述电源隔离变压器的次级绕组的另一端通过第三二极管后作为输入电源正极，并且在所述输入电源正极和所述输入电源负极之间连接有第三去耦电容。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明同时使用电容器作为信号隔离器件以及使用变压器或者电容器作为电源隔离器件，同时实现了电源和信号的隔离，精简了隔离传输的媒介，且通过选择不同的隔离电容和隔离变压器，可以实现不同性能的隔离能力；(2)本发明将信号传输和电源传输的控制功能功能集成在前后两个控制芯片内，保证了信号输入级芯片和信号输出级芯片之间的电气隔离，增加了系统的集成度，有效地提高了系统的稳定性，降低了成本；(3)本发明的外部电源只需要给信号输出级芯片供电，输入级芯片通过电源信号PWR_P与PWR_N供电，无需外部其他电源供电。

附图说明

图1为本发明的实施例一的信号隔离传输电路示意图；

图2为本发明的实施例二的信号隔离传输电路示意图；

图3为本发明的实施例三的信号隔离传输电路示意图；

图4为本发明的实施例四的信号隔离传输电路示意图；

图5为本发明的变压器电源传输模块实施例1电路图；

图6为本发明的典型电荷泵电路图；

图7为本发明的电压信号隔离转换系统示意图；

图8为本发明的变压器电源传输模块实施例2电路图。

具体实施方式

通过阅读参照图1-图8所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1-图7，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。

如图1-图8所示，本发明提供的一种电压信号隔离转换系统同时使用电容器作为信号隔离器件以及使用变压器或者电容器作为电源隔离器件，精简了隔离传输的媒介，并且将信号传输和电源传输的控制功能功能集成在前后两个控制芯片内，增加了系统的集成度，有效地提高了系统的稳定性，降低了成本。

如图7所示，本发明的电压信号隔离转换系统中，信号从输入到最终隔离输出都分为四个阶段：信号调制、电容传输、检测电路和信号解调，如图7所示，其中，I704为信号输入级芯片I701内部的25％-75％信号调制电路，实现从模拟信号向变化占空比的调制信号(时钟信号)转换；I703为信号隔离电容，与信号调制电路I704连接，将调制后的调制信号SIGN_MODU实现隔离的电容耦合，得到输入信号SIG_MODU_IN；I706为检测电路，与信号隔离电容I703连接，将电容耦合过来的输入信号SIG_MODU_IN解耦(去耦)还原成调制信号，得到调制信号SIG_MODUC；I705为信号输出级芯片I702中的25％-75％解调电路，实现了从调制信号SIG_MODUC向输出信号的转换，并输出该输出信号。

上述调制电路将所述模拟信号转换后的信号(例如PWM信号)的高电平转换成第一占空比的时钟周期，将低电平转换成第二占空比的时钟周期，所述25％-75％信号调制电路中，第一占空比为75％且第二占空比为25％；或者第一占空比为25％且第二占空比为75％。同理，所述25％-75％解调电路将占空比为75％的时钟周期被还原成为高电平，占空比为25％的时钟周期被还原成为低电平，或者，将占空比为25％的时钟周期被还原成为高电平，占空比为75％的时钟周期被还原成为低电平。

实施例一：

如图1所示是本发明电压信号隔离转换系统中的信号隔离传输电路一I100。

其中，I101为信号输入级芯片，其输入信号INPUT输入电压信号，电源信号PWR_P和PWR_N为芯片I101提供电源。调制信号SIGN_MODU为调制后的时钟信号，VVCC、VGND是通过电源信号PWR_P和PWR_N产生的I101的内部电源信号，芯片I101的输入信号INPUT和输出信号SIG_MODU的电压值都是相对于VGND。

I102为信号输出级芯片，其输出信号OUTPUT可以为PWM、IIC等串行接口、电压信号，电源信号VCC和GND为芯片I102提供电源。时钟驱动信号CLK_P和CLK_N为一对互补的时钟信号，频率相同，电平相反。SIG_MODU_IN为调制输入信号。

芯片I101的输出信号SIG_MODU通过信号电容器I103与芯片I102的输入信号SIG_MODU_IN相连接。芯片I101的电源输入信号PWR_P通过第一电源电容器I104与芯片I102的输出信号CLK_P相连接。芯片I101的电源输入信号PWR_N通过第二电源电容器I105与芯片I102的输出信号CLK_N相连接。

另，内部电源信号VVCC和VGND之间连接去耦电容器I106，实现去耦稳压。

如图1所示，电源信号VCC和GND为信号输出级芯片I102供电，信号输出级芯片I102内部的振荡器电路输出一对互补时钟信号CLK_P和CLK_N，CLK_P和CLK_N具有较强的驱动能力，两者输出连接到电容I104和I105，这两个电容将电荷传递到芯片I101的PWR_P和PWR_N接口。此时芯片I101内部的电荷泵解调电路与电容I104、I105一起构成完整的电荷泵电路，将电荷传输到内部电源VVCC和VGND之间的去耦电容I106上，支持芯片I101的电源消耗。

如图6所示为芯片I101内部的典型电荷泵解调电路图，电容I607和电容I608实现电荷的传输和直流隔离作用，芯片I601内部为一个CMOS电荷泵电路，其中，PWR_P接口连接到NMOS I604和PMOS I602的栅极以及NMOS I605和PMOS I603的漏极；同时，PWR_N接口连接到NMOS I605和PMOS I603的栅极以及NMOS I604和PMOS I602的漏极；NMOS I604和NMOS I605的源极相接作为芯片I601的地VGND，NMOS I605和NMOS I603的源极相接作为芯片I601的电源VVCC，VVCC和VGND连接电容I608实现去耦稳压。

当VVCC和VGND之间的电源建立后，信号输入级芯片I101将输入信号INPUT采集后，通过芯片I101内部的信号调制电路(例如25％-75％调制电路)调制成频率信号SIG_MODU。该SIG_MODU信号通过电容I103传输到信号输出级芯片I102的SIG_MODU_IN端，通过芯片I102内部专用的信号解调电路(例如25％-75％解调电路)后以PWM、IIC接口、模拟电压等方式输出。

实施例二：

如图2所示是本发明的信号隔离传输电路二I200，其中，I201为信号输入级芯片，其输入信号INPUT输入电压信号。电源信号PWR_P和PWR_N为芯片I201提供电源。调制信号SIGN_MODU和SIG_MODUB为调制后的一对互补时钟信号，VVCC、VGND是通过PWR_P和PWR_N产生的I201的内部电源信号，芯片I201的输入信号INPUT以及其输出信号SIG_MODU和SIG_MODUB的电压值都是相对于VGND。

I202为信号输出级芯片，其输出信号OUTPUT可以为PWM、IIC等串行接口、电压信号。电源信号VCC和GND为芯片I202提供电源。时钟驱动信号CLK_P和CLK_N为一对互补的时钟信号，频率相同，电平相反。SIG_MODU_IN和SIG_MODU_INB为调制输入信号。

信号输入级芯片I201的输出信号SIG_MODU通过信号电容器I203与信号输出级芯片I202的输入信号SIG_MODU_IN相连接；信号输入级芯片I201的输出信号SIG_MODUB通过信号电容器I206与信号输出级芯片I202的输入信号SIG_MODU_INB相连接。

信号输入级芯片I201的电源输入信号PWR_P通过第一电源电容器I204与信号输出级芯片I202的输出信号CLK_P相连接；信号输入级芯片I201的电源输入信号PWR_N通过第二电源电容器I205与信号输出级芯片I202的输出信号CLK_N相连接。

内部电源信号VVCC和VGND之间连接去耦电容器I207。

如图2所示，VCC和GND为芯片I202供电，芯片I202内部的振荡器电路输出一对互补时钟信号CLK_P和CLK_N，CLK_P和CLK_N具有较强的驱动能力，两者输出连接到电容I204和I205，这两个电容将能量传递到芯片I201的PWR_P和PWR_N接口。此时芯片I201内部的电荷泵解调电路与电容I204、I205一起构成完整的电荷泵电路，将电荷传输到内部电源VVCC和VGND之间的去耦电容I207上，支持芯片I201的电源消耗。

如图6所示为芯片I201中的典型电荷泵电路图，该电荷泵电路与上述实施例一中所述的芯片I101中的典型电荷泵解调电路相同。电容I607和I608实现电荷的传输和直流隔离作用，芯片I601内部为一个CMOS电荷泵电路，其中PWR_P连接到NMOS I604和PMOS I602的栅极以及NMOS I605和PMOS I603的漏极；同时，PWR_N连接到NMOS I605和PMOS I603的栅极以及NMOS I604和PMOS I602的漏极；NMOS I604和NMOS I605的源极相接作为芯片I601的地VGND，NMOS I605和NMOS I603的源极相接作为芯片I601的电源VVCC，VVCC和VGND连接电容I608实现去耦稳压。

当VVCC和VGND之间的电源建立后，芯片I201将输入信号INPUT采集后，通过芯片I201的内部的信号调制电路(例如25％-75％调制电路)调制成一对互补的频率信号SIG_MODU和SIG_MODUB。信号SIG_MODU和SIG_MODUB通过电容I203和I206传输到芯片I202的SIG_MODU_IN端和SIG_MODU_INB端，通过芯片I202内部专用的信号解调电路(例如25％-75％解调电路)后以PWM、IIC接口、模拟电压等方式输出。

实施例三：

如图3所示是本发明的信号隔离传输电路三I300，其中，I301为信号输入级芯片，其输入信号INPUT输入电压信号。电源信号PWR_P和PWR_N为芯片I301提供电源。调制信号SIGN_MODU为调制后的时钟信号，VGND为I301的浮地，输入信号INPUT和输出信号SIG_MODU的电压值都是相对于VGND。

I302为信号输出级芯片，其输出信号OUTPUT可以为PWM、IIC等串行接口、电压信号。电源信号VCC和GND为芯片I302提供电源。时钟驱动信号CLK_P和CLK_N为一对互补的时钟信号，频率相同，电平相反。SIG_MODU_IN为调制输入信号。

I304为交流转直流模块，其将来自芯片I302的互补时钟CLK_P和CLK_N的能量转化成直流能量，对应地输出到芯片I301的PWR_P和PWR_N端，为芯片I301提供电源。

如图5所示为交流转直流模块I304的内部电路实施例1，CLK_P接口和CLK_N接口连接到变压器I501的源极绕组作为输入，变压器I501的次级绕组的中间抽头作为输入电源负极PWR_N，变压器I501的次级绕组的两端抽头分别通过二极管I502和二极管I503并接后作为输入电源正极PWR_P，并且在输入电源正极PWR_P和输入电源负极PWR_N之间连接去耦电容I504。

如图8所示为交流转直流模块I304的内部电路实施例2，CLK_P接口和CLK_N接口连接到变压器I801的源极绕组作为输入，变压器I801的次级绕组的一端作为输入电源负极PWR_N，次级绕组的另一端通过二极管I802和后作为输入电源正极PWR_P，并且在输入电源正极PWR_P和输入电源负极PWR_N之间连接去耦电容I803。

信号输入级芯片I301的输出信号SIG_MODU通过信号电容器I303与信号输出级芯片I302的输入信号SIG_MODU_IN相连接。

如图3所示，VCC和GND为芯片I302供电，芯片I302内部的振荡器电路输出一对互补时钟信号CLK_P和CLK_N，CLK_P和CLK_N具有较强的驱动能力，两者输出连接到变压器I501，此变压器将源自CLK_P和CLK_N的能量隔离传输到次级，并且通过由两个二极管和一个电容组成的整流滤波电路后产生的直流电源信号连接到芯片I301的PWR_P和PWR_N端口，给芯片I301供电，此时PWR_N就是浮地VGND，PWR_P就是电源VVCC。

当VVCC和VGND之间的电源建立后，芯片I301将输入信号INPUT采集后，通过芯片I301的内部的调制电路(例如25％-75％调制电路)调制成频率信号SIG_MODU。SIG_MODU信号通过电容I303传输到芯片I302的SIG_MODU_IN端，通过芯片I302内部专用的信号解调电路(例如25％-75％解调电路)后以PWM、IIC接口、模拟电压等方式输出。

实施例四：

如图4所示是本发明的信号隔离传输电路三I400，其中，I401为信号输入级芯片，其输入信号INPUT输入电压信号。电源信号PWR_P和PWR_N为I401提供电源。调制信号SIGN_MODU为调制后的时钟信号，VGND为I401的浮地，输入信号INPUT和输出信号SIG_MODU的电压值都是相对于VGND。

I402为信号输出级芯片，其输出信号OUTPUT可以为PWM、IIC等串行接口、电压信号。电源信号VCC和GND为I402提供电源。时钟驱动信号CLK_P和CLK_N为一对互补的时钟信号，频率相同，电平相反。SIG_MODU_IN为调制输入信号。

I404为交流转直流模块，其将来自I402的互补时钟CLK_P和CLK_N的能量转化成直流能量，对应地输出到芯片I401的PWR_P和PWR_N端，为芯片I401提供电源。

如图5所示为交流转直流模块I404的内部电路图，该交流转直流模块I404与上述实施例一中所述的交流转直流模块I304相同。CLK_P和CLK_N连接到变压器I501的源极绕组作为输入，变压器I501的次级绕组的中间抽头作为输入电源负极PWR_N，变压器I501的次级绕组的两端抽头分别通过二极管I502和I503并接后作为输入电源正极PWR_P，并且在输入电源正极PWR_P和输入电源负极PWR_N之间连接去耦电容I504。

信号输入级芯片I401的输出信号SIG_MODU通过信号电容器I403与信号输出级芯片I402的输入信号SIG_MODU_IN相连接；信号输入级芯片I401的输出信号SIG_MODUB通过信号电容器I405与信号输出级芯片I402的输入信号SIG_MODU_INB相连接。

如图4所示，VCC和GND为芯片I402供电，芯片I402内部的振荡器电路输出一对互补时钟信号CLK_P和CLK_N，CLK_P和CLK_N具有较强的驱动能力，两者输出连接到变压器I501，此变压器将源自CLK_P和CLK_N的能量隔离传输到次级，并且通过由两个二极管和一个电容组成的整流滤波电路后产生的直流电源信号连接到芯片I401的PWR_P和PWR_N端口，给芯片I401供电，此时PWR_N就是浮地VGND，PWR_P就是电源VVCC。

当VVCC和VGND之间的电源建立后，芯片I401将输入信号INPUT采集后，通过芯片I401的内部的调制电路(例如25％-75％调制电路)调制成一对互补的频率信号SIG_MODU和SIG_MODU_IN。信号SIG_MODU和SIG_MODUB通过电容I403和I406传输到芯片I402的SIG_MODU_IN端和SIG_MODU_INB端，通过芯片I402内部专用的信号解调电路(例如25％-75％解调电路)后以PWM、IIC接口、模拟电压等方式输出。

综上所述，上述四种信号隔离传输电路中，信号输入级芯片输出的调制信号SIG_MODU可以是时钟信号，并且调制信号SIG_MODU的每个周期的高电平占空比为25％或者75％；当输入信号INPUT为电压信号时，调制信号SIG_MODU上占空比为75％的周期数目或占空比为25％的周期数目均与总周期数目的比例跟INPUT电压值呈线性关系。比如INPUT为0mV-250mV电压输入，SIG_MODU上占空比为75％的周期数目或占空比为25％的周期数目均与总周期数目的比例为0％-100％。

上述四种信号隔离传输电路中，电路同时实现了电源和信号的隔离，保证了信号输入级芯片和信号输出级芯片之间的电气隔离，通过选择不同的隔离电容和隔离变压器，可以实现不同性能的隔离能力。

上述四种信号隔离传输电路中，外部电源只需要给信号输出级芯片供电，输入级芯片通过PWR_P与PWR_N供电，无外部其他电源供电。

上述四种信号隔离传输电路中，当INPUT为电压信号，若OUTPUT为PWM信号，则该PWM信号的占空比与INPUT电压信号呈线性关系。比如INPUT为0mV-250mV电压输入，OUTPUT则呈现占空比为0％-100％的PWM信号输出。

上述四种信号隔离传输电路中，信号输入级芯片输出的调制信号SIG_MODU可以是时钟信号，当INPUT为电压信号时，调制信号的频率与INPUT电压值呈线性关系。比如INPUT为0mV-250mV电压输入，SIG_MODU的频率为1MHz-2Mhz的时钟输出。

上述四种信号隔离传输电路中，信号输入级芯片输出的调制信号SIG_MODU可以是时钟信号，当INPUT为电压信号时，调制信号的周期与INPUT电压值呈线性关系。比如INPUT为0mV-250mV电压输入，SIG_MODU的周期为1mS-2mS的时钟输出。

综上所述，本发明基于25％-75％占空比调制解调技术，同时使用电容器作为信号隔离器件，使用变压器或者电容器作为电源隔离器件，精简了隔离传输的媒介，并且将信号传输和电源传输的控制功能功能集成在前后两个控制芯片内，增加了系统的集成度，有效地提高了系统的稳定性，降低了成本。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。