新型磁耦合隔離電路設(shè)計(jì)

從上圖看出，在1的位置后，雖然沒(méi)有輸入信號(hào)(SInput)的變化，輸出驅(qū)動(dòng)波形中也產(chǎn)生了一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，這就是為了保證在輸入信號(hào)初始值為高電平時(shí)保持輸入和輸出的一致，由電路自動(dòng)加入的；在位置2，復(fù)位后次級(jí)接收電路初始態(tài)已經(jīng)為低電平，輸入信號(hào)的初始值也為低電平，隔離輸入輸出一致，故不需要自動(dòng)加入驅(qū)動(dòng)脈沖。
3．2 次級(jí)接收模塊的實(shí)現(xiàn)
Receive構(gòu)成磁耦合隔離電路的次綴接收模塊，該模塊完成的功能為：在復(fù)位信號(hào)到來(lái)后，接收電路復(fù)位輸出為‘0’，而后每接收到一個(gè)脈沖，輸出反轉(zhuǎn)一次。由于復(fù)位后接收模塊的初始態(tài)已與初級(jí)輸入信號(hào)的初始值一致，初級(jí)輸入信號(hào)每發(fā)生一次跳變，初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)脈沖，因此在任何時(shí)刻，次級(jí)接收電路的輸出都與初級(jí)輸入信號(hào)一致。從而實(shí)現(xiàn)低頻或直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸。該模塊實(shí)際上就是一個(gè)帶復(fù)位功能的一位計(jì)數(shù)器，關(guān)于它的VHDL實(shí)現(xiàn)在參考文獻(xiàn)中有現(xiàn)成的例子，此處不再贅述。
InputS模塊的功能仿真波形如圖4所示。

3．3 模塊工作頻率的說(shuō)明
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于上升沿持續(xù)時(shí)間在50ns左右脈沖變壓器，傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度至少應(yīng)大于此時(shí)間，在本設(shè)計(jì)中，選用60 ns的脈沖作為傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，為了使兩個(gè)相鄰的傳輸信號(hào)跳變沿驅(qū)動(dòng)脈沖能夠被接收模塊準(zhǔn)確識(shí)別，它們之間應(yīng)至少間隔一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間，這樣算起來(lái)，傳輸信號(hào)的最短持續(xù)時(shí)間應(yīng)為120ns，而對(duì)于直流信號(hào)上述模塊也能準(zhǔn)確傳輸(原理前面已經(jīng)述及)，因此該模塊傳輸信號(hào)的頻率范圍是0～8 MHz。對(duì)于高于8 MHz的數(shù)字信號(hào)，模塊將不能正確工作。
上述分析是在脈沖變壓器上升沿為50ns的前提下給出的，如果上升沿時(shí)間再短些，模塊的工作頻率上限還可提高。
3．4 新受磁耦合隔離電路應(yīng)用
新型磁耦合隔離模塊的應(yīng)用電路如圖5所示，該電路用于完成信號(hào)Sin1到Sour2，Sin2到Sout1的磁耦合隔離傳輸。在電路中，U1、U2為脈沖變壓器ITNA-0235-D103，上升沿持續(xù)時(shí)間50 ns；U3、U4為Schmitt觸發(fā)器，用于將脈沖變壓器輸出的信號(hào)整形成脈沖信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)①② ③的信號(hào)波形如圖前面中所示。R5、C1和R6、C2分別組成兩個(gè)磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)模塊的上電復(fù)位電路，兩個(gè)復(fù)位電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)在10μs左右，以保證模塊穩(wěn)定復(fù)位；R1、R2和R3、R4分別組成兩個(gè)電平移動(dòng)電路，用于將脈沖變壓器輸出的交流信號(hào)移動(dòng)到0～VCC的范圍。在模塊配置到CPLD時(shí)DriveOut引腳必須配置成ITL模式以增加電流驅(qū)動(dòng)能力。電路在實(shí)際使用時(shí)，EnT與EnR可以改成由邏輯信號(hào)直接控制，這樣就可以使驅(qū)動(dòng)模塊穩(wěn)定時(shí)間可控，在由于受到干擾而使電路出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以通過(guò)施加EnT與EnR信號(hào)使電路恢復(fù)正常工作。

對(duì)上述電路測(cè)試，得到如下測(cè)試結(jié)果：
1)電路能夠準(zhǔn)確傳輸直流信號(hào)；
2)對(duì)小于8 MHz的數(shù)字信號(hào)跳變沿的傳輸延遲小于50 ns，對(duì)于8 MHz以上的數(shù)字信號(hào)上述電路不能工作；
3)電路功耗，由于用于信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)的邏輯電路只占CPLD的很小部分(在應(yīng)用電路中，CPLD選用EPM240TC100，使用16個(gè)邏輯單元，占總邏輯單元數(shù)的7％，其他單元用作別的用途)，準(zhǔn)確功耗很難測(cè)量，但是在傳輸直流信號(hào)時(shí)磁耦合隔離部分的功耗與光隔的功耗對(duì)比就足以說(shuō)明問(wèn)題。傳輸高電平時(shí)，光隔電路需要持續(xù)消耗10 mA的電流，以維持穩(wěn)定輸出高電平；而上述磁耦合隔離電路則只需要在最初的40 ns內(nèi)消耗電流，其他時(shí)間磁耦合隔離部分消耗的電流為0，因此傳輸直流信號(hào)時(shí)，上述電路的功耗要遠(yuǎn)小于光隔電路。

4 結(jié)論
該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1)以窄脈沖表示傳輸信號(hào)的狀態(tài)改變；2)以窄脈沖的磁耦合隔離傳輸代替輸入信號(hào)的隔離傳輸，降低隔離電路的功耗；3)實(shí)現(xiàn)低頻和直流信號(hào)的磁耦合隔離傳輸；4)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，接收和發(fā)送模塊共需要16個(gè)邏輯單元就可實(shí)現(xiàn)上述功能；5)信號(hào)傳輸延遲很小。
存在的問(wèn)題：1)傳輸信號(hào)的上限頻率受限，只能傳輸0～8 MHz的方波信號(hào)；2)在電路上電到復(fù)位信號(hào)結(jié)束的一段時(shí)間(10μs以?xún)?nèi))，電路不能正確傳輸信號(hào)，必須保證在此時(shí)間段內(nèi)傳輸信號(hào)狀態(tài)穩(wěn)定，否則后面的信號(hào)將全部錯(cuò)誤。
總之，正是由于該設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、能夠?qū)崿F(xiàn)磁耦合隔離傳輸?shù)皖l信號(hào)，且信號(hào)傳輸延遲很小等特點(diǎn)，拓展了磁耦合隔離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。