新型磁耦合隔离电路设计

 在医疗设备、工业控制、高精度数据采集、长距离通信、高低压混合系统等电路设计中，经常要用到隔离电路，一般来说，常用的隔离方式有光耦合隔离和磁耦合隔离两种，光耦合隔离方式适合传输低频信号和直流信号，但功耗较大；磁耦合隔离方式适合传输高频信号，不能用于直流或低频信号的传输，且需要对隔离输出信号整形后才能为接收数字电路使用，但其功耗较小。

然而在大多数的隔离电路设计实践中，往往既需要隔离传输低频信号甚至是直流，又需要传输几兆赫兹以上的高频信号。例如在隔离数据采集电路中，需要隔离的信号有ADC的控制信号(直流电平)、ADC工作时钟信号(几兆甚至更高频率的信号)，在这样的应用条件下，如果单用光耦合隔离方式或磁耦合隔离方式都很难满足电路的工作要求。两种隔离方式组合工作又会使电路设计复杂，增加系统功耗。因此在数字宽频隔离电路的设计中，要么选用响应频率更高的光耦合隔离器件(同时带来功耗增加、成本上升、时序调试困难等缺点)，要么设法解决磁耦合隔离器件不能传输低频信号的问题。

本文通过对磁耦合隔离原理的分析，提出一种磁耦合隔离电路改进方法，采用此方法后，可以使磁耦合隔离电路即能传输高频信号，又能准确恢复低频信号，从而很好的解决了磁耦合隔离电路不能传输低频信号的问题，拓展磁耦合隔离电路的应用范围。

1 磁耦合隔离电路的基本原理

磁耦合隔离(脉冲变压器隔离)是指利用电磁感应原理，把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生变化的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈激励信号相关的变化信号输出，在整个信号的传输过程中，初级与次级之间没有发生电连接，从而达到隔离初次级的目的。

由于只有变化的信号电流才能在磁耦合隔离电路的初级产生变化磁场，从而在次级电路中感应出输出信号，只有变化频率高于某一值的信号才能在初次级之间传输，而变化频率较低的信号在传输过程中会发生严重畸变，直流信号不能在初次级之间传输。因此普通的磁耦合隔离技术只能在高频信号的隔离传输中使用。
磁耦合隔离的传输波形如图1所示。

通过上图可以看出，高频信号(1．27 MHz)可以基本不失真的被隔离传输，低频信号(10 kHz)经磁耦合隔离后波形畸变严重。由此证明，如不对磁耦合隔离电路进行改进，就不能应用于对低频信号的隔离传输。为了使磁耦合隔离技术能够应用于对低频信号的隔离传输，本文设计了一种新型磁耦合隔离电路。

2 磁耦合隔离电路设计原理

如果将需要传输的低频信号调制到高频载波上，再用磁耦合隔离电路隔离传输，在接收端再用解调电路提取出低频信号，可以实现用磁耦合隔离电路传输低频信号的目的。但是这种方法就必须在隔离电路的初、次级加入调制和解调电路，这样做不仅电路复杂、功耗较大、而且信号传输的延迟不可控，因此在电路设计中很少采用。本文设计的新型磁耦合隔离电路不用调制和解调电路就可以实现低频和直流信号的磁耦合隔离传输，而且电路结构简单、功耗小，信号传输延迟很小。

2．1 基本原理

该设计的基本原理是：在不大量增加电路成本和不增加信号传输延迟的条件下，设法使对低频信号的磁耦合隔离传输转变为对高频信号的磁耦合隔离传输，并在接收端恢复出需要传输的信号。

观察需要传输低频数字信号的波形，它是一位变化的数字信号，其特征与一位计数器的输出十分相似。受此启发，假设需要传输的信号在接收端就是一个一位计数器的输出，那么对于此计数器，只要知道它的初始状态，计数脉冲的发生时刻，就可以很容易地得到其任意时刻的输出波形。在发送端只需要发送信号状态变化的信息，在接收端就能够根据此信息重建低频信号。

2．2 低频信号传输

如前所述，磁耦合隔离电路的接收端如果用一位计数器重建输出信号的话，那么在电路的输入端就应是一位计数器的逆，即将输入的低频传输信号看作计数器的输出信号，根据计数器的输出信号变化反推出计数脉冲，再将此计数脉冲隔离输出到接收端，控制接收端输出的变化，从而实现在输出端重建传输信号的功能。
在输入端根据低频传输信号构建出的计数脉冲的宽度受3个条件的限制：1)隔离电路传输信号的上限频率；2)脉冲变压器的响应频率；3)计数器的上限工作频率。关于脉冲宽度的选取，在后面的将有详细说明。

2．3 直流信号传输

计数器的初始态和计数脉冲发生时刻决定计数器任意时刻的输出，为了传输直流电平，在电路上电之初，将隔离电路的初级和次级复位到‘0’，如果要传输的信号为低电平，则隔离电路不会有计数脉冲传输，次级输出保持低电平不变；加电后后如果传输高电平，则相当于在电路初级施加了一个由低到高的电平跳变，此跳变使初级驱动电路产生一个计数脉冲并传输到次级接收计数器，次级接收计数器的输出在初始电平的基础上发生反转，变成高电平输出，并一直保持到下一个计数脉冲到来为止。这样无论是高电平还是低电平在次级都会得到完整恢复，从而实现直流电平磁耦合隔离传输的功能。