專利名稱：一種寬帶共模電感及應用該電感的隔離電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種電子測量設備，尤其涉及ー種抗高頻高速共模干擾的信號隔離電路及其電路內的寬帶共模電感器件。
背景技術：
隔離電路可將輸入側的電信號傳遞到輸出側，但輸入側和輸出側之間在電氣上是隔離的，或者說是絕緣的，輸入側和輸出側之間只存在一個較小的電容。隔離電路可以提高測量時的共模抑制比，減少干擾，改善信號質量，也可以隔絕危險電壓，保護設備和人身安全。在多通道同時測量時，隔離電路還可以防止因通道間共地造成的短路事故。 隨著社會對節(jié)能環(huán)保的越來越重視，可以高效處理電能的電カ電子設備的使用越來越廣泛。電カ電子設備的特點之ー是往往含有高頻開關脈沖。在對這些設備進行控制、測試和調試時，往往需要用到隔離電路。雖然隔離電路本身可以在一定程度上提高測量時的共模抑制比，減少干擾，但是由于隔離電路輸入側和輸出側之間始終存在ー個的電容，雖然數(shù)值比較小，但是對高速共模脈沖仍舊呈現(xiàn)低阻抗，會將共模干擾耦合到差模輸出信號中，使輸出信號畸變，得到錯誤的測量結果，或者使后續(xù)電路誤動作。如圖I所示，輸入差模信號Vd接在隔離電路I的輸入端2和隔離電路I的輸入側參考點3之間，在隔離電路I的輸出端4和輸出側參考點5之間得到隔離后的差模輸出信號。隔離電路I的隔離層6兩側構成一個電容7。通常輸入信號參考地8與輸出側參考地9間有電位差，即共模電壓Vc。此共模電壓Vc直接加在隔離壁壘6上，也即Vc直接加在電容7上，見等效電路圖2。雖然電容7通常較小，一般在數(shù)pF至數(shù)十pF，但對高dV/dt的共模信號呈低阻抗，使高速共模信號可以耦合到隔離電路的輸出側，干擾了輸出差模信號。對于低帶寬隔離電路，差模信號頻率較低，可以在輸出側接低通濾波器，濾除或減弱高頻高速共模干擾。對于高速隔離電路，包括數(shù)字隔離電路和寬帶模擬隔離電路，需要處理高速、寬帶的差模信號，就不能在輸出側加低通濾波，故很難去除高頻高速共模干擾。
發(fā)明內容本實用新型提供了ー種差模漏抗小，對差模信號具有良好的高頻特性的寬帶共模電感；解決現(xiàn)有技術中共模電感存在的對于差模信號的高頻特性不理想的技術問題。本實用新型同時還提供ー種抗高頻高速共模干擾能力強，尤其是脈沖共模干擾的能力好，使得隔離電路在高頻高速共模干擾環(huán)境下工作時，能得到干凈、準確的寬帶差模輸出信號，可以在多場合使用的應用寬帶共模電感的隔離電路；解決了現(xiàn)有技術中存在的高頻高速環(huán)境使用時，很難除去干擾，輸出效果不理想的技術問題。本實用新型的上述技術問題是通過下述技術方案解決的一種寬帶共模電感，包括磁芯，在磁芯上繞有同軸電纜。數(shù)字隔離電路或者寬帶模擬隔離電路，差模信號帶寬從直流到數(shù)百MHz以上，尤其是模擬隔離電路，輸入信號幅度可能比較微弱，又有強共模干擾影響，需要ー種高帶寬，全屏蔽，阻抗匹配的寬帶共模電感。為此，選用同軸電纜作為導線，同軸電纜本身具有高帶寬，全屏蔽，阻抗匹配的特性，再加上芯線與屏蔽層的緊密耦合，使得共模電感的差模漏抗很小，對差模信號有良好的高頻特性。將同軸電纜繞在磁芯上，通常是用磁環(huán)，可以得到更小的體積和更高的共模電感值。磁芯的形狀可以為矩形，U、E、I形等等，作為優(yōu)選，所述的磁芯為環(huán)形磁芯，所述的同軸電纜為寬帶同軸電纜，同軸電纜包括芯線和屏蔽層。環(huán)形的磁芯可以在較小體積下得到較高的電感值，同軸電纜的芯線接信號，同軸電纜屏蔽層接參考地。作為優(yōu)選，所述的磁芯為圓環(huán)形，磁芯的直徑小于20mm，高度小于20mm，所述的同軸電纜的直徑小于4_，頻帶大于100MHz。選擇高磁導率微型磁環(huán)和外徑小的同軸電纜，可用比較短的電纜得到足夠的共模電感量。根據(jù)上述的寬帶共模電感形成的抗高頻高速共模干擾的其中ー種隔離電路，包括隔離電源、隔離電路的輸入端、隔離電路輸入端參考點、隔離電路的輸出端和隔離電路輸出端參考點，在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感；第一寬帶共模電感的第一芯線 外接線端連接有差模信號輸入端，第一寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有隔離電路的輸入端，第一寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉兀谝粚拵Ч材ｋ姼械牡诙帘螌油饨泳€端連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c。在輸入端加入寬帶共模電感后，共模電壓不再直接加于隔離電路的輸入端參考點與輸出端參考點之間了，而是經(jīng)由串聯(lián)的寬帶共模電感施加。共模電感允許直流至數(shù)百MHz以上的寬帶差模信號通過，但是對高頻高速共模信號呈高阻杭。隔離電路的兩端形成的電容與寬帶共模電感串聯(lián)導致串聯(lián)諧振，通常串聯(lián)諧振頻率設計在較低的頻率，而隔離電路通常對低頻共模干擾具有極高的抑制能力，即使共模電感和電容產生諧振將電容上的共模電壓放大，也不會對輸出差模信號產生明顯的干擾。作為優(yōu)選，在隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接終端電阻?？梢耘c同軸電纜阻抗匹配，提高電路的穩(wěn)定性。在某些應用中，隔離電路輸出側不接地，例如電池供電的手持示波表。此時輸出側電路對地的雜散電容，仍舊可以使高頻共模干擾流通。作為優(yōu)選，所述的隔離電路的輸出端參考點連接有雜散電容，雜散電容與隔離電路、輸入端寬帶共模電路串聯(lián)。輸出端對地雜散電容數(shù)值比較小，與隔離電路輸出端接地情況相比，可降低施加在隔離電路形成的電容上的電壓，減小了共模干擾，接入寬帶共模電感后，則可進一歩抑制高頻共模干擾。如果加輸出共模電感已經(jīng)足夠抑制共模干擾，則可省去輸入端的寬帶共模電感。如下述的隔離電路包括隔離電源、隔離電路的輸入端、隔離電路輸入端參考點、隔離電路的輸出端和隔離電路輸出端參考點，在隔離電路的輸出端連接有第二寬帶共模電感，隔離電源上連接有共模電感；第二寬帶共模電感的第一芯線外接線端通過阻抗匹配電阻連接有隔離電路的輸出端，第二寬帶共模電感第二芯線外接線端連接有隔離后的差模信號輸出端，第二寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有隔離電路輸出端參考點，第二寬帶共模電感第二屏蔽層外接線端連接有隔離電路差模信號輸出參考地。對于隔離通道示波器和示波器隔離探頭等方面的應用，要求輸入阻抗特別高，輸入電容特別低。直流電源上連接的共模電感可用普通電源回路用的共模電感，但需要比較大的共模電感量，以得到很好的效果，當然也可以將隔離電源采用獨立的電池供電，可省去共模電感。[0016]對于隔離通道示波器和示波器隔離探頭等方面的應用，要求輸入阻抗特別高，輸入電容特別低。則通常繞制寬帶共模電感的同軸電纜只能控制在幾厘米的長度。此時若共模電感量尚不足以提供足夠的高頻高速共模抑制能力，則可進一歩在隔離放大器輸入端和輸出端均接一個寬帶共模電感。作為優(yōu)選，在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感，第一寬帶共模電感的第一芯線外接線端連接有差模信號輸入端，第一寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有隔離電路的輸入端，第一寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉?，第一寬帶共模電感的第二屏蔽層外接線端連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c；在隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接終端電阻。由于隔離電路輸出阻抗比較低，一般是50歐姆，在接有終端電阻22防止反射后，對輸出電纜長度沒有限制，在體積和延時允許范圍內，可以比較長。這樣就可得到共模電感量比較大的寬帶共模電感。在相同的隔離電路的等效電容下，對高頻高速共模干擾信號的抑制效果就更好。輸入側寬帶共模電感量就可以設計得比較小，電纜長度可以比較短。與上述方案并列的再ー種隔離電路，應用于雙通道或多通道，包括多個隔離分支電路，多個隔離分支電路的輸出側具有相同的隔離電路輸出端參考點，相鄰兩個隔離分支電路的差模信號輸入端之間存在共模電壓，在各個隔離分支電路的輸入端連接有寬帶共模 電感，寬帶共模電感的第一芯線外接線端連接有對應的隔離分支電路內的差模信號輸入端，寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有對應的隔離分支電路內的輸入端，寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉?，寬帶共模電感的第二屏蔽層外接線端連接有對應的隔離分支電路的輸入?yún)⒖键c；在各個隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接各連接有ー終端電阻。本實用新型的寬帶共模電感及應用該電感的隔離電路具備下述優(yōu)點寬帶共模電感采用同軸電纜，同軸電纜具有高寬帶，全屏蔽，阻抗匹配的特性，再加上芯線與屏蔽層的緊密耦合，使得寬帶共模電感的差模漏抗小，對差模信號有良好的高頻特性。將寬帶共模電感應用在隔離電路中，使得在輸入信號比較微弱的情況下，依然能得到清晰的信號輸出，抗高頻高速共模干擾能力好。

圖I現(xiàn)有的隔離電路示意圖。圖2現(xiàn)有的隔離電路共模干擾信號回路等效電路。圖3本實用新型的寬帶共模電感繞制示意圖。圖4是圖3的方框內放大示意圖。圖5本實用新型的輸入側接有寬帶共模電感的隔離電路。圖6是圖5的共模干擾信號回路等效電路。圖7是本實用新型的輸入側和輸出側接有寬帶共模電感的隔離電路。圖8是圖7的共模干擾信號回路等效電路.圖9是本實用新型輸出側接有所述寬帶共模電感的隔離電路。圖10本實用新型隔離電路輸出側不接地的情況。圖11是圖10的共模信號等效電路。圖12是本實用新型的兩個隔離電路輸出側具有同一參考點的情況。[0031]圖13是圖12的共模信號等效電路。
具體實施方式
下面通過實施例，并結合附圖，對實用新型的技術方案作進ー步具體的說明。實施例I :如圖3和4所示，一種寬帶共模電感，包括圓環(huán)形的磁環(huán)11，在圓環(huán)形的磁環(huán)11外繞接有一同軸電纜10。磁環(huán)的直徑為IOmm,磁環(huán)的高度為5mm,同軸電纜為直徑2mm,頻帶800MHz。同軸電纜10具有兩個連接端，每個連接端均包括ー芯線外接線端和一屏蔽層外接線端,芯線外接線端位于屏蔽層外接線端內。同軸電纜10 —端的第一芯線外接線端12和同軸電路的另一端的第二芯線外接線端14構成第一繞組，同軸電纜10 —端的第一屏蔽層外接線端13與另一端的第二屏蔽層外接線端構成第二繞組15，兩個繞組形成寬帶共模電 感。實施例2 如圖5所示，ー種抗高頻高速共模干擾的隔離電路，包括隔離電源31、隔離電路的輸入端2、隔離電路輸入端參考點3、隔離電路的輸出端4和隔離電路輸出端參考點5，輸出參考點5接參考地9。隔離電源31連接在隔離電路I上，隔離電路I的隔離層6的兩側構成一個電容7，在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感16,在隔離電路的輸入端2和隔離電路輸入端參考點3之間接終端電阻20。第一寬帶共模電感16的結構如實施例I所描述，同軸電纜繞接在磁芯上，形成第一繞組17和第二繞組18。構成第一繞組17的第一芯線外接線端12連接有差模信號Vd的輸入端，構成第一繞組17的第二芯線外接線端14連接有隔離電路的輸入端2，構成第二繞組18的第一屏蔽層13外接線端連接有差模信號Vd的輸入?yún)⒖嫉?，構成第二繞組18的第二屏蔽層外接線端15連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c3。加入寬帶共模電感后，共模電壓Vc不再直接加于隔離電路I的輸入端參考點3與輸出端參考點5之間了，而是經(jīng)由串聯(lián)的寬帶共模電感施加。如圖6所示，電感19是圖5中寬帶共模電感16的共模電感量。電容7為圖5中隔離電路I隔離壁壘兩側間的等效電容。圖6中，電容7上電壓是Vc的ニ階低通濾波輸出值。對于此ニ階低通濾波器通帶外的頻率，共模信號Vd頻率越高，或是dV/dt越大，電容7上的電壓幅值越小。電感電容串聯(lián)電路可能導致串聯(lián)諧振。合理選擇共模電感量19，再考慮共模電感本身的損耗，以及實際中往往是大電感值和小電容值，可以避免電感19與電容7產生過大的串聯(lián)諧振。通常串聯(lián)諧振頻率設計在較低頻率，而隔離電路通常對低頻共模干擾具有極高的抑制能力。即使電感19與電容7產生諧振將電容7上的共模電壓放大，也不會對輸出差模信號產生明顯干擾。實施例3 如圖7所示，對于隔離通道示波器和示波器隔離探頭等方面的應用，要求輸入阻抗特別高，輸入電容特別低。則通常繞制寬帶共模電感的同軸電纜只能控制在幾厘米的長度。此時若共模電感量尚不足以提供足夠的高頻高速共模抑制能力，則可進一歩在隔離放大器輸出端接另ー個寬帶共模電感。其包括隔離電源31、隔離電路的輸入端2、隔離電路輸入端參考點3、隔離電路的輸出端4和隔離電路輸出端參考點5。隔離電源31連接在隔離電路I上，隔離電路I的隔離層6的兩側構成一個電容7,在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感16,在輸出端連接第二寬帶共模電感21。第一寬帶共模電感16和第二寬帶共模電感21的結構相同，都如實施例I內描述。輸入端的第一寬帶共模電感16與隔離電路的連接如實施例2內所述，在此不再贅述。輸出端的第二寬帶共模電感的同軸電纜芯線形成的第一繞組17中的第一芯線端12經(jīng)阻抗匹配電阻22與隔離電路輸入端4連接，輸出端的第二寬帶共模電感的第ー繞組17的第二芯線端14作為隔離后的差模信號輸出端。輸出端的第二寬帶共模電感的同軸電纜芯線形成的第二繞組18的第一屏蔽層外接線端13與隔離電路輸出端參考點5相連，第二繞組18的第二屏蔽層外接線端15與輸出端參考地9連接。隔離電源31不能直接接參考點9，也需經(jīng)一共模電感23接電源。共模電感23可用普通電源回路用的共模電感，但需要比較大的共模電感量，以得到好的效果。也可以用獨立的電池供電，可省去共模電感23。此時的共模信號回路等效電路如圖8所示。電感19是圖7中寬帶共模電感16的共模電感量。電感24是圖7中的寬帶共模電感21的共模電感量，電感25是圖7中隔離電源共模電感量。電容7為圖7中隔離電路I隔離壁壘兩側間的等效電容?；芈烦休斎雮葘拵Ч材ｋ姼械?9外，又串聯(lián)了由輸出側的寬帶共模電感21的共模電感量24和直流電源共模電感23的共模電感量25并聯(lián)而成的電感。如果用電池供電，可以沒有電源共模電感 25。 由于隔離電路輸出阻抗比較低，一般是50歐姆，在接有終端電阻22防止反射后，對輸出電纜長度沒有限制，在體積和延時允許范圍內，可以比較長。這樣就可得到共模電感量比較大的寬帶共模電感。在相同的隔離壁壘等效電容7下，對高頻高速共模干擾信號的抑制效果就更好。輸入側寬帶共模電感量就可以設計得比較小，電纜長度可以比較短。實施例4 如圖9所示，如果加輸出共模電感已經(jīng)足夠抑制共模干擾，則可省去輸入端的寬帶共模電感16。這樣隔離電路的輸入阻抗性就完全不受影響。此隔離電路，包括一隔離電源，在隔離電源31上連接有一共模電感23，在隔離電路的輸入端2和隔離電路輸入端參考點3之間接終端電阻20，差模信號Vd的其中一端接隔離電路的輸入端2，差模信號Vd的另一端接差模信號參考地8。在隔離電路I的輸出端連接有第二共模電感21。輸出端的第二寬帶共模電感的同軸電纜芯線形成的第一繞組17中的第一芯線端12經(jīng)阻抗匹配電阻22與隔離電路輸入端4連接，輸出端的第二寬帶共模電感的第一繞組17的第二芯線端14作為隔離后的差模信號輸出端。輸出端的第二寬帶共模電感的同軸電纜芯線形成的第二繞組18的第一屏蔽層外接線端13與隔離電路輸出端參考點5相連，第二繞組18的第二屏蔽層外接線端15與輸出端參考地9連接。實施例5 如圖10所示，在某些應用中，隔離電路輸出側不接地，例如電池供電的手持示波表。此時輸出側電路對地的雜散電容，仍舊可以使高頻共模干擾流通。隔離電路在輸入端連接有第一寬帶共模電感，第一寬帶共模電感的第一繞組17的第一芯線外接線端12連接有差模信號Vd的輸入端，構成第一繞組17的第二芯線外接線端14連接有隔離電路的輸入端2，第一寬帶共模電感的第二繞組18的第一屏蔽層13外接線端連接有差模信號Vd的參考地，構成第二繞組18的第二屏蔽層外接線端15連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c3。隔離電路I輸出端參考點5連接有對地雜散電容26，與隔離電路I的隔離層6兩側形成的電容7，輸入側寬帶共模電感16串聯(lián)，其等效電路見圖11，輸出側對地雜散電容26數(shù)值比較小，與隔離電路輸出側接地情況相比，可降低施加在電容7上的電壓，減小了共模干擾，接入寬帶共模電感16后，則可進一歩抑制高頻共模干擾。寬帶共模電感在這種應用中依然有效。實施例6 如圖12所示，對于雙通道或多通道應用，數(shù)個隔離電路在輸出側具有相同參考點，第一隔離電路I輸出端參考點5和第二隔離電路27輸出端參考點28連接在一起。第ニ隔離電路27形成的第二隔離電容29，并在輸入端接有寬帶第三寬帶共模電感30。第一隔離電路I差模輸入信號為Vdl，第二隔離電路27差模輸入信號為Vd2，Vdl與Vd2可能不具有同一參考點，則Vdl與Vd2之間存在共模電壓Vc，其共模信號等效電路如圖12所示。電感32為寬帶共模電感30的共模電感量。電容7與電容29上的電壓之和，仍舊是Vc經(jīng)ニ階低通濾波后的值，在低通濾波通帶外快速衰減。故接入寬帶共模電感，對高頻共模干擾 的抑制仍舊有效。
權利要求1.一種寬帶共模電感，其特征在于包括磁芯，在磁芯上繞有同軸電纜。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種寬帶共模電感，其特征在于所述的磁芯為環(huán)形磁芯，所述的同軸電纜為寬帶同軸電纜，同軸電纜包括芯線和屏蔽層。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的ー種寬帶共模電感，其特征在于所述的磁芯為圓環(huán)形，磁芯的直徑小于20mm,高度小于20mm,所述的同軸電纜的直徑小于4mm,頻帶大于IOOMHz。
4.ー種應用權利要求I所述的寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于包括隔離電源、隔離電路的輸入端、隔離電路輸入端參考點、隔離電路的輸出端和隔離電路輸出端參考點，在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感；第一寬帶共模電感的第一芯線外接線端連接有差模信號輸入端，第一寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有隔離電路的輸入端，第一寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉?，第一寬帶共模電感的第二屏蔽層外接線端連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c。
5.根據(jù)權利要求4所述的應用寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于在隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接終端電阻。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的應用寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于所述的隔離電路的輸出端參考點連接有雜散電容，雜散電容與隔離電路、輸入端寬帶共模電路串聯(lián)。
7.ー種應用權利要求I所述的寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于包括隔離電源、隔離電路的輸入端、隔離電路輸入端參考點、隔離電路的輸出端和隔離電路輸出端參考點，在隔離電路的輸出端連接有第二寬帶共模電感，隔離電源上連接有共模電感；第二寬帶共模電感的第一芯線外接線端通過阻抗匹配電阻連接有隔離電路的輸出端，第二寬帶共模電感第二芯線外接線端連接有隔離后的差模信號輸出端，第二寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有隔離電路輸出端參考點，第二寬帶共模電感第二屏蔽層外接線端連接有隔離電路差模信號輸出參考地。
8.根據(jù)權利要求7所述的應用寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于在隔離電路的輸入端連接有第一寬帶共模電感，第一寬帶共模電感的第一芯線外接線端連接有差模信號輸入端，第一寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有隔離電路的輸入端，第一寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉?，第一寬帶共模電感的第二屏蔽層外接線端連接有隔離電路輸入?yún)⒖键c；在隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接終端電阻。
9.ー種應用權利要求I所述的寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于包括多個隔離分支電路，多個隔離分支電路的輸出側具有相同的隔離電路輸出端參考點，相鄰兩個隔離分支電路的差模信號輸入端之間存在共模電壓，在各個隔離分支電路的輸入端連接有寬帶共模電感，寬帶共模電感的第一芯線外接線端連接有對應的隔離分支電路內的差模信號輸入端，寬帶共模電感的第二芯線外接線端連接有對應的隔離分支電路內的輸入端，寬帶共模電感的第一屏蔽層外接線端連接有差模信號輸入?yún)⒖嫉?，寬帶共模電感的第二屏蔽層外接線端連接有對應的隔離分支電路的輸入?yún)⒖键c。
10.根據(jù)權利要求9所述的應用寬帶共模電感的隔離電路，其特征在于在各個隔離電路的輸入端和隔離電路輸入端參考點之間接各連接有一終端電阻。
專利摘要本實用新型涉及一種電子測量設備。一種寬帶共模電感及應用該寬帶的隔離電路，包括隔離電源、隔離電路的輸入端、隔離電路輸入端參考點、隔離電路的輸出端和隔離電路輸出端參考點，在隔離電路的輸入端或輸出端連接有寬帶共模電感。寬帶共模電感，包括磁芯，在磁芯上繞有同軸電纜。本實用新型提供了一種差模漏抗小，對差模信號具有良好的高頻特性的寬帶共模電感；解決現(xiàn)有技術中共模電感存在的對于差模信號的高頻特性不理想的技術問題。
文檔編號H03K19/0175GK202816542SQ20122028110
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權日2012年6月15日
發(fā)明者李君 , 溫志偉 申請人:杭州祺來電子有限公司, 甘肅電力科學研究院