一種兩線制信號隔離傳輸電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩線制信號隔離傳輸電路，其包括相互獨(dú)立的隔離式開關(guān)電源電路和信號隔離轉(zhuǎn)換電路，并設(shè)有第一端子和第二端子，信號隔離轉(zhuǎn)換電路由信號隔離傳輸電路和信號轉(zhuǎn)換電路組成；隔離式開關(guān)電源電路獨(dú)立將由第一、第二端子輸入的能量隔離傳輸給傳感器，信號隔離傳輸電路獨(dú)立將傳感器輸出信號隔離傳輸給信號轉(zhuǎn)換電路，并且隔離式開關(guān)電源電路的用于向傳感器供電的配電端與信號隔離傳輸電路的用于接收傳感器輸出信號的輸入端共地，信號轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流后，經(jīng)第一、第二端子向兩根傳輸線輸出，使兩根傳輸線流過受傳感器輸出信號控制的電流。本發(fā)明具有信號隔離轉(zhuǎn)換精度高、可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)配電輸出電流和電壓的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種兩線制信號隔離傳輸電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種兩線制信號隔離傳輸電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)上應(yīng)用的信號檢測和控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要進(jìn)行檢測現(xiàn)場到控制設(shè)備的遠(yuǎn)距離信號傳輸?，F(xiàn)有的信號傳輸方式一般有兩線制、三線制和四線制信號傳輸方式。四線制采用信號和電源分開傳輸即兩根線傳輸電源，兩根線傳輸信號。三線制也是采用信號和電源分開傳輸?shù)切盘柖丝诤碗娫炊丝诠驳鼐€，因此只要三根線即可傳輸電源和信號。兩線制則采用兩根線同時傳輸信號和電源能量。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)膽?yīng)用中由于兩線制傳輸方式只需要兩根傳輸線，比其他傳輸方式節(jié)省信號傳輸材料，因此得到廣泛應(yīng)用。
[0003]兩線制傳輸方式之所以可以用兩根線同時傳輸電源和信號，是因?yàn)樵谶h(yuǎn)距離信號傳輸應(yīng)用中傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)信號類型為4?20mA的電流信號。兩線制信號傳輸系統(tǒng)如圖1所示。這里將兩根兩線制信號傳輸線上的電壓差稱為兩線制信號電壓。將兩線制信號線上傳輸?shù)碾娏鞣Q為兩線制信號電流。兩線制轉(zhuǎn)換器根據(jù)傳感器的信號調(diào)節(jié)兩線制轉(zhuǎn)換器在兩線制信號線上的負(fù)載，從而調(diào)節(jié)了兩線制信號電流，實(shí)現(xiàn)了電流信號從兩線制轉(zhuǎn)換器到控制系統(tǒng)的傳輸。由于控制系統(tǒng)通過信號線同時向兩線制轉(zhuǎn)換器傳輸了電壓和電流，也就等于傳輸了能量。由于傳輸?shù)男盘栯娏髯钚?mA，在提高兩線制信號電壓的情況下就可以提高控制系統(tǒng)傳輸?shù)絻删€制轉(zhuǎn)化器里的能量。當(dāng)這個最小的能量滿足了兩線制轉(zhuǎn)換器的供能需求時就實(shí)現(xiàn)了電源傳輸。
[0004]目前常用的兩線制轉(zhuǎn)換器是采用TI的XTR115和XTR116或者是他們的分立元器件自搭方案。XTR115和XTR116的內(nèi)部電路示意圖如圖2所示。該電路可以實(shí)現(xiàn)傳感器和兩線制信號傳輸電路之間的信號和能量轉(zhuǎn)換。由于兩線制應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)距離信號傳輸，應(yīng)用環(huán)境中存在靜電等各種不缺定的電擊風(fēng)險(xiǎn)。因此在傳輸接口上一般需要進(jìn)行電氣隔離處理。在控制系統(tǒng)端口由于有控制系統(tǒng)直接供電，因此有很多現(xiàn)有方案可以很好的實(shí)現(xiàn)電氣隔離。但是在檢測系統(tǒng)端口，由于能量傳輸受限制并且和信號傳輸同步進(jìn)行，因此難以同時實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸和信號的高精度傳輸。本發(fā)明所要討論的兩線制信號隔離傳輸方案所指的正是檢測端兩線制信號的隔離傳輸方案。
[0005]目前業(yè)內(nèi)稱為兩線制信號隔離傳輸?shù)姆桨赣袃煞N。其中有一種為了解決電源能量問題，需要額外的電源提供能量，只實(shí)現(xiàn)了信號的兩線制傳輸。這種方案實(shí)質(zhì)上需要第三根線傳輸電源，因此不是本發(fā)明所要討論的兩線制傳輸方案。目前真正實(shí)現(xiàn)了兩線制檢測端信號隔離的方案只有一種。該方案如圖3所示，在傳感器和兩線制轉(zhuǎn)換器將檢測信號轉(zhuǎn)換為4?20mA的傳輸信號后通過一個無源電流信號隔離變送器將信號隔離傳輸?shù)絻删€制電路中。
[0006]在現(xiàn)有的兩線制信號隔離傳輸方案中，由于無源信號隔離變送器既要隔離傳輸電流信號，又要隔離傳輸電源，因此往往存在電流信號精度低，電源能量損耗大的問題。要實(shí)現(xiàn)4?20mA電流信號的無源隔離傳輸必須采用變壓器電流比反比于匝比的特性實(shí)現(xiàn)磁電隔離。這里影響電流傳輸精度的因素有兩個:一是變壓器的漏感，二是磁芯的鐵損。為了降低變壓器的漏感，保證耦合系數(shù)，就必須使用沒有氣隙且高磁導(dǎo)率的磁芯并提高變壓器的繞組圈數(shù)。為了降低變壓器的鐵損，就必須要使用低損耗系數(shù)的磁芯并提高變壓器的工作頻率和繞組圈數(shù)。然而由于磁芯材質(zhì)的固有特性,在相同材料成本下,高磁導(dǎo)率往往意味著高損耗系數(shù)。變壓器的繞組之間不可避免的會存在寄生電容，而且繞組圈數(shù)越多，寄生電容就會越大。這時如果變壓器的工作頻率提高，那么信號線上的電流就會直接從變壓器繞組的寄生電容上流過而不通過變壓器繞組。這時變壓器的電流信號傳輸精度就會大大降低。因此在無源電流信號隔離傳輸?shù)倪^程中，變壓器的磁芯磁導(dǎo)率、繞組圈數(shù)和工作頻率對信號傳輸精度的影響是相互矛盾的。由于電流信號實(shí)現(xiàn)的是無源傳輸，不存在可以進(jìn)行信號精度校準(zhǔn)的條件，這就決定了無源電流信號隔離傳輸?shù)木葻o法做的很高。
[0007]為了提高無源電流信號隔離傳輸電路的信號傳輸精度，電流信號的電壓必須保持在低電壓。這時由于變壓器的勵磁電壓很低，極大的降低了變壓器的勵磁電流，也就降低了變壓器的鐵損。這從很大程度上降低了磁芯磁導(dǎo)率和鐵損的矛盾關(guān)系。根據(jù)電容的電流和
電壓變換規(guī)律I = 當(dāng)變壓器的信號電壓很低時，即使變壓器的寄生電容很大，工作頻率
很高，即周期t很小，最后流過變壓器寄生電容的電流依然可以很小。因此降低變壓器的信號電壓也就降低了變壓器工作頻率和變壓器繞組圈數(shù)的矛盾關(guān)系。所以無源電流信號隔離傳輸電路在保證變壓器信號電壓很低的情況下，只要提高磁芯磁導(dǎo)率和變壓器圈數(shù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)變壓器工作頻率，依然可以實(shí)現(xiàn)較高的電流信號傳輸精度。但是在兩線制信號隔離傳輸應(yīng)用中需要提高兩線制信號電壓實(shí)現(xiàn)電源能量的傳輸，因此常規(guī)的無源電流信號隔離變送器并不能實(shí)現(xiàn)兩線制信號的高精度傳輸。目前行業(yè)內(nèi)低電壓的無源電流信號隔離傳輸變送器的信號傳輸精度普遍可以做到1%。，但是可以應(yīng)用于兩線制信號傳輸電路中的電壓高于8.5V的無源電流信號隔離變送器精度一般只能做到3%。。將無源電流信號隔離變送器和兩線制信號轉(zhuǎn)換器連接后兩線制信號隔離傳輸電路的信號精度還會進(jìn)一步降低。這里所說的精度是指信號隔離傳輸?shù)恼`差和信號傳輸?shù)牧砍谭秶g的比值。
[0008]在能量傳輸方面,現(xiàn)有的兩線制信號隔離傳輸方案存在電壓傳輸壓降大,配電輸出電流不能調(diào)節(jié)的問題。在電流信號隔離傳輸電路上，雖然電流信號實(shí)現(xiàn)了 1:1的傳輸，但卻犧牲了信號的電壓。由于信號采用的是無源傳輸，那就必須采用額外的變壓器耦合信號傳輸電路上的電流為信號隔離傳輸電路的驅(qū)動控制電路提供能量。驅(qū)動控制電路所需要的能量是一定的，因此為了在4mA信號電流下滿足驅(qū)動所需能量，必須提高從信號電路耦合的電壓。這就提高了無源電流信號隔離變送器輸入輸出端的電壓差。同時為了提高信號傳輸精度，必須提高信號隔離變壓器的繞組圈數(shù)，這就提高了線路的阻抗，進(jìn)一步提高了無源電流信號隔離變送器輸入輸出端的電壓差。
[0009]目前市場上用于兩線制電路的無源電流信號隔離變送器的輸入輸出壓差基本在5V以上。XTR115或XTR116的最低電源輸入電壓是7.5V，意味著現(xiàn)有的兩線制傳輸電路的信號電壓至少要12.5V以上。如果假設(shè)兩線制信號傳輸電路上線壓降和電壓余量之和為
2.5V，那么控制系統(tǒng)為兩線制電路提供的電壓至少為15V。如果再加上控制系統(tǒng)電流信號檢測電路所需要的電壓，那么控制系統(tǒng)所要提供的電壓就會更高。在一些控制系統(tǒng)供電電壓較低的場合就會難以滿足使用的要求。同時在電流方面，由于目前的兩線制轉(zhuǎn)換器配電輸出電路直接從信號電路上引出來，因此配電電流不可能超過信號電流。以XTRl 16為例，芯片全溫度范圍下的最大靜態(tài)電流為0.3mA。由于控制電路和配電輸出電路并聯(lián)，靜態(tài)電流吸收了部分信號電流，因此要滿足4?20mA信號下使用就要求配電電流最大只能是3.7mA。在需要更高配電電流的場合就無法滿足4mA信號的正常傳輸了。
[0010]綜上所述，現(xiàn)有的兩線制信號傳輸方案信號傳輸精度低，最低兩線制信號電壓和配電輸出電流無法調(diào)節(jié)。不能根據(jù)應(yīng)用所需配電電壓和電流調(diào)節(jié)兩線制信號電壓實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)淖罴哑ヅ洹o法滿足控制系統(tǒng)電壓低，配電輸出電流大，信號傳輸精度高等特殊應(yīng)用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種兩線制信號隔離傳輸電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)中信號傳輸精度低，最低兩線制信號電壓和配電輸出電流無法調(diào)節(jié)，不能根據(jù)應(yīng)用所需配電電壓和電流調(diào)節(jié)兩線制信號電壓實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)淖罴哑ヅ涞膯栴}。
[0012]解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0013]一種兩線制信號隔離傳輸電路，用于通過兩根傳輸線從控制系統(tǒng)獲得能量以向傳感器供電，并將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流信號后通過所述兩根傳輸線傳輸給所述控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的兩線制信號隔離傳輸電路包括相互獨(dú)立的隔離式開關(guān)電源電路和信號隔離轉(zhuǎn)換電路，并設(shè)有用于與所述兩根傳輸線連接的第一端子和第二端子，所述信號隔離轉(zhuǎn)換電路由信號隔離傳輸電路和信號轉(zhuǎn)換電路組成；所述隔離式開關(guān)電源電路獨(dú)立將由第一、第二端子輸入的能量隔離傳輸給傳感器,所述信號隔離傳輸電路獨(dú)立將傳感器輸出信號隔離傳輸給信號轉(zhuǎn)換電路，并且隔離式開關(guān)電源電路的用于向傳感器供電的配電端與信號隔離傳輸電路的用于接收傳感器輸出信號的輸入端共地，所述信號轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流后，經(jīng)第一、第二端子向所述兩根傳輸線輸出，使兩根傳輸線流過受傳感器輸出信號控制的電流。
[0014]作為本發(fā)明信號轉(zhuǎn)換電路的第一種改進(jìn)方式:所述信號轉(zhuǎn)換電路包括有源信號轉(zhuǎn)換電路和零點(diǎn)偏置電路；零點(diǎn)偏置電路在兩線制信號隔離傳輸電路正常工作后流過預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置電流，其與所述隔離式開關(guān)電源電路的輸入端串聯(lián)后形成的端口與所述第一、第二端子相并聯(lián)，所述有源信號轉(zhuǎn)換電路將信號隔離傳輸電路傳輸?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘栟D(zhuǎn)換成電流信號，并且，該電流信號與所述零點(diǎn)偏置電流匯流后經(jīng)第一、第二端子向所述兩根傳輸線輸出。
[0015]作為本發(fā)明第一種改進(jìn)方式的信號轉(zhuǎn)換電路的實(shí)施方式一:所述有源信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述零點(diǎn)偏置電路相并聯(lián)。
[0016]作為本發(fā)明第一種改進(jìn)方式的信號轉(zhuǎn)換電路的實(shí)施方式二:所述有源信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述第一、第二端子相并聯(lián)。
[0017]作為本發(fā)明信號轉(zhuǎn)換電路的第二種改進(jìn)方式:所述傳感器輸出信號帶有預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置信號，所述信號轉(zhuǎn)換電路包括有源信號轉(zhuǎn)換電路；有源信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述隔離式開關(guān)電源電路的輸入端串聯(lián)后形成的端口與所述第一、第二端子相并聯(lián)，所述有源信號轉(zhuǎn)換電路將信號隔離傳輸電路傳輸?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘栟D(zhuǎn)換成電流信號，該電流信號經(jīng)第一、第二端子向所述兩根傳輸線輸出。[0018]作為本發(fā)明信號轉(zhuǎn)換電路供電的優(yōu)選實(shí)施方式:所述的兩線制信號隔離傳輸電路還包括隔離供電電源電路；該隔離供電電源電路耦合所述隔離式開關(guān)電源電路中的電源隔離變壓器，其將由隔離式開關(guān)電源電路獲得的能量向所述信號隔離傳輸電路供電。
[0019]本發(fā)明還可作如下改進(jìn):所述隔離式開關(guān)電源電路的配電端與共地端之間接有穩(wěn)壓電路。
[0020]本發(fā)明還可作如下改進(jìn):所述隔離式開關(guān)電源電路為自激振蕩電路。
[0021]本發(fā)明還可作如下改進(jìn):所述信號隔離傳輸電路為推挽同步整流電路，并且該推挽同步整流電路的輸入側(cè)推挽驅(qū)動信號和輸出側(cè)同步控制信號分別耦合自所述隔離式開關(guān)電源電路中電源隔離變壓器的電源側(cè)繞組和負(fù)載側(cè)繞組。
[0022]本發(fā)明還可作如下改進(jìn):所述的兩線制信號隔離傳輸電路還包括隔直分壓電路；所述推挽同步整流電路的輸出側(cè)同步控制信號通過該隔直分壓電路由所述隔離式開關(guān)電源電路中電源隔離變壓器的電源側(cè)繞組或者負(fù)載側(cè)繞組獲得。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]第一，本發(fā)明通過設(shè)置相互獨(dú)立的隔離式開關(guān)電源電路和信號隔離轉(zhuǎn)換電路，具有信號隔離轉(zhuǎn)換精度高、可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)配電輸出電流和電壓，最大化降低兩線制信號電壓、滿足配電電流需求大于4mA或者兩線制信號壓降小于12.5V的特殊應(yīng)用場合的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0025]現(xiàn)有的兩線制信號隔離傳輸電路之所以信號精度低，配電電流和輸入電壓無法匹配，其根本原因有兩點(diǎn)。一是隔離電路同時隔離傳輸電流信號和電源能量，導(dǎo)致電流精度降低，信號壓降提高。二是配電輸出電流直接取自信號電流，沒有相應(yīng)的電源調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)配電輸出電流和電源輸入電壓。
[0026]本發(fā)明的兩線制信號隔離傳輸電路中，通過將兩線制電路的信號傳輸電路和電源傳輸電路分別隔離傳輸，使信號隔離轉(zhuǎn)換電路不僅不再受隔離式開關(guān)電源電路的影響，而且由于隔離式開關(guān)電源電路可以為信號隔離轉(zhuǎn)換電路供電，使得信號隔離轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)各種類型的信號隔離轉(zhuǎn)換并且具備了信號校準(zhǔn)功能。這就解除了信號隔離轉(zhuǎn)換的精度限制，使得校準(zhǔn)后的信號精度可以無限提高。
[0027]本發(fā)明的兩線制信號隔離傳輸電路中，由于信號隔離轉(zhuǎn)換電路和隔離式開關(guān)電源電路相互獨(dú)立傳輸信號和能量，使得隔離式開關(guān)電源電路的控制電路所需能量可以直接由第一端子和第二端子提供而不需要通過變壓器耦合，減少了能量隔離傳輸?shù)膿p耗，降低了電源隔離傳輸導(dǎo)致的輸入輸出電壓壓降。由于隔離式開關(guān)電源電路可以通過電源隔離變壓器單獨(dú)傳輸能量，通過設(shè)計(jì)變壓器的匝比，就可以改變電源輸入輸出端口的電壓比和電流t匕，進(jìn)而可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)配電端的電壓和電流輸出能力，達(dá)到降低兩線制信號電壓，優(yōu)化電路損耗的目的。同時本發(fā)明中兩線制傳輸信號中至少有4mA零點(diǎn)偏置電流流過電源輸入端，通過電源變壓器匝比設(shè)計(jì)后，就可以在配電輸出端輸出大于4mA的配電電流，可以滿足配電電流需求大于4mA的特殊應(yīng)用場合。通過電源變壓器匝比設(shè)計(jì)，降低電源輸入端電壓，就可以允許兩線制信號電壓低于12.5V，滿足控制系統(tǒng)電源電壓較低的特殊應(yīng)用場
八
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[0028]第二，本發(fā)明通過采用信號轉(zhuǎn)換電路第一種改進(jìn)方式的實(shí)施方式一，具有進(jìn)一步提高配電輸出電流或降低兩線制信號最小電壓的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:[0029]當(dāng)兩線制信號電流均流過電源輸入端時，電源輸入端的電流就由傳輸信號的大小控制。電源輸入端的電流越大，那么電源配電端的輸出電流也就越大。如果人為控制提高兩線制信號電流的最小值，就相當(dāng)于提高了電源配電端的最小輸出電流，也就提高了電源的配電電流輸出能力。這就滿足了兩線制信號電壓不能過高但又需要較大的配電輸出電流的應(yīng)用場合。使用同樣的方法，在保持配電輸出電流不變的前提下，通過改變電源電壓傳輸t匕，降低兩線制信號電壓，就能滿足需要一定的配電電流輸出能力但又要求很低的兩線制信號電壓的應(yīng)用場合。
[0030]第三，本發(fā)明通過采用信號轉(zhuǎn)換電路第一種改進(jìn)方式的實(shí)施方式二，具有進(jìn)一步提高電源配電最小電流輸出能力并保持電源隔離傳輸電路輸入輸出端的電壓穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0031]以Royer電路為例，當(dāng)電源輸入電流在4?20mA之間變化時，電源控制電路必須設(shè)計(jì)成滿足傳輸20mA電流。和傳輸4mA電流相比,傳輸20mA電流意味著需要更大的三極管基極電流。基極電流是由Royer電路的啟動電阻決定的，因此一旦設(shè)定就不會隨著電路實(shí)際的傳輸電流變化。因此為只傳輸4mA電流設(shè)計(jì)的基極電流可以顯著低于為傳輸20mA電流設(shè)計(jì)的基極電流，這就提高了 4mA電流的傳輸效率。同時當(dāng)電源輸入電流在4?20mA之間變化時，電流在開關(guān)管、變壓器和整流管上產(chǎn)生的壓降就會變化，導(dǎo)致電源輸入輸出電壓產(chǎn)生變化。而電源輸入端只輸入4mA電流時電源電路上的電壓降就不會變化，因此電源輸入輸出電壓就比輸入4?20mA電流的方案穩(wěn)定。米用其他電源方案時，在電源輸入端只輸入4mA電流時，電源傳輸效率和輸入輸出電壓穩(wěn)定性比輸入4?20mA時也會有顯著的提聞。
[0032]第四，本發(fā)明通過采用信號轉(zhuǎn)換電路供電的優(yōu)選實(shí)施方式，具有簡化信號轉(zhuǎn)換控制電路的設(shè)計(jì)、提高信號轉(zhuǎn)換控制電路的控制及校準(zhǔn)精度的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0033]信號通過隔離電路傳輸?shù)叫枰ㄟ^信號轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為兩線制電流信號。轉(zhuǎn)換電路被控制的電流信號是完全按照傳輸信號轉(zhuǎn)換而來的。然而轉(zhuǎn)換電路本身在控制電流信號的同時也需要供電電源并會產(chǎn)生工作電流。而這個電流是轉(zhuǎn)換電路本身器件所決定的，并不受傳輸信號影響。由于兩線制傳輸端口是整個信號轉(zhuǎn)換電路的供電電源，因此信號轉(zhuǎn)換電路工作時會在兩線制信號電流上疊加不受控制的工作電流，降低信號傳輸精度。但是如果在電源電路上再引出一路額外的內(nèi)部隔離電源給信號轉(zhuǎn)換電路供電，由于內(nèi)部隔離電源的電流來自電源輸入端，而流過電源輸入端的電流又是受信號轉(zhuǎn)換電路控制的被控電流，因此就將信號轉(zhuǎn)換電路的工作電流也納入了受控電流的范圍內(nèi)，提高了兩線制信號電流的傳輸精度。由于電源電路提供的內(nèi)部隔離電源是和配電電源耦合的穩(wěn)壓電源，因此和使用不穩(wěn)定的兩線制信號電壓相比，具有更高的零點(diǎn)和滿度校準(zhǔn)精度。
[0034]第五，本發(fā)明通過在隔離式開關(guān)電源電路的配電端與共地端之間設(shè)置穩(wěn)壓電路，具有更進(jìn)一步提高電源隔離電路配電輸出電壓精度的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0035]現(xiàn)有的電源一般是電源輸入端輸入穩(wěn)定的電源電壓，然后通過電壓傳輸比設(shè)計(jì)電源輸出電壓。這時由于電流從電源輸入端流到電源輸出端的過程中需要經(jīng)過電源開關(guān)管、電源變壓器和輸出整流器件并產(chǎn)生傳輸壓降，隨著配電輸出電流的變化，傳輸壓降也會隨之變化。本發(fā)明的電源方案中，輸入電源輸入端的是電流信號，需要使用穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓才能實(shí)現(xiàn)電源輸入端的電壓穩(wěn)定。如果將穩(wěn)壓電路直接連接在電源輸出端，那么電源輸入端的電流信號就會直接通過電源輸出到配電端并在配電端的穩(wěn)壓電路上形成穩(wěn)定的壓降作為電源配電電壓。這時電源傳輸?shù)碾娏饕徊糠滞ㄟ^配電電流輸出，一部分流過穩(wěn)壓電路。因此配電輸出電流變化只會引起穩(wěn)壓電路電流的變化，并不會引起輸出電壓的變化，這就大大提高了配電輸出電壓的精度。
[0036]第六，本發(fā)明的隔離式開關(guān)電源電路通過優(yōu)選采用自激振蕩電路，具有大幅降低振蕩控制電流、提高電源配電輸出能力的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0037]本發(fā)明的電源隔離電路采用自激振蕩電路。本發(fā)明采用的電源隔離電路的振蕩電路和電源輸入端并聯(lián)。因此在信號電流一定的情況下振蕩電路損耗的電流會直接降低電源輸入端可以傳輸給配電輸出端的電流。如果采用現(xiàn)有的他激控制芯片產(chǎn)生電源隔離傳輸所需要的振蕩控制信號，那么芯片的起振和控制電路一般需要消耗0.5mA以上的電流。如果采用自激振蕩電路傳輸電源，由于自激信號振蕩都是通過信號放大電路配上相位差產(chǎn)生的，只要信號放大電路的放大倍數(shù)足夠大，就可以大大縮小控制信號的電流。比如三極管的放大倍數(shù)是200倍，要傳輸4mA電流理論只要有20uA控制電流就可以實(shí)現(xiàn)了。因此采用自激振蕩電路實(shí)現(xiàn)電源隔離傳輸可以產(chǎn)生的進(jìn)一步有益效果為大幅降低振蕩控制電流，提高電源配電輸出能力。
[0038]第七，本發(fā)明的信號隔離傳輸電路通過優(yōu)選采用推挽同步整流電路，具有實(shí)現(xiàn)信號隔離傳輸?shù)膬?nèi)部控制、簡化信號隔離電路的設(shè)計(jì)、縮小電路面積的優(yōu)點(diǎn)，具體分析如下:
[0039]采用推挽同步整流電路進(jìn)行信號隔離傳輸，同時信號隔離電路的推挽驅(qū)動信號和同步控制信號耦合自所述電源隔離電路。由于推挽同步整流電路既可以實(shí)現(xiàn)電流信號的隔離傳輸，也可以實(shí)現(xiàn)電壓信號的隔離傳輸，因此實(shí)現(xiàn)了輸入輸出電壓或電流信號的隔離。由于驅(qū)動和同步信號耦合自電源隔離電路，這就保證了驅(qū)動和同步信號的一致性，同時節(jié)省了信號隔離電路的推挽電路振蕩信號和同步整流同步信號的設(shè)計(jì)，降低了信號隔離電路的設(shè)計(jì)難度，減小了電路面積。在此前提下，控制信號通過電容隔直后經(jīng)過電阻分壓或者通過電容分壓后用電阻吸收直流分量的方式給信號隔離電路提供控制信號，解決了電源電路給信號傳輸電路提供控制信號時電路不共地以及電壓過高的問題。因此優(yōu)選方案的進(jìn)一步的有益效果為實(shí)現(xiàn)信號隔離傳輸?shù)膬?nèi)部控制，簡化了信號隔離電路的設(shè)計(jì)，縮小了電路面積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0041]圖1為兩線制信號傳輸系統(tǒng)示意圖；
[0042]圖2為XTRl 15和XTRl 16內(nèi)部電路示意圖；
[0043]圖3為現(xiàn)有的兩線制信號隔離傳輸方案示意圖；
[0044]圖4為本發(fā)明兩線制信號隔離傳輸電路的電路原理框圖；
[0045]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一的電路原理圖；
[0046]圖6為本發(fā)明實(shí)施例二的電路原理圖；
[0047]圖7為本發(fā)明實(shí)施例三的電路原理圖；
[0048]圖8為本發(fā)明實(shí)施例四的電路原理圖；
[0049]圖9為本發(fā)明實(shí)施例五的電路原理圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0050]實(shí)施例一
[0051]如圖4所示，本發(fā)明的兩線制信號隔離傳輸電路用于通過兩根傳輸線從控制系統(tǒng)獲得能量以向傳感器供電，并將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流信號后通過兩根傳輸線傳輸給控制系統(tǒng)，其包括相互獨(dú)立的隔離式開關(guān)電源電路Al和信號隔離轉(zhuǎn)換電路，并設(shè)有用于與兩根傳輸線連接的第一端子So和第二端子C0M，信號隔離轉(zhuǎn)換電路由信號隔離傳輸電路A2和信號轉(zhuǎn)換電路組成；隔離式開關(guān)電源電路Al獨(dú)立將由第一、第二端子So和COM輸入的能量隔離傳輸給傳感器，信號隔離傳輸電路A2獨(dú)立將傳感器輸出信號隔離傳輸給信號轉(zhuǎn)換電路，并且隔離式開關(guān)電源電路Al的用于向傳感器供電的配電端VCC與信號隔離傳輸電路A2的用于接收傳感器輸出信號的輸入端Sin共地GND，信號轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流后，經(jīng)第一、第二端子So和COM向兩根傳輸線輸出，使兩根傳輸線流過受傳感器輸出信號控制的電流。
[0052]如圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例一的兩線制信號隔離傳輸電路所應(yīng)用的傳感器輸出O?2V電壓信號，該傳感器輸出信號不含有預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置信號，為此，本實(shí)施例一的信號轉(zhuǎn)換電路包括有源信號轉(zhuǎn)換電路A3和零點(diǎn)偏置電路A4。
[0053]其中，隔離式開關(guān)電源電路Al采用自激振蕩電路中典型的Royer電路結(jié)構(gòu)，包括電容C101、電阻R100、電容C102、三極管Q100、三極管Q101、電源隔離變壓器Tl、二極管對D200和電容C200，電容ClOl的兩端為隔離式開關(guān)電源電路Al的輸入端，電容C200的兩端為隔離式開關(guān)電源電路Al的配電端VCC和共地端GND，該配電端Vcc與共地端GND之間接有穩(wěn)壓電路，即穩(wěn)壓管D201。
[0054]信號隔離傳輸電路A2為推挽同步整流電路，包括MOS管對Q300、電容C305、信號隔離變壓器T2、電容C405和MOS管對Q400，信號隔離變壓器T2的原邊繞組中點(diǎn)、副邊繞組中點(diǎn)分別為信號隔離傳輸電路A2的信號輸入端Sin、信號輸出端，MOS管對Q300的源極連接點(diǎn)為信號隔離傳輸電路A2的共地端GND。該推挽同步整流電路的輸入側(cè)推挽驅(qū)動信號和輸出側(cè)同步控制信號分別耦合自隔離式開關(guān)電源電路Al中電源隔離變壓器Tl的電源側(cè)繞組和負(fù)載側(cè)繞組，即MOS管對Q300的兩個柵極分別連接電源隔離變壓器Tl的負(fù)載側(cè)繞組兩端B39和V39，MOS管對Q400的兩個柵極通過隔直分壓電路A6，即電容C401?C403和電阻R401、R402連接電源隔離變壓器Tl的電源側(cè)繞組兩端G39和R39。
[0055]有源信號轉(zhuǎn)換電路A3為電壓電流轉(zhuǎn)換電路，包括運(yùn)算放大器U600、M0S管Q601和電阻R600，運(yùn)算放大器U600的電源端正極通過隔離供電電源電路A5獲得供電，該隔離供電電源電路A5包括二極管D600、電容C600和與電源隔離變壓器Tl耦合的輔助繞組，電容C600的一端為隔離供電電源電路A5的隔離電源輸出端Vss，連接到運(yùn)算放大器U600的電源端正極，另一端連接到第二端子C0M，運(yùn)算放大器U600的電源端負(fù)極與電阻R600的連接點(diǎn)連接到MOS管對Q400的源極連接點(diǎn)，運(yùn)算放大器U600的同相輸入端為有源信號轉(zhuǎn)換電路A3的輸入端，與信號隔離傳輸電路A2的輸出端相連接，運(yùn)算放大器U600的電源端負(fù)極與電阻R600的連接點(diǎn)、MOS管Q601的漏極為有源信號轉(zhuǎn)換電路A3的輸出端。
[0056]零點(diǎn)偏置電路A4為恒流源電路，包括電阻R604、AZ431基準(zhǔn)芯片U601、M0S管Q602和電阻R601，電阻R604的一端為恒流源電路的電源輸入端，連接到隔離供電電源電路A5的隔離電源輸出端Vss以獲得供電，AZ431基準(zhǔn)芯片U601和電阻R601的連接點(diǎn)、MOS管Q602的漏極為零點(diǎn)偏置電路A4的兩端，并且，MOS管Q602的漏源極之間并聯(lián)有用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明兩線制信號隔離傳輸電路正常啟動的啟動電阻R605。
[0057]本實(shí)施例一的有源信號轉(zhuǎn)換電路A3的輸出端與零點(diǎn)偏置電路A4相并聯(lián)，并且，零點(diǎn)偏置電路A4與隔離式開關(guān)電源電路Al的輸入端串聯(lián)后形成的端口與第一、第二端子So和COM相并聯(lián)，其中VI為零點(diǎn)偏置電路A4與隔離式開關(guān)電源電路Al的輸入端的串接點(diǎn)。在本實(shí)施例一的兩線制信號隔離傳輸電路正常工作后，零點(diǎn)偏置電路A4流過經(jīng)由電路參數(shù)預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置電流，有源信號轉(zhuǎn)換電路A3將信號隔離傳輸電路A2傳輸?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘栟D(zhuǎn)換成電流信號，該電流信號與零點(diǎn)偏置電流匯流后經(jīng)第一、第二端子So和COM向兩根傳輸線輸出4?20mA的電流信號。
[0058]本發(fā)明本實(shí)施例一的基本工作原理為:當(dāng)電路上電時，由于MOS管Q601和Q602的初始狀態(tài)為關(guān)斷，因此兩線制信號電流無法從MOS管Q601和Q602流過。這時電流轉(zhuǎn)而通過啟動電阻R605，使得第二端子So產(chǎn)生輸入電流，電路啟動并且配電端Vcc和隔離電源輸出端Vss產(chǎn)生輸出電壓。電源啟動后電源隔離變壓器Tl的B39、V39端口產(chǎn)生輸入側(cè)推挽驅(qū)動信號和G39、R39端口產(chǎn)生輸出側(cè)同步控制信號，控制信號隔離傳輸電路A2將傳感器輸出的電壓信號傳輸?shù)接性葱盘栟D(zhuǎn)換電路A3。隔離供電電源電路A5啟動后,有源信號轉(zhuǎn)換電路A3和零點(diǎn)偏置電路A4開始正常工作，MOS管Q602導(dǎo)通控制兩線制電路流過4?20mA傳輸信號中的4mA零點(diǎn)偏置電流，設(shè)計(jì)時啟動電阻R605上的電流應(yīng)當(dāng)保證低于兩線制信號傳輸?shù)淖钚‰娏?mA，而剩余的電流在零點(diǎn)偏置電路A4正常工作后通過MOS管Q602控制流通。零點(diǎn)偏置電路A4正常工作后第一端子So過最小4mA的電流，從而使配電端Vcc達(dá)到正常的配電電流輸出能力。信號隔離傳輸電路A2進(jìn)入正常工作狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)有源信號轉(zhuǎn)換電路A3中的轉(zhuǎn)換電阻R600就可以實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)臐M度校準(zhǔn)，該信號滿度即輸出信號隨著輸入信號變化的比值。通過調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置電路A4的電流轉(zhuǎn)換電阻R601就可以實(shí)現(xiàn)電路的零點(diǎn)校準(zhǔn)。通過調(diào)節(jié)隔離式開關(guān)電源電路Al中電源隔離變壓器Tl的匝比就可以實(shí)現(xiàn)配電電流和電源輸入電壓的調(diào)節(jié)。
[0059]為了說明本發(fā)明實(shí)施例一的信號隔離傳輸效果，這里選擇以下參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測試。Royer 電路參數(shù):R100=50KQ、C101=C200=luF、C102=47nF、QlOO 和 QlOl 為放大倍數(shù)為200左右的開關(guān)三極管FMMT491，D200為整流二極管對BAVA70，穩(wěn)壓管D201采用5.1V穩(wěn)壓管。信號隔離電路參數(shù):Q300和Q400采用MOS管對FDC6561，C304=C405=100nF,C401=C404=lnF, C402=C403=100pF, R401=R404=100K Ω。電壓電流轉(zhuǎn)換電路參數(shù):R600=126Q 精密電阻，U600=MCP6001，Q601=PHT8N06LTR。零點(diǎn)偏置電路參數(shù):R604=10kQ，U601為2.5V電壓基準(zhǔn)芯片AZ431，Q602=BSS138, R601=626Q精密電阻。隔離供電參數(shù):D600=RB160M-60、C600=luF。啟動電阻R605=5.1K Ω。電源變壓器磁芯采用外徑為5毫米，橫截面積1.5平方毫米，相對磁導(dǎo)率為3000左右的常見鐵氧體環(huán)形磁心。變壓器電源輸入端的繞組圈數(shù)為35圈，電源輸出端的圈數(shù)為25圈，隔離供電電源繞組圈數(shù)和電源輸出端的繞組圈數(shù)相同。信號變壓器的磁芯采用外徑為5毫米，橫截面積1.5平方毫米，相對磁導(dǎo)率為10000左右的鐵氧體環(huán)形磁心。變壓器的輸入輸出繞組圈數(shù)均為30圈。
[0060]根據(jù)以上參數(shù)和電路制作成兩線制隔離轉(zhuǎn)換電路后經(jīng)過簡單的電路參數(shù)校準(zhǔn)，測得電路的隔離傳輸精度如下:
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種兩線制信號隔離傳輸電路，用于通過兩根傳輸線從控制系統(tǒng)獲得能量以向傳感器供電，并將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流信號后通過所述兩根傳輸線傳輸給所述控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的兩線制信號隔離傳輸電路包括相互獨(dú)立的隔離式開關(guān)電源電路(Al)和信號隔離轉(zhuǎn)換電路，并設(shè)有用于與所述兩根傳輸線連接的第一端子(So)和第二端子(COM)，所述信號隔離轉(zhuǎn)換電路由信號隔離傳輸電路(A2)和信號轉(zhuǎn)換電路組成；所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)獨(dú)立將由第一、第二端子(So和COM)輸入的能量隔離傳輸給傳感器，所述信號隔離傳輸電路(A2)獨(dú)立將傳感器輸出信號隔離傳輸給信號轉(zhuǎn)換電路，并且隔離式開關(guān)電源電路(Al)的用于向傳感器供電的配電端(VCC)與信號隔離傳輸電路(A2)的用于接收傳感器輸出信號的輸入端(Sin)共地(GND)，所述信號轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成電流后，經(jīng)第一、第二端子(So和COM)向所述兩根傳輸線輸出，使兩根傳輸線流過受傳感器輸出信號控制的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述信號轉(zhuǎn)換電路包括有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)和零點(diǎn)偏置電路(A4);零點(diǎn)偏置電路(A4)在兩線制信號隔離傳輸電路正常工作后流過預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置電流，其與所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)的輸入端串聯(lián)后形成的端口與所述第一、第二端子(So和COM)相并聯(lián)，所述有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)將信號隔離傳輸電路(A2)傳輸?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘栟D(zhuǎn)換成電流信號，并且，該電流信號與所述零點(diǎn)偏置電流匯流后經(jīng)第一、第二端子(So和COM)向所述兩根傳輸線輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)的輸出端與所述零點(diǎn)偏置電路(A4)相并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)的輸出端與所述第一、第二端子(So和COM)相并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述傳感器輸出信號帶有預(yù)設(shè)的零點(diǎn)偏置信號，所述信號轉(zhuǎn)換電路包括有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3);有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)的輸出端與所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)的輸入端串聯(lián)后形成的端口與所述第一、第二端子(So和COM)相并聯(lián)，所述有源信號轉(zhuǎn)換電路(A3)將信號隔離傳輸電路(A2)傳輸?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘栟D(zhuǎn)換成電流`信號，該電流信號經(jīng)第一、第二端子(So和COM)向所述兩根傳輸線輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述的兩線制信號隔離傳輸電路還包括隔離供電電源電路(A5);該隔離供電電源電路(A5)耦合所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)中的電源隔離變壓器(Tl)，其將由隔離式開關(guān)電源電路(Al)獲得的能量向所述信號隔離傳輸電路(A2)供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)的配電端(VCC)與共地端(GND)之間接有穩(wěn)壓電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)為自激振蕩電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述信號隔離傳輸電路(A2)為推挽同步整流電路，并且該推挽同步整流電路的輸入側(cè)推挽驅(qū)動信號和輸出側(cè)同步控制信號分別耦合自所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)中電源隔離變壓器(Tl)的電源側(cè)繞組和負(fù)載側(cè)繞組。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的兩線制信號隔離傳輸電路，其特征在于:所述的兩線制信號隔離傳輸電路還包括隔直分壓電路(A6);所述推挽同步整流電路的輸出側(cè)同步控制信號通過該隔直分壓電路(A 6)由所述隔離式開關(guān)電源電路(Al)中電源隔離變壓器(Tl)的電源側(cè)繞組或者負(fù)載側(cè)繞組獲得。
【文檔編號】H03K19/00GK103560778SQ201310485990
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】賈宇鋒, 趙慶紅 申請人:廣州金升陽科技有限公司