一種高壓電源中高低壓隔離電路設(shè)計(jì)

吳文杰

（西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065）

1 引言

在X射線源中，高壓電源為了產(chǎn)生穩(wěn)定的高電壓，通常采用采樣反饋閉環(huán)控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中就需要對(duì)輸出高壓進(jìn)行采樣并傳輸給低壓控制端。為了防止高低壓之間信號(hào)相互影響，必須對(duì)采樣的電壓電氣隔離輸給低壓端。目前，常見(jiàn)的隔離方式有：變壓器隔離、電容隔離和光耦隔離。變壓器隔離電壓高，但是體積大，頻帶寬度有限；電容隔離轉(zhuǎn)換效率高，但要求信號(hào)頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的噪聲頻率；采用線性光耦可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)隔離，而且通過(guò)合理設(shè)計(jì)隔離電路可以實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)隔離。因此，本文采用線性光耦隔離方式對(duì)采樣電壓高低壓端隔離傳輸。

2 線性光耦HCNR200

線性光耦HCNR200內(nèi)部由一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光電二極管組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)外部給發(fā)光二極管LED提供電流后LED發(fā)光，兩個(gè)光電二極管PD1、PD2接收到LED發(fā)出的光，分別產(chǎn)生反向電流IPD1、IPD2，兩電流在芯片外部所接負(fù)載上產(chǎn)生電壓。由于兩個(gè)PD1、PD2制作工藝、參數(shù)都一樣，所以IPD1、IPD2也一樣，這樣就可以抵消光電二極管非線性的缺點(diǎn)，從而達(dá)到線性隔離的目的。

圖1 HCNR200內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 隔離放大電路設(shè)計(jì)

由于X射線管的電源是高壓小電流，電流為mA級(jí)，所以高壓采樣電路輸入電阻應(yīng)較大，流經(jīng)的電流應(yīng)很小，這樣才能保證電路損耗小。文獻(xiàn)中的光耦隔離電路流經(jīng)的電流相比于X射線管負(fù)載電流都不容忽視，所以本文采用了一種輸入電流較小的隔離放大電路，如圖2所示,對(duì)該電路的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)。

圖2 隔離電路原理圖

設(shè)輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個(gè)電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2。運(yùn)放U1負(fù)端電壓為V1，輸出電壓為V0，在運(yùn)放不飽和的情況下，有下面關(guān)系式：

其中：V00為運(yùn)放輸入差模為0時(shí)的輸出電壓，G為運(yùn)放的增益。

根據(jù)運(yùn)放的“虛斷”原理，可以認(rèn)為流過(guò)PD1的電流IPD1等于流過(guò)R1的電流，由歐姆定律得：

流過(guò)LED的電流為：

根據(jù)光耦的特性有：

將（1）（2）（3）式帶入（4）式可得：

上式經(jīng)變形可得

將（1）（6）式代入（3）式：

考慮到G特別大，可以做以下近似：

后端運(yùn)放U2為電壓跟隨器，根據(jù)運(yùn)放“虛短”和“虛斷”性質(zhì)，有

將（4）式代入上式，取R2=R3有

K2=K3，所以Vout=Vin，輸出電壓和輸入電壓相等。

4 試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，用信號(hào)發(fā)生器提供頻率為1kHz、幅度為0～5V的正弦波，如圖3（a）所示。由于所用信號(hào)發(fā)生器是雙極性輸出，所以信號(hào)發(fā)生器顯示幅度為0～2.5V，實(shí)際輸出0～5V。測(cè)得輸出信號(hào)波形如圖3（b）所示。由圖可知，輸出信號(hào)波形和輸入信號(hào)一樣，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)同比例輸出。

圖3 輸入輸出信號(hào)波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)按1:1同形隔離輸出，可應(yīng)用于X射線高壓發(fā)生器采樣反饋電路中高低壓端隔離。文中隔離電路的設(shè)計(jì)理論及方法可推廣到需要電氣隔離的場(chǎng)合，如電壓電流檢測(cè)等領(lǐng)域。

[1] 劉希高，凌春暉，呂馥言，等.基于HCNR201的高精度模擬信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(1):147-150,154.

[2] 楊仲望，金天均，呂征宇.開(kāi)關(guān)電源中光耦隔離的幾種典型接法對(duì)比研究[J].機(jī)電工程，2007(5):56-59.

[3] 李霆霆，張明，潘明俊.一種MHz光耦隔離放大器的設(shè)計(jì)與分析[J].電子學(xué)報(bào)，2014(7):1398-1402.

[4] 徐志躍．隔離放大器及其應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011(6):53-56．