一種兩端隔離的磁隔離放大器電路設計技術的研究

李芳，郝振宇，莊永河

（1.中國電子科技集團公司第四十三研究所微系統安徽省重點實驗室，安徽合肥，230088；2.中國電子科技集團公司第四十三研究所，安徽合肥，230088）

1 概述

隔離是指電氣上的隔離，讓信號通過其他渠道進行傳輸，避免電氣上的直接相連。隔離放大的基本要求是保證信號不失真，并具有較高的隔離電壓和一定的頻率范圍。常用的隔離方式有變壓器耦合、光電耦合和電容耦合。

隔離放大器可應用于高共模電壓環境下的小信號測量。它的主要作用在不影響信號傳輸的情況下，把相互關聯的兩部分電路用合適的電子元件隔開，使兩部分電路之間沒有電氣連接，通過選用合適的隔離器件，可以達到傳輸信號，抑制干擾，保護電路的目的。在對輸入信號、輸出信號、供電電源進行隔離的同時,并按照一定的比例對信號放大進行，在這個隔離、放大的過程中要保證輸出的信號失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數都要達到使用要求。隔離放大器要求被測對象和數據采集系統予以隔離，從而提高共模抑制比，同時保護電子儀器設備和人身安全。根據隔離放大器的特點，隔離放大器廣泛應用在電力、遠程監控、儀器儀表、醫療設備、工業自控等需要電量隔離測控的行業。

磁隔離的隔離放大器的優點是隔離電壓很高，單電源供電，三端或兩端隔離，多個放大器可以共用一個電源，節省了外供電源。

2 電路總體方案設計

隔離放大器按隔離端口分有輸入地和輸出地兩端隔離的隔離放大器，有輸入地、輸出地和電源地三端隔離的隔離放大器。兩端隔離的隔離放大器有美國AD公司的AD202、AD203、AD208等，三端隔離的有美國TI公司的BB3656和AD公司的AD210等。本文介紹的是兩端隔離型的隔離放大器電路的設計原理。由中電43所研制的混合集成工藝制作的隔離模塊，電路由輸入級運算放大器、輸入調制電路、信號變壓器、電源變壓器、輸出解調電路、輸出整流濾波等組成，實現輸入信號、輸出信號電氣隔離，工作時+15V電源連到產品的電源輸入引腳20上，使片內的振蕩器工作，從而產生頻率為25KHz的載波信號，通過變壓器耦合，經整流和濾波，在隔離輸入部分形成電流2mA的±7.5V隔離電壓給前級運算放大器提供電源。該隔離電壓除供給片內電源外，還可作為外圍電路的電源使用。該方案擬采用混合集成電路工藝制作金屬全密封外殼封裝電路，電路原理框圖見圖1所示。

電路設計的技術指標需滿足如下條件：（1）放大倍數：1～100 ；（2）輸出失調電壓 ：-10mv～10mv ；（3）帶寬（-3dB）：≥2KHz；（4）交流隔離電壓：≥1000V；（5）直流隔離電壓：≥ 1500V；（6）隔離電源額定輸出電壓 ：6.75V～8.25V；（7）隔離電源輸出電流：≥400uA；（8）輸出阻抗：≤7KΩ；（9）輸出紋波電壓 ：≤ 20mv；（10）電源電流 ：≤ 5.5mA；（11）工作溫度：-55℃～125℃。

圖1 電路原理框圖

2.1 模擬開關電路的設計

模擬開關在電路功能中起很重要作用，模擬開關決定輸出信號波形的失真度、輸出電壓精度、輸出噪聲、輸出紋波等指標。

在電路中的作用：對輸入信號進行調制、對輸出信號進行解調。由輸入放大器電路和輸入部分的模擬開關完成信號調制功能，輸出放大器和輸出部分的模擬開關完成信號解調功能。

模擬開關的參數設計：主要從以下幾個方面考慮，模擬開關的開關方式、開關狀態滿足產品功能的條件下，開關的導通時間、關斷時間、導通電阻等性能指標，應作為模擬開關型號選擇的依據。

同一電路中輸入、輸出部分使用的模擬開關應選用相同型號的器件，以保證信號在調制、解調電路中的上升、下降沿一致性，減小輸出信號失真。經查詢資料模擬調試驗證，某款隔離放大器產品設計時選擇模擬開關為CD4016。

CD4016B系列為CMOS型14腳多路開關，可以用于數字或模擬信號的多路傳輸，每個器件均有四組相互獨立的開關，每個開關均有一個控制信號輸入端，單路原理連接圖見圖2所示，該多路開關可以應用于信號處理電路、斬波電路、調制電路（或解調電路）以及CMOS邏輯裝置電路中。器件的特點：供電范圍：-0.5V～18V（直流電壓）；線性傳輸；低導通阻抗，正常工作狀態下具有280Ω的導通阻抗；所有輸入管腳均有二極管保護，輸入輸出無需ESD保護電路；低噪聲。

圖2 CD4016模擬開關單路原理連接圖

2.2 內置DC/DC電源設計

內置DC/DC電源，是磁隔離放大器的特色，產品使用時，隔離端不需要提供外置電源，隔離端電源由電路內部供電，減少了對外電源的要求，節省了成本，方便了使用。該款產品采用變壓器直接傳輸，二極管整流、濾波，輸出正、負電壓。隔離端的正、負電壓指標依據各運放工作電壓，根據某款隔離放大器的技術文件中的隔離電壓指標，確定變壓器初、次級圈數的匝比。

隔離端電源電壓（絕對值）：Uo1≈Uo2≈Ui×N2/（（N1-UD1）或 UD2）。

內置DC/DC電源電路見圖3。

圖3 內置DC/DC電源電路

2.3 輸出濾波電路設計

濾波電路的作用實質上是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號順利通過，而使另一部頻率的信號被急劇衰減（即被濾波掉）。在無線電通訊、自動測量及控制系統中，常常利用濾波電路進行模擬信號的處理，如用于數據傳送、抑制干擾等等。根據其電路其工作信號的頻率范圍，濾波器可以分為四大類，他們是低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）。

低通濾波器指低頻信號能夠通過而高頻信號不能通過的濾波器；高通濾波器的性能與之相反，即高頻信號能通過而低頻信號不能通過；帶通濾波器是指頻率在某一個頻帶范圍內的信號能通過，而在此頻帶范圍之外的信號均不能通過；帶阻濾波器的性能與之相反，即謀和頻帶范圍內的信號被阻斷，但允許在此頻帶范圍之外的信號通過。

隔離放大器的輸出一般采用低通有源濾波器電路，常用一階或二階有源低通濾波器濾波，濾除解調信號后的殘余雜波，圖4是信號解調后的波形，從圖中可以看出解調后的信號波形疊加有調制紋波，必須對解調后的信號波形進行濾波處理，減小信號波形失真，滿足實用要求。采用有源低通濾波電路濾波后，有源低通濾波電路見圖5所示，經過濾波電路輸出的信號圖形見圖6。

通過對圖4、圖6兩圖對比，輸出濾波器可以有效濾除雜波，改善輸出信號的平整度，降低輸出信號的失真度。

圖4 解調后信號波形

圖5 有源低通濾波電路

圖6 濾波后輸出波形

濾波器電路的設計,決定輸出信號波形的失真、輸出精度、頻率帶寬、輸出阻抗等指標，因此選取合適的輸出濾波電路非常重要。該款隔離放大器采用一節有源低通濾波器，電路簡單，但帶載能力一般。

2.4 變壓器參數的設計

變壓器是隔離放大器中的關鍵元件，由信號變壓器、電源變壓器組成。完成信號傳輸、內置電源功能，將輸入端、輸出端隔離。

信號隔離原理：輸入信號通過變壓器傳輸，實現輸入信號和電源地、輸出信號的隔離。

圖7 兩種變壓器結構形式

變壓器磁材的選定：根據電路的工作頻率，頻響特性，高低溫特性，帶載能力，選擇磁性材料，計算電感量。

線圈參數設計：變壓器設計的核心是確定初級和次級線圈匝數，我們采用以下公式來計算初級和次級線圈匝數：

NP—初級線圈匝數

VP—加在變壓器初級的電壓

f—變壓器的開關頻率

Bmax—最大磁通密度

Ae—磁芯有效截面積（cm2）

不考慮肖特基二級極管上的壓降，則次級線圈匝數為：

Vo—輸出電壓

δmax—脈沖導通最大占空比

Vinmin—輸入電壓最小值

經過計算得到變壓器初、次級線圈匝數的理論值，通過試驗進行初次級線圈參數的優化調整，根據性能指標的差異，進行變壓器線圈圈數微調。

3 結束語

本文介紹了輸入和輸出兩端隔離型隔離放大器電路設計方案及電路設計原理，重點介紹了模擬開關電路設計、內置DC/DC電源電路的設計、輸出濾波電路的設計以及變壓器參數的電路設計。該隔離放大器電路設計技術成熟并已成功應用于某款隔離放大器產品中，被多家用戶采購并形成市場合同。隔離放大器輸入、輸出信號傳輸中的物理隔離，可減小電源對輸入信號的干擾，提高系統的抗干擾能力；并可將輸入高共模電壓與輸出隔離，提高系統的安全性。