一款基于電容的電磁全隔離直流電源傳輸電路設計

高性能的電子電路要求高度潔凈的電源。然而目前在供電線路上的各種電器設備會產生許多高次諧波，對供電質量造成影響。開關型穩壓電源以及DC-DC變換器都在輸入回路中采用開關管作為斬斷電流的器件。高頻變壓器把脈動的電流信號由初級回路傳輸到次級回路，再通過采樣反饋到初級，實現穩壓調節。在典型的電源電路中，盡管輸入端與輸出端不共地，但高頻變壓器作為電磁耦合通道，其傳遞函數有一定的頻率選擇性。輸入端電源窄脈沖干擾含有十分豐富的頻率分量，會耦合到輸出端，使電源的供電質量下降，存在使微機程序跑飛的可能性。

本文提出了一種基于電容的全隔離直流電源傳輸電路，它依靠幾組電容存儲電荷來實現傳輸電能。由于電路輸入、輸出端不存在電磁耦合通路，電路實現了完全的電磁隔離。

電路總體結構

本直流傳輸電路的系統框圖如圖1所示。

圖1 直流傳輸電路系統框圖

圖1中A是MOS管的陣列，B是電容的陣列，C是光電耦合器的陣列，D是穩壓電路，E是電壓比較器，F是單片機。

光電耦合器控制MOS管的導通與斷開，從而控制電容的工作狀態。而光電耦合器的控制信號來自單片機。單片機的觸發信號來自穩壓電路與電壓比較器組成的判決電路。

穩壓電路將輸出電壓穩定為固定值，分壓后作為閾值電壓Vth。電壓比較器將輸出電壓Vout 與閾值電壓Vth 比較，若Vout 小于Vth ，觸發單片機。單片機收到觸發信號后，控制光電耦合器的導通與斷開，從而控制MOS管的導通與斷開，改變電容的工作狀態。

供電及電磁隔離的原理

為了利用電容給負載供電并且同時保證負載兩端電壓的穩定，采用多個電容是理想的解決方法。可以將多個電容分為兩組，在同一時刻，保證有一組電容給負載供電而另外一組接受外部電源的充電。在單片機控制下的MOS管實現輸入輸出間的電磁隔離。

圖2 電容、MOS管、光電耦合器的連接圖

圖2表示電容、MOS管、光電耦合器的連接圖，即圖1中的A、B、C的連接。 其中#1、#2、#3、#4接單片機的四個輸出端口。

當#1為高電平，#2為低電平時，輸入端的兩個MOS管導通，電容處于充電狀態。

當#1為低電平，#2為高電平時，輸出端的兩個MOS管導通，電容處于給負載供電狀態。

當#1為低電平，#2為低電平時，輸入端和輸出端的MOS管關斷，電容處于懸空狀態。

而#1、#2都為高電平的情況是不允許的，這相當于把輸入端與輸出端連接起來，輸入端的電磁干擾就會傳遞到輸出端。在單片機編程時可以避免這種情況。

#3、#4的情況同#1、#2。

如圖1和圖2所示，電路輸入端與輸出端采用不同的“地”，避免電磁干擾通過共接的“地”傳遞到輸出端。

下面對兩組電容工作的時序進行詳細的分析。以四個電容為例，分兩組，每組兩個電容。

圖3表示出兩組電容的工作時序。

圖3體現了本電路在時序上的兩個特點。第一，在同一組電容中，充電與供電狀態之間存在一個懸空狀態，即電容與輸入、輸出端都斷開，從而使輸入、輸出端之間不可能存在電磁耦合通路。第二，兩組電容輪流供電時，有一段共同供電的時間，保證在任意時刻都有電容給負載供電，從而避免了兩組電容同時切換帶來的輸出電壓的突變，提高了輸出電壓的穩定性。

圖4 兩組電容的電壓隨時間變化圖

圖4表示了與圖3對應的兩組電容的電壓變化。

單片機編程流程

圖5中，“1H,2L,3H,4L”表示控制端口1為高電平，2為低電平，3為高電平，4為低電平。其它依此類推。

單片機按照圖3工作。在單片機編程時，用到三個延時：充電延時t1 ，懸空延時t2 ，和供電延時 t5。

結論

本文介紹了一種基于電容的電磁干擾全隔離直流傳輸電路。電容擁有的電荷存儲特性以及MOS管和光電耦合器的運用，使得該電路可以將輸出端與來自輸入端的電磁干擾完全隔離，從而有效地抑制了來自電源的傳導干擾，可以廣泛地使用在電磁環境惡劣的電源電路中。