开关量输入输出的隔离技术

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1、第四章 开关量输入输 出的隔离技术开关量的输入输出隔离主要有两个目的： 电气隔离，防止被隔离两边的电噪声干扰；电平转换，两边的工作电平、电源电压、信号 极性都可以不同。1、廉价实用的 TLP521-XTLP521-1TLP521-2TLP521-4 图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列4.1开关量输入端隔离 开关量的输入隔离一般使用光电隔离器件。可以使用的光电隔离器件很多，有许多器件性能相近，普通开关量的输入隔离使用TLP521-X即可 工作频率不高，一般限制在 10KHZ以内A图输入高电平，输出高电平，输入低电平，输出低电平 ； b图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平图4.

2、2 基本的光电隔离电路（1）R1可按驱动电流510mA, 选择驱动发光二极管的驱动器件任意，只 要能保证长时间提供510mA电流即可 （2） R2可取2.2K10K，太小则电路功耗增大，太大则抗干扰能力减弱， 且关断时输出端的上升速度将减慢, VCCX=+5V时，R2可取3.3K VCCIN1VCC XDOUTGNDXR1R2TLP521基本的光隔电路（一 ）图4.2 基本的光隔电路（a）（1）此种接法更为常用此种接法更为常用（2） VCCX=+5V时， R4去掉VCCX=+12V时，R4取6.8K(或改用ULN2004 ）VCCX=+24V时，R4取20K(或改用ULN2002） VCCIN

3、1VCC XULN2003R3R4TLP521基本的光隔电路（二 ）图4.2 基本的光隔电路（b）D1D4用于输入状态的直观显示，R1R4的输入限流电阻，使用1/4瓦电阻 即可。不使用D1D4时，限流电阻取330即可。输出上拉电阻功耗较小， 可以使用排阻。要求响应速度较高时，排阻阻值应适当减小。图中假设VCC 和VCCX均为5V。图4.3 实用的隔离电路输入TLP521的正常工作频率应限制在10kHz以下，在大于10kHz时，必须考虑负 载电阻对工作频率的影响。原则上，降低负载电阻阻值对工作频率的提高 有利，负载电阻最低可降至1k。对波形要求较高的场合，工作频率应适当降低，并应在输出端加接施密

4、特触发器整形电路。 图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响2、高频脉冲的隔离对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ)4N354N356N1366N136光敏二极管的开关时间通常比光敏三极管小负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500 。带基极引脚的光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以50k到100k为佳 。如省略该电阻，则开关时间会大45倍，则开关频率就降低45倍。不应该省略 该电阻。图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响影响工作频率的因素：（1

5、）负载电阻，越小，开关速度越快,最好不小于1000（2）基极电阻，一般取50K100KLED+ LED- NCB C EDINDOUT7406R1R1100kR3550VCCVCC X4N35GNDX74LS14图4.6 可以工作到115.2波特的光隔电路（1）VCCX取5V时，负载电阻R3应取2.2K3.3K（2）74LS14用于整形，为保证输出波形为理想的方波，防止出 现干扰脉冲等非正常情况的发生，输出端使用施密特触发器对波形整形 DINDOUT7406R1R32.2KVCCVCC X6N136GNDX74LS14图4.7 用6N136的光隔电路4.2DC-DC变换器的应用 独立的直流电源

6、是光电隔离电路的基本条件。DC-DC变换器通常可以提供几毫安到数百毫安电流的各种隔离电压输出 从工作原理分，DC-DC变换器通常有电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷 泵与脉宽调制组合变压、隔离变压器变压等多种。前几种的变压通常是 全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提供1000V以上的电压 隔离。集成电路DC-DC变换器电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压隔离变压器型DC-DC变换器真正隔离1、集成电路DC-DC变换器效率高、体积小、以小电流应用为主(互补电压：互补电压：电路生成两个模拟电路生成两个模拟电压电压，用一种互补方式可以改变这两个电压。当，用一种互补方式可以改变这两个电压。当

7、 直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为直通输出电压上升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为 恒定值：恒定值：VOUT+VOUTC=VREFVOUT+VOUTC=VREF）（1）ICL7660 Intersil公司 输出：1.5V10V 输：互补电压互补电压（ 通常为正电压入、负电压出) 主要用于单电源供电的主要用于单电源供电的A/DA/D转换场合转换场合（2）MAX640/MAX848Maxim公司 输入：5V 输出：3.3V,典 型应用为给低电压器件供电 （3）MAX735 输入：4V6.2V 输出：5V（4）MAX737 输入：4V8.6V

8、输出：15V-15V输出可给LCD提供负偏置电压 单电源输出变换器（1）MAX742 输入：4.2V10V 输出：12V， 15V, 2A（2）MAX743 输入：5V 输出： 12V， 15V, 100mAMAX743的最大电流可达100mA，而 MAX742的最大电流则可达2A 双电源输出变换器 BUCK 降压型 是指输入电压大于输出电压 如12V-5V BOOST 则反之 5V-12V 单电源变双电源4.2V10V直流电源变成双12V， 15V直流电源集成运算放大器、AD转换器常用双电源ICL7660(A)提供从 1.5V到10.0V的互补电压，以电荷泵原理工作， 需外接泵电容两个。泵电

9、容通常选用10f的电解电容。7脚为振荡器 输入，不接时使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。降 低振荡频率时泵电容的容量应加大，加大到100f可保证任何振荡频 率都能正常工作(最低1kHz)。6脚为低压调整端。当工作电压低于 3.5V时，6脚应接地，否则浮空。图4.8 ICL7660的泵电容连接低电压器件供电器件工作时需在输出端增加三个元件：一个二极管 、一个电感、一个电解电容。为使器件能提供最大输出电流，电感 应选用100H，电容应选用100F，二极管可以使用常用的1N5817或相当的肖特基二极管。输出电压5V/3.3V/3V 图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连

10、接低电池电压检 测输入低电池电压检 测输出适于A/D转换器或模拟放大器使用的，通常是双电源输出型。 MAX743可提供12V或15V的对称电压，MAX743的最大电流可达 100mA， 图中两个电感100H、两个电解电容100F和两个肖特基二极管 1N5817图4.10双电源输出变换器MAX473的基本 应用电路2、隔离变压器型DC-DC变换 DC-DC变换器通常使用高频变压器(25kHz)隔离，再作整流及稳压器件体积通常相对较大 （1）固定电压输入（用于信号隔离）宽电压输入（用于未经稳压的输入电压）（2）选取器件:1)根据输入、输出电压选取器件;2)输出电流应按系统最大工 作电流的1.21.

11、5倍计算需要的功率，根据功率选用 (DC-DC变换器通常以输出 功率标注 );3)再次要注意器件输出电压是否已经过稳压，经过稳压的输出波纹有多 大 （3）尽量选用经稳压的。稳压输出的DC-DC变换器的输出电压稳定度通常优于 1%，交流波纹电压也很小，一般情况下可以直接使用。 CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路5V12V:Cin 100uf,25V24V48V:Cin 10uf,100V器件功率增加时，输入、输出电容应相应增大。无稳压输出的DC-DC变换器使用时必 须注意：负载电流不可小于额定电流的20%，不足时应加装假负载

12、(功率足够的电阻) 。 CinCoutVin+VOUTGND-VOUT100uf,25V使用DC-DC变换器模块非常方便，仅需在输入、输出端加上适当的滤波电容 滤波电容的选取4.3专用隔离芯片及模块1、RS-422/485隔离芯片隔离收发器 MAX1480用于RS-485半双工网络MAX1490用于RS-422全双工网络MAX3157全双工或半双工，但不是真正的隔离 MAX3157的使用方便，仅需提供两个0.047F的隔离电容。器件的 隔离电压为50V。为保证该隔离电压，要求隔离电容的耐压必须高 于50V。该器件可以通过引脚选择工作在半双工方式或全双工方式， 更重要的是器件可以选择反相输出，当

13、信号线正反接反时，可以自动 倒相 典型芯片及用途图4.12 RS-485/RS-422 隔离集成电路隔离电容应用特点 ：提供隔 离电容、 隔离电压 50V2、模拟隔离放大器（1）AD202/204(低成本线性隔离放大器) 2端口，变压器耦合隔离电压高达2000V共模抑制比(放大器输出功率与输入功率比值的对数，用以表示功率 放大的程度。亦指电压或电流的放大倍数,通常以分贝(dB)数来规定。)高 130db，信号最高频率5KHZ供电电压15V，可提供7.5V电源(0.4mA/2mA)（2）MAX210(三端口宽频带隔离放大器 )3端口，变压器耦合隔离电压高达2500V共模抑制比高120db,信号最

14、高频率可达20KHZ供电电压15V, 可提供15V电源（5mA）（3）ISO1001光电耦合隔离放大器按传输信号的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。模 拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵常见模块（1）AD202 :2端口，隔离电压2000V图4.13 低成本线性隔离放大器AD202采样/保持电路 对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模 拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差 ，直接影响转换精度 要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起 来，保持不变。但在转换之后，又要求A/D转换器的输入端 能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样

15、/ 保持电路，简称采/保(S/H)。 最基本的采/保 电路由模拟开关，保 持电容和缓冲放大器 组成AVO_图8-38 采样/保持器原理 图+ViVcCHS增益1：1反相输入同相输入（2）AD210:图4.14 AD210结构框图3端口，宽频带隔离放大器，频率20Hz、隔离电压2500V、输出阻抗低可 提供15V电源（5mA）供电 15V增益1：1图4.15 AD210的基本应用电路同相输入反相输入应用举例AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟 踪功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs 共地。脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选 Ra=Rb

16、=1 k)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。 3、高频逻辑门专用隔离电路（1）输入电流仅需5mA（有的更低），OC门输出，通 信速率可达10M波特以上，有极高的抗共模干扰性能和 极高的隔离耐压（2） 有单路、双路、四路多种封装图4.17 单路封装图4.19 双路封装特点及常见模块适用于多路逻辑隔离，如并行A/D,D/A特点：有极高的电流传输比(输出管 的工作电压为规定值时，输出电流和 发光二极管正向电流之比为电流传输 比CTR) ，达到1500%。发光二极管最小驱动电流0.5mA，5mA时工作频率最高高频逻辑门专用隔离电路 简单化是逻辑电路 在6N136的基础上，将输出电路做成与TTL 兼容的标准逻辑电路，这就是6N137 ， 6N137典型应用图4.18 6N137典型