一种基于电容的全隔离直流电源传输电路

品慧电子讯本文介绍了一种基于电容的电磁干扰全隔离直流传输电路。电容拥有的电荷存储特性以及MOS管和光电耦合器的运用，使得该电路可以将输出端与来自输入端的电磁干扰完全隔离，从而有效地抑制了来自电源的传导干扰，可以广泛地使用在电磁环境恶劣的电源电路中。

本文提出了一种基于电容的全隔离直流电源传输电路，它依靠几组电容存储电荷来实现传输电能。由于电路输入、输出端不存在电磁耦合通路，电路实现了完全的电磁隔离。
　
高性能的电子电路要求高度洁净的电源。然而目前在供电线路上的各种电器设备会产生许多高次谐波，对供电质量造成影响。开关型稳压电源以及DC-DC变换器都在输入回路中采用开关管作为斩断电流的器件。高频变压器把脉动的电流信号由初级回路传输到次级回路，再通过采样反馈到初级，实现稳压调节。在典型的电源电路中[1][2][3]，尽管输入端与输出端不共地，但高频变压器作为电磁耦合通道，其传递函数有一定的频率选择性。输入端电源窄脉冲干扰含有十分丰富的频率分量，会耦合到输出端，使电源的供电质量下降，存在使微机程序跑飞的可能性。

电路总体结构
　　
本直流传输电路的系统框图如图1所示。

图1：直流传输电路系统框图　

图1中A是MOS管的阵列，B是电容的阵列，C是光电耦合器的阵列，D是稳压电路，E是电压比较器，F是单片机。
　　
光电耦合器控制MOS管的导通与断开，从而控制电容的工作状态。而光电耦合器的控制信号来自单片机。单片机的触发信号来自稳压电路与电压比较器组成的判决电路。
　　
稳压电路将输出电压稳定为固定值，分压后作为阈值电压Vth。电压比较器将输出电压Vout 与阈值电压Vth 比较，若Vout 小于Vth ，触发单片机。单片机收到触发信号后，控制光电耦合器的导通与断开，从而控制MOS管的导通与断开，改变电容的工作状态。

供电及电磁隔离的原理
　　
为了利用电容给负载供电并且同时保证负载两端电压的稳定，采用多个电容是理想的解决方法。可以将多个电容分为两组，在同一时刻，保证有一组电容给负载供电而另外一组接受外部电源的充电。在单片机控制下的MOS管实现输入输出间的电磁隔离。
　　
图2表示电容、MOS管、光电耦合器的连接图，即图1中的A、B、C的连接。

图2：电容、MOS管、光电耦合器的连接图

其中#1、#2、#3、#4接单片机的四个输出端口。
当#1为高电平，#2为低电平时，输入端的两个MOS管导通，电容处于充电状态。
当#1为低电平，#2为高电平时，输出端的两个MOS管导通，电容处于给负载供电状态。
当#1为低电平，#2为低电平时，输入端和输出端的MOS管关断，电容处于悬空状态。
而#1、#2都为高电平的情况是不允许的，这相当于把输入端与输出端连接起来，输入端的电磁干扰就会传递到输出端。在单片机编程时可以避免这种情况。
#3、#4的情况同#1、#2。
　　
如图1和图2所示，电路输入端与输出端采用不同的“地”，避免电磁干扰通过共接的“地”传递到输出端。
　　
下面对两组电容工作的时序进行详细的分析。以四个电容为例，分两组，每组两个电容。
　　
图3体现了本电路在时序上的两个特点。第一，在同一组电容中，充电与供电状态之间存在一个悬空状态，即电容与输入、输出端都断开，从而使输入、输出端之间不可能存在电磁耦合通路。第二，两组电容轮流供电时，有一段共同供电的时间，保证在任意时刻都有电容给负载供电，从而避免了两组电容同时切换带来的输出电压的突变，提高了输出电压的稳定性。

图3：两组电容的工作时序　

图4表示了与图3对应的两组电容的电压变化。

图4：两组电容的电压随时间变化图

单片机编程流程
　　
图5中，“1H,2L,3H,4L”表示控制端口1为高电平，2为低电平，3为高电平，4为低电平。其它依此类推。　　

图5：单片机编程流程

单片机按照图3工作。在单片机编程时，用到三个延时：充电延时t1 ，、悬空延时t2 ，和供电延时 t5。