一种隔离输出电路

技术领域

本申请涉及电路领域，尤其涉及一种隔离输出电路。

背景技术

在工业应用现场，通常使用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，但是会产生以下问题：(A)由于传输的信号是电压信号，传输线容易受到噪声的干扰，使得信号传输产生较大的误差；(B)传输线的分布电阻会产生电压压降；(C)仪表放大器的供电电压供给问题。为解决上述问题和避开噪声的影响，一般使用电流信号(对噪声不敏感且不存在压降问题)来进行信号的传输，其中4mA表示零信号，20mA表示信号的满刻度值而低于4mA和高于20mA的信号用于各种故障的报警。

目前，4-20mA电流输出方案主要包含以下几种方案设计：

集成的AO(Analogue Output)模块，只需为AO模块提供外部供电电压及AO模块的输入管脚输入DAC电平值即可输出对应的隔离的电流值。主要核心器件为DAC芯片和AO集成模块，然而，DAC芯片的价格比较昂贵、需占用较多主控MCU的I/O口资源且占据较大的PCB板面积；

通过使用专用的转换芯片(XTR110、XTR115等)实现电压信号到电路信号的转换，但是专用的转换芯片的成本很高，芯片外围的电阻、电容、MOS管等调整电路设计繁杂，电路适用场合存在局限性，并且该方案设计也不可避免的需要使用DAC芯片及至少三个光耦来实现隔离功能，价格昂贵且需占用主控MCU的I/O口资源，电路设计复杂，可靠性较差，输出精度较低。

综上所述，需要提供一种成本低、占用主板I/O口少、占用PCB板空间少、可靠性高的隔离输出电路。

发明内容

为解决以上问题，本申请提出了一种隔离输出电路，包括：隔离电路、稳压电路和调整电路；

所述隔离电路和稳压电路以及调整电路连接，隔离电路用于接收脉冲宽度调制波，对所述脉冲宽度调制波进行隔离后，发送至调整电路；

所述稳压电路与所述调整电路连接，稳压电路用于对供电电压进行稳压，输出基准电压，发送至调整电路；

所述调整电路，用于根据隔离后的脉冲宽度调制波，控制输出电流。

优选地，所述稳压电路，包括：稳压子电路、第一滤波电路、第二滤波电路和负载；

所述稳压子电路和第一滤波电路以及第二滤波电路并联，稳压子电路的一端输入供电电压，稳压电路对供电电压进行处理后，输出基准电压，通过另一端输出至所述隔离电路和调整电路；

所述负载与所述稳压子电路输出基准电压的一端连接。优选地，所述隔离电路，包括：光耦合电路和第三滤波电路；

所述第三滤波电路与所述光耦合电路的输出端连接；

所述光耦合电路的输入端与主控电路连接，接收脉冲宽度调制波，生成隔离后的脉冲宽度调整波，通过输出端输出至所述调整电路。

利用单个光耦实现4-20mA信号的隔离输出，在控制成本的基础上实现了隔离电路的隔离输出，提升了电路的安全可靠性。优选地，所述调整电路，包括：电平选择电路和负反馈电路；

所述电平选择电路的输入端与隔离电路和稳压电路连接，输出端与负反馈电路连接；

所述负反馈电路根据电平选择电路的输出电平，控制输出电流。

优选地，所述电平选择电路，包括：第一开关电路、第四滤波电路和第五滤波电路；

所述第一开关电路的输入端分别用于接收供电电压、基准电压和隔离后的脉冲宽度调制波，输出端依次经过第四滤波电路和第五滤波电路，与负反馈电路连接。

优选地，所述负反馈电路包括：运算放大器、三极管Q1、第一TVS管、第二TVS管、第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、控制电路和精密电阻；

所述运算放大器的正相输入端与电平选择电路连接，反相输入端经过第一限流电阻，与三极管Q1连接，运算放大器的输出端与第二限流电阻连接；

所述第二限流电阻与第一TVS管以及控制电路连接；

所述第一TVS管和控制电路与第三限流电阻的一端连接；

所述第三限流电阻的另一端与三极管Q1连接；

所述三极管Q1与控制电路、第一滤波电容以及第二TVS管连接；

所述精密电阻的一端与第二滤波电容连接，另一端与三极管Q1连接。

第一TVS管使负反馈电路具有断路故障容忍功能，当工业应用现场出现断路时，第一TVS管保证控制电路中的MOS管不被击穿，对于负反馈电路及其输出无影响。第二TVS管使负反馈电路具有短路故障容忍功能，当工业应用现场出现短路时，对于负反馈电路及其输出无影响。使用精密电阻可以输出0-25mA的全量程电流，应用场景更广泛。一个运算放大器和一颗精密电阻，使得隔离输出电路在保证良好精度的前提下大大地节省了设计成本。

优选地，所述第一滤波电路和第二滤波电路均包括电容；

所述稳压子电路包括模拟开关。

优选地，所述第三滤波电路包括电容；

所述光耦合电路包括光耦合器。

优选地，所述第一开关电路包括模拟开关；

所述第四滤波电路和第五滤波电路均包括电容和电阻。

优选地，所述控制电路包括PMOS管或三极管。

本申请的优点在于：使用隔离电路对脉冲宽度调制波进行隔离，成本低，可靠性高，占用主板I/O口少；通过稳压电路输出基准电压，调整电路根据隔离后的脉冲宽度调制波，控制输出电流，需要的器件少，占用PCB板空间少。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本申请提供的一种隔离输出电路的示意图；

图2是本申请提供的一种隔离输出电路的稳压电路的示意图；

图3是本申请提供的一种隔离输出电路的隔离电路的示意图；

图4是本申请提供的一种隔离输出电路的调整电路的示意图；

图5是本申请提供的另一种隔离输出电路的电路示意图。

附图标记说明

Iout输出电流101隔离电路

102稳压电路103调整电路

111光耦合电路112第三滤波电路

121稳压子电路122第一滤波电路

123第二滤波电路124负载

131电平选择电路132负反馈电路

311第一开关电路312第四滤波电路

313第五滤波电路U3运算放大器

Q1三极管D1第一TVS管

D2第二TVS管R4第一限流电阻

R7第二限流电阻R5第三限流电阻

C11第一滤波电容C1第二滤波电容

330控制电路R2精密电阻

DGND数字接地端 GND接地端

PWM脉冲宽度调制波SW隔离后的脉冲宽度调制波

VDA供电电压VCC电源电压

DAREF基准电压

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

第一方面，根据本申请的实施方式，提出一种隔离输出电路，如图1所示，包括：

如图1所示，包括：隔离电路101、稳压电路102和调整电路103。

隔离电路和稳压电路以及调整电路连接，隔离电路用于接收脉冲宽度调制波，对脉冲宽度调制波进行隔离后，发送至调整电路。

稳压电路与调整电路连接，稳压电路用于对供电电压进行稳压，输出基准电压，发送至调整电路。

调整电路，用于根据隔离后的脉冲宽度调制波，控制输出电流。

稳压电路，包括：稳压子电路121、第一滤波电路122、第二滤波电路123和负载124。稳压子电路和第一滤波电路以及第二滤波电路并联，稳压子电路的一端输入供电电压，稳压电路对供电电压进行处理后，输出基准电压，通过另一端输出至隔离电路和调整电路。负载与稳压子电路输出基准电压的一端连接。第一滤波电路和第二滤波电路均包括电容，稳压子电路包括模拟开关。

如图2所示，稳压子电路包括稳压二极管U2，第一滤波电路包括电容C2、第二滤波电路包括电容C6，负载124包括电阻R6。其中，稳压二极管U2的引脚1与电容C6的一端以及供电电压VDA连接，稳压二极管U2的引脚2与电阻R6的一端、电容C6的另一端以及以及电容C2的一端连接。稳压二极管U2的引脚3以及电容C2的另一端均连接供电电压VDA。电阻R6的另一端接地。其中电容C2和电容C6作为供电电压VDA的滤波电容，稳压二极管U2在其引脚3施加电压VDA时，会在引脚2输出一个基准电压(稳压值)DAREF。电阻R6连接在稳压二极管U2的引脚2和GND之间，作为基准电压DAREF的负载电阻。

隔离电路，包括：光耦合电路111和第三滤波电路112。第三滤波电路与光耦合电路的输出端连接。光耦合电路的输入端与主控电路连接，接收脉冲宽度调制波，生成隔离后的脉冲宽度调整波，通过输出端输出至调整电路。第三滤波电路包括电容，光耦合电路包括光耦合器。

如图3所示，光耦合电路包括光耦合器U1，第三滤波电路包括电容C4。隔离电路还包括电阻R1、电阻R3和电容C3。光耦合器U1的阴极与脉冲宽度调制波控制电路连接，接收脉冲宽度调制波PWM，阳极与电阻R3的一端连接，发射极与电容C4的一端以及基准电压DAREF连接，集电极与电容C4的另一端、电阻R1的一端以及调整电路连接。电阻R3的另一端分别与电容C3的一端以及电源电压VCC连接，电容C3的另一端接地，电阻R1的另一端连接供电电压。当脉冲宽度调制波为高电平时，集电极输出端信号SW(隔离后的脉冲宽度调制波)电平为VDA；当脉冲宽度调制波为低电平时，输出端信号(隔离后的脉冲宽度调制波)为DAREF。光耦合电路能够实现主控芯片侧的脉冲宽度调制波PWM信号隔离转化为隔离端的SW信号(隔离后的脉冲宽度调制波)。C3、C4分别为电源VCC和VDA的滤波电容；电阻R1、为电源电压VCC的上拉电阻，电阻R3为供电电压VDA的上拉电阻。SW信号在此处并不表示开关信号，而只表示经过光耦合电路隔离后的脉冲宽度调制波。若脉冲宽度调制波PWM的占空比为40％，则隔离后的脉冲宽度调制波(SW信号)的占空比也为40％。

调整电路，包括：电平选择电路131和负反馈电路132。电平选择电路的输入端与隔离电路和稳压电路连接，输出端与负反馈电路连接。负反馈电路根据电平选择电路的输出电平，控制输出电流。

电平选择电路，包括：第一开关电路311、第四滤波电路312和第五滤波电路313。第一开关电路的输入端分别用于接收供电电压、基准电压和隔离后的脉冲宽度调制波，输出端依次经过第四滤波电路和第五滤波电路，与负反馈电路连接。第一开关电路包括模拟开关，第四滤波电路和第五滤波电路均包括电容和电阻。

如图4所示，第一开关电路包括，模拟开关U4，第四滤波电路为包括电阻R8和电容C7的RC滤波电路，第五滤波电路为包括电阻R9和电容C8的RC滤波电路。电平选择电路还包括电容C5和电容C9。模拟开关U4的引脚1连接稳压电路输出的基准电压DAREF，以及电容C9的一端。引脚2连接稳压电路输出的基准电压DAREF，以及电容C5的一端。引脚3连接供电电压VDA，以及电容C9的另一端。引脚4经过串联的电阻R8和电阻R9，与负反馈电路连接。引脚5与电容C5的另一端连接。引脚6与光耦合器U1的集电极连接，接收隔离后的脉冲宽度调制波(SW信号)。电容C7的一端连接供电电压VDA和电容C8的一端，另一端连接电阻R8和电阻R9的一端。电容C8的另一端连接电阻R9的另一端。电平选择电路用于实现模拟开关U4输出端电平的选择功能。当集电极输出端信号SW为电平VDA时，模拟开关U4的输出管脚(引脚4)输出电平值DAREF；当集电极输出端信号SW为电平DAREF时，模拟开关U4的引脚4输出电平值VDA。由C7和R8、C8和R9组成两段RC滤波电路(第四滤波电路和第五滤波电路)，能够保证模拟开关U4所输出是电压的稳定性。

负反馈电路包括：U3运算放大器U3、三极管Q1Q1、第一TVS管D1、第二TVS管D2、第一限流电阻R4、第二限流电阻R7、第三限流电阻R5、第一滤波电容C11、第二滤波电容C1、控制电路330和精密电阻R2。运算放大器的正相输入端与电平选择电路连接，反相输入端经过第一限流电阻，与三极管Q1连接，运算放大器的输出端与第二限流电阻连接。第二限流电阻与第一TVS管以及控制电路连接。第一TVS管和控制电路与第三限流电阻的一端连接。第三限流电阻的另一端与三极管Q1连接。三极管Q1与控制电路、第一滤波电容以及第二TVS管连接。精密电阻的一端与第二滤波电容连接，另一端与三极管Q1连接。运算放大器包括运算放大器，，控制电路包括PMOS管或三极管，第一TVS管包括二极管，第二TVS管包括TVS管，第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻均包括电阻，第一滤波电容和第二滤波电容均包括电容，精密电阻包括精密电阻。

如图4所示，控制电路包括PMOS管Q2，PMOS管Q2也可以使用三极管替换。负反馈电路还包括电容C10。运算放大器U3的正向输入端(引脚3)与电阻R9以及电容C8连接，反向输入端(引脚2)与电阻R4的一端连接，输出端(引脚1)与电容R7的一端连接。运算放大器U3的接地端接地，电源电压端连接电源电压以及电容C10的一端。电容C10的另一端接地。电阻R7的另一端与TVS管D1的一端以及PMOS管Q2的栅极连接。PMOS管Q2的源极与TVS管D1的另一端以及电阻R5的一端连接，漏极与三极管Q1的集电极、电容C11的一端以及TVS管D2的一端连接。电阻R5的另一端与三极管Q1的基极连接。三极管Q1的发射极与电阻R2的一端以及电阻R4的另一端连接。电阻R2的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地。电容C11的另一端和TVS管D2的另一端均接地。

本申请的实施方式还包括，脉冲宽度调制波控制电路。脉冲宽度调制波控制电路与隔离电路连接，脉冲宽度调制波控制电路用于产生脉冲宽度调制波，发送至隔离电路。

脉冲宽度调制波控制电路包括可以生成脉冲宽度调制波的主控芯片。由主控板上的主控芯片通过I/O控制产生脉冲宽度调制波，脉冲宽度调制波的占空比可调。

当供电电压VDA刚上电时，运算放大器U3的反相输入端被电阻R2上拉至VDA电平，此时运算放大器U3的正相输入端小于VDA的值，所以运算放大器U3输出低电平，使得PMOS管Q2导通，电阻R2有电流流过，运算放大器U3的反相输入端的电压降低，形成负反馈。TVS管D1用于防止PMOS管Q2被击穿，TVS管D2用于抑制输出电流(Iout)端口的瞬态电流，保护输出端口电路。R2为精密电阻，其阻值随温度的变化较小；三极管Q1作为开关器件，使得电路形成完整的回路。

本申请的实施方式还包括外围连接设备，电流输出端口(Iout)的输出电流Iout发送至外围设备。

利用单个光耦实现4-20mA信号的隔离输出，在控制成本的基础上实现了调整电路隔离输出，提升了电路方案的安全可靠性。TVS管D2用于输出电流端口的瞬态电流抑制，能够保护输出端口电路，当工业应用现场出现短路时，对于调整电路无影响，能够容忍短路故障。由于调整电路的MOS管增加了TVS管D1，所以当工业应用现场出现断路时，TVS管能够保证MOS管不被击穿，对于调整电路无影响，能够容忍断路故障。本申请的实施方式能够输出0-25mA的全量程电流，应用场景更广泛。模拟量到数字量的转换过程利用脉冲宽度调制波控制电路来控制，这样可以节省一颗价格昂贵的DAC芯片，进一步降低了电路设计成本。本申请的实施方式的核心器件较少，主要是一个运算放大器和一颗精密电阻，在保证良好精度的前提下大大地节省了设计成本。本申请的实施方式只需占用主板MCU的一个具有脉冲宽度调制功能的I/O口来实现4-20mA电流信号的可靠输出。本申请的实施方式完全由分立的基本元器件搭建而成，在占用极小的PCB布板空间的情况下实现4-20mA输出功能，极大地缩减了成本，丰富了产品设计的灵活性，精密电阻使得4-20mA信号输出精度较高。

下面，对本申请实施例进行进一步说明。

如图5所示，供电电源，为整个电路系统提供工作电压(如电源电压)及电路所需的工作电流，一般使用主控板现有的电源电路供电。供电电源还提供供电电压VDA。脉冲宽度调制波控制电路，使用主控板上主控芯片的I/O来产生脉冲宽度调制波，从而实现调整输出电流的功能。稳压电路，用于主为后端的调整电路提供基准电压(电压基准值)DAREF。隔离电路，将主控芯片侧的脉冲宽度调制波转化为隔离侧的脉冲宽度调制波波形，实现安全区与危险区的隔离。调整电路根据隔离后的脉冲宽度调制波的占空比来控制输出电流的大小。现场设备包括危险侧的设备，如变送器、流量计等，主要是接收4-20mA输出信号，属于外围联接设备。

首先供电电源上电，产生供电电压VDA，由于稳压电路的稳压作用，能够为隔离电路和调整电路提供一个可靠的精度较好的基准电压DAREF。上电完成后，由脉冲宽度调制波控制电路中的主控芯片的I/O口控制输出占空比可调的脉冲宽度调制波，该脉冲宽度调制波经过隔离电路，产生隔离后的脉冲宽度调制波(SW)。基准电压DAREF与隔离后的脉冲宽度调制波同时作用于调整电路，当隔离后的脉冲宽度调制波的电平为VDA时，模拟开关U4的引脚4输出DAREF，根据负反馈原理，运算放大器U3的引脚2的电平值为DAREF，三极管Q1的发射极电平为DAREF，从而可计算调整电路的电流输出为I

本申请实施方正的代替方案包括：

隔离电路的隔离功能可采用其他隔离方式进行信号隔离，例如：磁隔离、专用芯片隔离来实现相同功能。磁隔离为基于磁隔离技术的磁耦合隔离器，使用传送到给定变压器初级端的脉冲对输入逻辑跳变进行编码。这些脉冲从变压器初级线圈耦合到次级线圈，并且由次级电路进行检测，然后，该电路在输出端重新恢复成数字信号，从而实现信号的隔离传输。专用芯片隔离可以采用市场上专用的信号隔离芯片来实现信号的隔离传输设计，并且在芯片外围需要匹配相应的信号处理电路。

稳压电路的基准电压可采用其他方案设计，例如：直接采用电源芯片来设计，将其输出电压作为后端电路电压基准值。比如TI公司的电源芯片输出2.5V、3V、3.3V、5V的电源芯片；芯力微的电源芯片输出2.5V、3V、3.3V、5V等。模拟开关U4可以是由开关器件三极管、MOS管、电阻、电容等器件搭建而成的。芯片电源管脚去耦电容(如C3、C10等)可以去掉。两段RC滤波电路(第四滤波电路和第五滤波电路)可以去掉一组或者全部去掉。TVS管D1、D2可去掉。PMOS管Q2可以更换为三极管。

然而，采用磁隔离和专用芯片，虽然也可以实现信号隔离的功能，但是磁隔离的电路设计复杂且需定制磁芯。采用专用芯片隔离也能达到隔离效果，但是专用芯片的价格较高，会增加产品开发成本。

采用集成的电源芯片可得到基准电压，但是成本会相应增加，电路设计也会相应的增加外围器件。采用分立的开关器件搭建电平切换电路，可实现电平切换功能，但是电路设计变得繁杂，且需要额外的开关控制信号，占用主控芯片资源，可靠性也会相应的降低。去掉芯片供电管脚的去耦电容，电路功能虽然能够实现，但是稳定性会降低，电路系统容易受噪声干扰。去掉一个RC滤波电路或两个RC滤波电路都去掉，会使得模拟开关U4的输出信号不稳，可能会导致后端负反馈电路功能异常。TVS管D1、D2去掉，调整电路的输出功能可以实现，但是电路会容易损坏，被静电、浪涌等击穿。PMOS管更改为三极管，功能可以实现，但是有电压控制性器件更换为电流控制型器件，会使得电路功耗增加，而且在本申请的实施方式中，更易发生击穿损坏。

本申请的方法中，通过使用隔离电路对脉冲宽度调制波进行隔离，成本低，可靠性高，占用主板I/O口少；通过稳压电路输出基准电压，调整电路根据隔离后的脉冲宽度调制波，控制输出电流，需要的器件少，占用PCB板空间少。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。