基于电容的电磁全隔离直流电源传输电路

 
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 。电压比较器将输出电压 与阈值电压 比较，若 小于 ，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。

2 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表示出两组电容的工作时序。
 

图3 两组电容的工作时序

　 　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

　　电路启动后，在t1时间内对两组电容充电。第一组电容在t2时间内悬空，然后在t3时间内给负载供电。当输出电压低于阈值电压 时，第二组电容在t4转入悬空状态。在t5时间内，两组电容同时给负载供电。第一组电容在t6时间内转入悬空状态，准备开始充电。整个直流传输电路按照此规律循环往复工作。设 工作电流为 可得放电时间t3为1.68ms。增加电容容量，工作周期相应加长。
3 单片机编程流程

图5 单片机编程流程图
　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。

　　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 ，、悬空延时 ，和供电延时 。

4 结论