第4章开关量输入输出的隔离技术

MAX743的最大电流可达±100mA，而 MAX742的最大电流则可达±2A
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。泵电容通常选用10μf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100μf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。
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典型应用电路(单路）
► 直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件
（1）输出＋3.3V,+5V,TTL/CMOS兼容，注意使能端
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=1 kΩ)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。
GNDX
图4.2
基本的光隔电路（a）
基本的光隔电路（二）
（1）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）
VCC
ULN2003 R3
VCC X
IN1
TLP521
R4
（1）R1可按驱动电流5～10mA, 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5~10mA电流即可 （2） R2可取2.2K~10K，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
VCC VCC X
R1
R2
DOUT
IN1 TLP521
输出：－5V 输出：－15V
-15V输出可给LCD提供负偏置电压
单电源输出变换器
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4.2V~10V直流电源变成双±12V， ±15V直流电源
（1）MAX742 输入：4.2V~10V （2）MAX743 输入：5V 输出： ±12V， ±15V, ±100mA 输出：±12V， ±15V, ±2A
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。
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
Vin Cin GND Cout
1、廉价实用的TLP521-X
工作频率不高，一般限制在 10KHZ以内
TLP521-1
TLP521-2 TLP521-4
图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列
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 基本的光电隔离电路
基本的光隔电路（一）
应用特点： 提供隔离 电容、隔 离电压 ±50V
隔离电容
图4.12
RS-485/RS-422 隔离集成电路
来自百度文库
2、模拟隔离放大器
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）AD202/204(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
图4.2
基本的光隔电路（b）
D1~D4用于输入状态的直观显示，R1~R4的输入限流电阻，使用1/4瓦电阻即可。 不使用D1~D4时，限流电阻取330Ω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1kΩ。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 接施密特触发器整形电路。
低电池电压检 测输出
图4.9 MAX639/MAX640/MAX653的电路连接
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100μH、两个电解电容100μF和两个肖特基二极管1N5817
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100μH， 电容应选用100μF，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
低电池电压检 测输入
（2）工作频率可达100M波特
（3）隔离电压高达2500V
图4.21 单路
► 直接逻辑输入/逻辑输出的隔离器件
图4.21 单路
三种器件的性能指标均相同，仅输入、输出端口的方向不同
图4.22 三种器件输入/输出的方向
4.4
3、高频逻辑门专用隔离电路
特点及常见模块
（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
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，
1、RS-422/485隔离芯片
典型芯片及用途 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0.047μF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，当信号线正反接反时，可以自动 倒相
DIN
7406 GNDX 74LS14
DOUT
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。
_
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
Vi
S
CH
Vc
+
A
VO
图8-38 采样/保持器原理 图
增益1：1
反相输入
同相输入
（2）AD210:
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 图4.14 AD210结构框图
►
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：电路生成两个模拟电压，用一种互补方式可以改变这两个电压。当 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：VOUT+VOUTC=VREF）
（3）ISO1001——光电耦合
（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/ 保持电路，简称采/保(S/H)。
DOUT
74LS14
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2.2KΩ~3.3KΩ
（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
VCC VCC X 6N136
R1
R3 2.2KΩ
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
体积通常相对较大
Vin Cin GND
DC-DC变换器通常使用高频变压器(2~5kHz)隔离，再作整流及稳压器件
+VOUT Cout 100uf,25V -VOUT
图4.11 DC-DC变换器模块的使用电路 （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1.2～1.5倍计算需要的功率，根据功率选用 (DC-DC变换器通常以输
+VOUT 100uf,25V -VOUT
5V~12V:Cin 100uf,25V
24V~48V: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(功率足够的电阻)。
4.3专用隔离芯片及模块
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,信号最高频率可达20KHZ 供电电压15V, 可提供±15V电源（5mA）
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)
4N35
6N136
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500Ω。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50kΩ到100kΩ为佳。如省略该电阻， 则开关时间会大4~5倍，则开关频率就降低4~5倍。不应该省略该电阻。
（1）ICL7660 Intersil公司 输出：1.5V~10V （2）MAX640/MAX848Maxim公司 输入：5V 型应用为给低电压器件供电 （3）MAX735 （4）MAX737 输入：4V~6.2V 输入：4V~8.6V
输：互补电压 输出：3.3V,典
（通常为正电压入、负电压出) 主要用于单电源供电的A/D转换场合
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。
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
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）负载电阻，越小，开关速度越快,最好不小于1000Ω （2）基极电阻，一般取50KΩ~100KΩ
VCC VCC X R3 550Ω
R1
4N35 LED+ LEDNC B C E GNDX
R1 100k
DIN
7406