一款基于电容的电磁全隔离直流电源传输电路设计

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，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。

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。

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 电容、MOS管、光电耦合器的连接图

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。 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 两组电容的电压随时间变化图

图4表示了与图3对应的两组电容的电压变化。

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。

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。

结论

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。