一种高频全桥式斩波电路及变压器耦合隔离放大器的制作方法

1.本发明涉及全桥式斩波电路及隔离放大器技术领域，具体涉及一种高频全桥式斩波电路及变压器耦合隔离放大器。


背景技术：

2.j-fet结型场效应管是传感器斩波调制解调开关电路的关重元器件，其使用电路如图1所示，q1、q2为j-fet结型场效应管，信号经变压器t1初级以及斩波管q2组成的斩波调制器斩波调制，耦合进入变压器次级，由t1次级和斩波管q1组成的斩波鉴相器进行鉴相解调。
3.目前该类器件主要依赖进口，在寻找性能指标能与进口器件相互替换的j-fet结型场效应管过程中，发现国内可替代的厂家生产分离的jfet极少，导致电量传感器国产化工作推进困难；且现有的全桥式斩波电路斩波频率低。
4.因此，针对上述问题，本发明在现有国产化、的基础上，开展j-fet结型场效应管替代方案研究，亟待设计斩波式无场效应管的高频信号调理技术。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种高频全桥式斩波电路及变压器耦合隔离放大器，设计斩波式无场效应管的高频信号调理技术，实现斩波频率高的全桥式斩波电路；且该全桥式斩波电路在隔离放大器的电路中起调制解调作用。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.第一方面，本发明提供了一种高频全桥式斩波电路，所述全桥式斩波电路包括调制电路、解调电路；
8.所述调制电路，用于对放大处理后的输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅pam信号，并输入至第一变压器进行耦合输出；
9.所述解调电路，用于对第一变压器耦合输出的pam信号进行同步解调，解调得到pam的包络信号，供后续滤波放大输出。
10.工作原理是：基于现有桥式斩波电路主要采用j-fet结型场效应管，该类器件主要依赖进口，在寻找性能指标能与进口器件相互替换的j-fet结型场效应管过程中，发现国内可替代的厂家生产分离的jfet极少，导致电量传感器国产化工作推进困难；同时现有的全桥式存在斩波电路斩波频率低等问题。本发明设计了一种高频全桥式斩波电路，如图2、3所示，主要是由两个基于单刀双掷开关ic组成，变压器初级/次级分别与单刀双掷电路n1/n2构成全桥式脉冲幅度调制/解调电路。输入信号在时序信号in11控制下，在调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经变压器t1耦合，解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。解调时序in11和调制时序in1同频同相。在相同频率的解调时序信号下，利用单刀双掷开关一个周期内斩波两次，使本发明高频全桥式斩波电路的斩波频率是传统的基于j-fet斩波电路的斩波频率的2倍。这个特点，是在保证原
有的斩波频率前提下，通过降低时序信号的频率，达到消除n1、n2电路输入电容影响的目的。
11.进一步地，所述调制电路包括斩波调制器和第一单刀双掷开关，所述斩波调制器一端接入信号输入电路、另一端通过第一单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器初级绕组的引脚1端、引脚3端；
12.信号输入电路的输入信号在时序信号in11控制下，在所述调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经第一变压器t1进行耦合。
13.进一步地，所述解调电路包括斩波解调器和第二单刀双掷开关，所述斩波解调器一端通过第二单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器次级绕组的引脚4端、引脚6端，另一端接出至信号输出电路；
14.所述解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。
15.进一步地，所述第一变压器初级绕组的引脚2端接入电源电路的输入，所述第一变压器初级绕组的引脚5端接出至电源电路的输出。
16.进一步地，所述第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关均为带负电荷泵的单刀双掷开关sgm3711ytqa16g/tr或者其他可以通过正负电压信号的单刀双掷开关。
17.进一步地，所述调制时序in11和解调时序in1同频同相。
18.第二方面，本发明又提供了一种变压器耦合隔离放大器，包括所述的一种高频全桥式斩波电路；还包括信号输入电路、变压器、信号输出电路和电源电路，
19.所述信号输入电路，用于进行输入信号的输入，并对输入信号进行放大处理，并输出至所述调制电路；
20.所述第一变压器，用于对所述调制电路调制后的脉冲调幅pam信号进行耦合后输出至解调电路；
21.所述信号输出电路，用于对所述解调电路输出得到pam的包络信号进行低通滤波滤除高频信号后放大输出；
22.所述电源电路，用于负责提供隔离供电电源和调整/解调时序信号。
23.本发明一种变压器耦合隔离放大器，包括所述的一种高频全桥式斩波电路，一种高频全桥式斩波电路在隔离放大器的电路中起调制解调作用；信号输入电路负责电压输入信号采集、滤波、emc防护以及安全防护；调制、解调电路负责完成输入信号的幅度斩波调制和解调；电源电路负责提供隔离供电电源，和调整/解调时序信号；信号输出电路负责完成解调后信号的滤波和缓冲输出、放大信号、emc防护以及安全防护。
24.进一步地，所述信号输入电路包括第一放大器，所述第一放大器的两个输入端对应接入正向输入、反向输入，所述第一放大器的输出端连接所述调制电路，所述第一放大器还连接有输入隔离电源，所述输入隔离电源连接有第二变压器t2的初级绕组侧；所述输入隔离电源还连接所述调制电路，所述调制电路连接第二变压器t2的初级绕组侧。
25.进一步地，所述信号输出电路包括第二放大器，所述第二放大器的正向输入端连接所述解调电路，所述第二放大器的反向输入端连接第二放大器的输出端；所述第二放大器还连接电源振荡器，所述电源振荡器连接第二变压器t2的次级绕组侧，所述电源振荡器连接解调电路。
26.进一步地，所述电源电路采用dc-dc直流变换器。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明一种高频全桥式斩波电路主要是由两个基于单刀双掷开关ic组成，输入信号在时序信号in11控制下，在调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经变压器t1耦合，解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。解调时序in11和调制时序in1同频同相。在相同频率的解调时序信号下，利用单刀双掷开关一个周期内斩波两次，使本发明高频全桥式斩波电路的斩波频率是传统的基于j-fet斩波电路的斩波频率的2倍。
29.2、本发明一种变压器耦合隔离放大器结构简单、合理，本发明设计斩波式无场效应管的高频信号调理技术，实现斩波频率高的全桥式斩波电路；且该全桥式斩波电路在隔离放大器的电路中起调制解调作用。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1为传统使用j-fet结型场效应管实现调制解调电路图。
32.图2为本发明一种高频全桥式斩波电路的调制解调电路图。
33.图3为本发明一种高频全桥式斩波电路图。
34.图4为本发明一种变压器耦合隔离放大器电路图。
具体实施方式
35.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
36.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
37.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
38.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
39.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
41.实施例1
42.如图2、图3所示，本发明一种高频全桥式斩波电路，所述全桥式斩波电路包括调制电路、解调电路；
43.所述调制电路，用于对放大处理后的输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅pam信号，并输入至第一变压器进行耦合输出；
44.所述解调电路，用于对第一变压器耦合输出的pam信号进行同步解调，解调得到pam的包络信号，供后续滤波放大输出。
45.本实施例中，所述调制电路包括斩波调制器和第一单刀双掷开关，所述斩波调制器一端接入信号输入电路、另一端通过第一单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器初级绕组的引脚1端、引脚3端；
46.信号输入电路的输入信号在时序信号in11控制下，在所述调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经第一变压器t1进行耦合。
47.本实施例中，所述解调电路包括斩波解调器和第二单刀双掷开关，所述斩波解调器一端通过第二单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器次级绕组的引脚4端、引脚6端，另一端接出至信号输出电路；
48.所述解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。
49.本实施例中，所述第一变压器初级绕组的引脚2端接入电源电路的输入，所述第一变压器初级绕组的引脚5端接出至电源电路的输出。
50.本实施例中，所述第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关均为带负电荷泵的单刀双掷开关sgm3711ytqa16g/tr或者其他可以通过正负电压信号的单刀双掷开关。
51.本实施例中，所述调制时序in11和解调时序in1同频同相。
52.工作原理是：基于现有桥式斩波电路主要采用j-fet结型场效应管，该类器件主要依赖进口，在寻找性能指标能与进口器件相互替换的j-fet结型场效应管过程中，发现国内可替代的厂家生产分离的jfet极少，导致电量传感器国产化工作推进困难；同时现有的全桥式存在斩波电路斩波频率低等问题。本发明设计了一种高频全桥式斩波电路，如图2、3所示，主要是由两个基于单刀双掷开关ic组成，变压器初级/次级分别与单刀双掷电路n1/n2构成全桥式脉冲幅度调制/解调电路。输入信号在时序信号in11控制下，在调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经变压器t1耦合，解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。解调时序in11和调制时序in1同频同相。在相同
频率的解调时序信号下，利用单刀双掷开关一个周期内斩波两次，使本发明高频全桥式斩波电路的斩波频率是传统的基于j-fet斩波电路的斩波频率的2倍。这个特点，是在保证原有的斩波频率前提下，通过降低时序信号的频率，达到消除n1、n2电路输入电容影响的目的。
53.实施例2
54.如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种变压器耦合隔离放大器，包括所述的一种高频全桥式斩波电路；还包括信号输入电路、变压器、信号输出电路和电源电路；一种高频全桥式斩波电路在隔离放大器的电路中起调制解调作用；信号输入电路负责电压输入信号采集、滤波、emc防护以及安全防护；调制、解调电路负责完成输入信号的幅度斩波调制和解调；电源电路负责提供隔离供电电源，和调整/解调时序信号；信号输出电路负责完成解调后信号的滤波和缓冲输出、放大信号、emc防护以及安全防护。
55.具体地：
56.所述信号输入电路，用于进行输入信号的输入，并对输入信号进行放大处理，并输出至所述调制电路；
57.所述调制电路，用于对放大处理后的输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅pam信号；
58.所述第一变压器，用于对所述调制电路调制后的脉冲调幅pam信号进行耦合后输出至解调电路；
59.所述解调电路，用于对第一变压器耦合输出的pam信号进行同步解调，解调得到pam的包络信号。
60.所述信号输出电路，用于对所述解调电路输出得到pam的包络信号进行低通滤波滤除高频信号后放大输出；
61.所述电源电路，用于负责提供隔离供电电源和调整/解调时序信号。
62.本实施例中，所述信号输入电路包括第一放大器，所述第一放大器的两个输入端对应接入正向输入、反向输入，所述第一放大器的输出端连接所述调制电路，所述第一放大器还连接有输入隔离电源，所述输入隔离电源连接有第二变压器t2的初级绕组侧；所述输入隔离电源还连接所述调制电路，所述调制电路连接第二变压器t2的初级绕组侧。
63.本实施例中，所述信号输出电路包括第二放大器，所述第二放大器的正向输入端连接所述解调电路，所述第二放大器的反向输入端连接第二放大器的输出端；所述第二放大器还连接电源振荡器，所述电源振荡器连接第二变压器t2的次级绕组侧，所述电源振荡器连接解调电路。
64.本实施例中，供电电源实际上是一个dc-dc直流变换器。供电单元通道由方波振荡单元，功率放大单元，隔离变压器及整流滤波单元电路组成。它除了提供输入输出信号所需的隔离直流电源以外，还提供斩波/解调同步信号。
65.如图4所示，工作过程为：输入信号经输入低温漂的第一放大器放大后，进入斩波调制电路，斩波调制电路一般由受控开关器件组成；斩波调制的开关器件在电源供电通道提供的斩波同步信号的控制下，对输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅(pam)信号。pam信号经变压器t1耦合后，进入斩波解调电路。斩波解调电路的结构和原理与调制电路类似。在电源供电通道提供的解调同步信号控制
下，斩波解调电路对pam信号进行同步解调。解调得到的pam的包络信号，经低通滤波滤除高频信号后进入第二放大器放大输出。其中，变压器t1作为连接到输入信号源的电路与电子信号处理电路的电隔离，调制、解调电路包括两个单刀双掷开关ic，作用是将第一放大器a的直流或低频信号以较高的频率被调制，这使它从变压器t1的初级绕组耦合到次级绕组。
66.两个单刀双掷开关ic构建一个全桥式斩波电路的详细设计如下：
67.输入信号在时序信号in11控制下，在调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经变压器t1耦合，解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。解调时序in11和调制时序in1同频同相。
68.采用全国产器件设计全桥式调制解调电路如图3所示：
69.其中，n1为调制电路，n2为解调电路，均为带负电荷泵的单刀双掷开关sgm3711ytqa16g/tr或者其他可以通过正负电压信号的单刀双掷开关。
70.本发明结构简单、合理，本发明设计斩波式无场效应管的高频信号调理技术，实现斩波频率高的全桥式斩波电路；且该全桥式斩波电路在隔离放大器的电路中起调制解调作用，在相同频率的解调时序信号下，高频全桥式斩波电路的斩波频率是传统的基于j-fet斩波电路的斩波频率的2倍。这个特点，是在保证原有的斩波频率前提下，通过降低时序信号的频率，达到消除n1、n2电路输入电容影响的目的。
71.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述全桥式斩波电路包括调制电路、解调电路；所述调制电路，用于对放大处理后的输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅pam信号，并输入至第一变压器进行耦合输出；所述解调电路，用于对第一变压器耦合输出的pam信号进行同步解调，解调得到pam的包络信号，供后续滤波放大输出。2.根据权利要求1所述的一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述调制电路包括斩波调制器和第一单刀双掷开关，所述斩波调制器一端接入信号输入电路、另一端通过第一单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器初级绕组的引脚1端、引脚3端；信号输入电路的输入信号在时序信号in11控制下，在所述调制电路完成信号的脉冲幅度调制；斩波调制后的信号，经第一变压器进行耦合。3.根据权利要求2所述的一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述解调电路包括斩波解调器和第二单刀双掷开关，所述斩波解调器一端通过第二单刀双掷开关的两端对应连接所述第一变压器次级绕组的引脚4端、引脚6端，另一端接出至信号输出电路；所述解调电路在时序信号in1的控制下，完成调制信号的解调，还原为直流信号。4.根据权利要求3所述的一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述第一变压器初级绕组的引脚2端接入电源电路的输入，所述第一变压器初级绕组的引脚5端接出至电源电路的输出。5.根据权利要求3所述的一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关均为带负电荷泵的单刀双掷开关sgm3711ytqa16g/tr。6.根据权利要求3所述的一种高频全桥式斩波电路，其特征在于，所述调制时序in11和解调时序in1同频同相。7.一种变压器耦合隔离放大器，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一所述的一种高频全桥式斩波电路；还包括信号输入电路、变压器、信号输出电路和电源电路，所述信号输入电路，用于进行输入信号的输入，并对输入信号进行放大处理，并输出至所述调制电路；所述第一变压器，用于对所述调制电路调制后的脉冲调幅pam信号进行耦合后输出至解调电路；所述信号输出电路，用于对所述解调电路输出得到pam的包络信号进行低通滤波滤除高频信号后放大输出；所述电源电路，用于负责提供隔离供电电源和调整/解调时序信号。8.根据权利要求7所述的一种变压器耦合隔离放大器，其特征在于，所述信号输入电路包括第一放大器，所述第一放大器的两个输入端对应接入正向输入、反向输入，所述第一放大器的输出端连接所述调制电路，所述第一放大器还连接有输入隔离电源，所述输入隔离电源连接有第二变压器的初级绕组侧；所述输入隔离电源还连接所述调制电路，所述调制电路连接第二变压器的初级绕组侧。9.根据权利要求7或8所述的一种变压器耦合隔离放大器，其特征在于，所述信号输出电路包括第二放大器，所述第二放大器的正向输入端连接所述解调电路，所述第二放大器的反向输入端连接第二放大器的输出端；所述第二放大器还连接电源振荡器，所述电源振
荡器连接第二变压器的次级绕组侧，所述电源振荡器连接解调电路。10.根据权利要求7所述的一种变压器耦合隔离放大器，其特征在于，所述电源电路采用dc-dc直流变换器。

技术总结
本发明公开了一种高频全桥式斩波电路及变压器耦合隔离放大器，全桥式斩波电路包括调制电路、解调电路；调制电路，用于对放大处理后的输入信号进行斩波，斩波后得到以输入信号为包络，以斩波同步信号为周期的脉冲调幅PAM信号，并输入至第一变压器进行耦合输出；解调电路，用于对第一变压器耦合输出的PAM信号进行同步解调，解调得到PAM的包络信号，供后续滤波放大输出。一种变压器耦合隔离放大器包括全桥式斩波电路、信号输入电路、变压器、信号输出电路和电源电路。本发明结构简单、合理，为斩波式无场效应管的高频信号调理技术，在相同频率的解调时序信号下，本发明斩波频率是传统斩波电路斩波频率的2倍。路斩波频率的2倍。路斩波频率的2倍。


技术研发人员：唐浩然 殷爽 张翅飞 庞中秋
受保护的技术使用者：绵阳市维博电子有限责任公司
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8