CN108199821A - 一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路 - Google Patents

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曾繁忆
王建华
范建华
赵锋
徐剑英
曹金龙
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Abstract

本发明公开了一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路。该集成电路分为磁耦隔离主芯片和磁耦隔离从芯片两部分。主、从芯片之间通过磁耦变压器连接，主芯片数字接口与MCU的UART接口连接，从芯片数字接口与被隔离电路连接。磁耦隔离主芯片内部集成调制解调模块，磁耦隔离从芯片内部集成调制解调模块和整流滤波电路。本发明利用耦合变压器的电气隔离特性，采用调制解调和整流滤波等技术，旨在实现MCU与被隔离电路间通讯和供电的电气隔离。应用本发明的典型被隔离电路有RS‑485芯片电路和计量芯片电路。

Description

一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路
技术领域：
本发明涉及一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路，此电路利用变压器磁耦合原理，通过磁耦隔离芯片的调制解调技术和整流滤波技术，实现MCU 与被隔离电路之间通讯和供电的电气隔离；典型被隔离电路有RS-485芯片电路和计量芯片电路。
背景技术：
电气隔离的作用主要是减少两个不同电路之间的相互干扰。以RS-485芯片电路和计量芯片电路为例进行说明：RS-485总线存在不确定性的过压、过流和噪声等干扰，为保证***的安全性和通讯的稳定性，需要对主MCU电路和 RS-485芯片电路进行电气隔离；计量电路具有采样信号精度等级高、电磁抗扰度EMS要求高的特点，为保证计量的准确性和可靠性，需要与***其它电路进行电气隔离。
现有常见的电气隔离电路是由光耦和DC-DC变换器组成，光耦电路可实现通讯隔离，DC-DC变换器电路可实现供电隔离；但这种隔离电路***电路复杂，成本较高。
发明内容：
本发明是一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路。
本发明的技术方案是利用带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路和耦合变压器实现MCU与被隔离电路问通讯和供电的隔离。其特征在于：MCU与被隔离电路之间依次通过主芯片、耦合变压器和从芯片建立连接，利用耦合变压器的电气隔离特性，采用调制解调和整流滤波等技术实现MCU与被隔离电路间的电气隔离。
所述电气隔离，包括通讯隔离和供电隔离。通讯隔离是指通过磁耦隔离芯片和变压器传递数字信号，实现数字通讯；供电隔离是指磁耦隔主芯片通过变压器向从芯片提供电能。
所述的MCU，要求具有UART接口，或可以通过GPIO模拟UART功能。
所述的耦合变压器，其特征是，初级线圈和次级线圈不直接相连，只通过磁路进行耦合。
所述的被隔离电路，是指需要与MCU进行电气隔离的电路，典型电路有 RS-485芯片电路和计量芯片电路。
所述的磁耦隔离主芯片，其特征是，采用频率调制技术实现数字信号发送；采用电流解调技术实现数字信号接收；可利用集成电路技术集成到MCU中。
所述的磁耦隔离从芯片，其特征是：采用频率解调技术实现数字信号接收；采用电流调制技术实现数字信号发送；采用整流滤波技术实现供电；可利用集成电路技术集成到隔离电路中。
附图说明
图1：基于磁耦合实现电气隔离的***框图。
图2：磁耦隔离集成电路原理框图。
具体实施方式：
下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1是基于磁耦合实现电气隔离的***框图。图中列出了在典型被隔离电路RS-485芯片电路和计量芯片电路上进行应用的***框图，下面对这两种电路***工作原理分别进行介绍：(1)应用于RS-485芯片电路：MCU与RS-485 芯片之间通过主芯片-耦合变压器-从芯片依次连接；MCU与主芯片之间通过串口进行数字通讯；主芯片与从芯片之间通过耦合变压器进行调制信号交互，主、从芯片各自通过内部的调制解调模块实现调制信号的收发；另外，从芯片内部的整流滤波电路对耦合变压器上的交流调制信号进行整流滤波，输出直流电源，给从芯片侧电路供电；从芯片与RS-485芯片电路之间通过串口进行数字通讯，至此实现MCU与RS-485芯片电路的通讯隔离和供电隔离；(2)应用于计量芯片电路：MCU与计量芯片之间通过主芯片-耦合变压器-从芯片依次连接，MCU 到从芯片这一部分的电路原理与RS-485芯片电路应用一致，从芯片与计量电路之间通过串口进行数字通讯，至此实现MCU与计量芯片电路的通讯隔离和供电隔离。
如图2是磁耦隔离集成电路原理框图，图中列出了主芯片和从芯片内部原理框图，下面对主芯片和从芯片工作过程分别进行介绍：(1)主芯片发送和接收功能实现方式如下，振荡器产生3种频率信号f1、f2、f3，分别代表发送态TxD＝0、发送态TxD＝1和接收态，配合控制信号发送态CON＝1、接收态CON＝0，将频率信号通过功放放大后发送到隔离变压器，实现主芯片的发送功能；主芯片处于接收态时，鉴流器通过对流经功放的电流进行鉴别，解调出从芯片发送的电流调制信号，实现主芯片的接收功能；(2)从芯片收/发功能实现方式如下：鉴频控制器通过鉴频识别主芯片发送的频率信号f1、f2、f3，可判断主芯片工作状态；当主芯片为发送态时，从芯片的鉴频器通过鉴频解调信号，实现从芯片的接收功能；当主芯片为接收态时，从芯片启动恒流开关，对数字信号进行电流调制并发送到主芯片，实现从芯片的发送功能；(3)从芯片隔离供电实现方式如下，从芯片整流滤波模块对交流信号进行整流滤波，输出直流电源 VCC/GND为从芯片侧电路供电，实现从芯片的隔离供电功能。

Claims (7)

1.一种带隔离供电的磁耦半双工通讯集成电路，其特征在于：MCU与被隔离电路之间依次通过磁耦隔离主芯片、耦合变压器和磁耦隔离从芯片建立连接，利用耦合变压器的电气隔离特性，采用调制解调和整流滤波等技术实现MCU与被隔离电路间的电气隔离。
2.如权利要求1所述的电气隔离，其特征是，包括通讯隔离和供电隔离。
3.如权利要求1所述的MCU，其特征是，具有UART接口。
4.如权利要求1所述的耦合变压器，其特征是，初级线圈和次级线圈不直接相连，只通过磁路进行耦合。
5.如权利要求1所述的被隔离电路，其特征是，需要与MCU进行电气隔离的电路，典型被隔离电路有RS-485芯片电路和计量芯片电路。
6.如权利要求1所述的磁耦隔离主芯片，简称主芯片，其特征是，采用频率调制技术实现数字信号发送，采用电流解调技术实现数字信号接收，可利用集成电路技术集成到MCU中。
7.如权利要求1所述的磁耦隔离从芯片，简称从芯片，其特征是：采用频率解调技术实现数字信号接收，采用电流调制技术实现数字信号发送，采用整流滤波技术实现供电，可利用集成电路技术集成到隔离电路中。
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