[发明专利]隔离式模拟电压感测电路

说明书

本发明涉及隔离式感测电路领域，更具体地说，涉及一种适合与开关电源一起使用的隔离式电压感测电路。

人们都已知道开关电源供给电路对范围很宽的负载条件和工作温度有其优异的性能。开关电源供给电路的实例包括有正向变换器和返回设计。在典型情况下，开关电源用来把第一直流电压（即高输入电压）变换成第二直流电压（即较低的电压）。由于这些电源大多使用变压器进行能量转换，因此，它们多被使用在输入/输出间要求隔离的场合。输入/输出间具有隔离的开关电源供给电路在授予Elliot    Josephson的第4，323，961号美国专利中给予了公开。

和别的任何类型的稳压电源一样，隔离式电源也必须具有感测其输出电压以构成稳压回路的装置。为保证输入/输出隔离，感测到的输出电压还必须通过一个隔离电路反馈回来。典型的隔离器包括光学隔离器（Opto-isolator）或反馈隔离变压器。在需要高度隔离的情况下，大多数先有技术都一直非常复杂和昂贵。

Sasaki的第4，030，041号美国专利中描述了这样一种隔离感测器：在该装置中，取自变压器初级绕组的信号被用来开关光学隔离器，光学隔离器的输出用以控制耦合在变压器的次级绕组和缓冲放大器之间的场效应管开关装置，与该缓冲放大器的输入端相耦合的还有一个电容。Sasaki的发明依靠具有一个初级线圈和四个次级绕组的变压器和光学隔离器一起来使装置工作，这种装置有不少缺点。例如，因为有隔离变压器插在电源变压器中，装置的带宽将受限制。由于装置的工作要与输入电源频率同步，故其工作也比较慢。此外，依靠光学隔离器以在初级控制信号和次级控制信号之间提供隔离的开关装置对于时间和温度会呈现不良的稳定度。

在授予Kato等人第3，931，582号美国专利中公开了一个稍微简单一些的装置，在该装置内，一个直流放大器通过由脉冲发生器驱动的一个电子开关向二极管和电容组成的第一串联耦合电路提供功率，上述的二极管和电容器的组合跨接在变压器的初级绕组上，与此完全相同的另一二极管、电容组合跨接在变压器的次级绕组上。反馈是通过耦合在直流放大器的反相输入端和上述的第一二极管和电容器组合的公共端之间的一个电阻来提供给直流放大器的。在本装置中，有源电路位于变压器的初级绕组一侧。因此，初级绕组上面所能出现的任何高压都使其遭到损害。由于使用了直流放大器来驱动变压器的初级线圈，本装置在温度范围内也会产生线性变化。此外，因为本电路需在其变压器的两侧必须有完全一样的二极管和电容组合来产生隔离电压，故其电路比期望的要复杂得多。相同电路间的匹配中的任何变化将影响装置的准确性。既然本装置具有单一变压器结构，它就有不能给电容器提供可控制放电回路和不能以很快的下降时间对信号作出响应的缺点。另外，电容器两端的电压也因通过电阻发生漏电而不能保持恒定。

另一种类型的传感器使用了与感测器电路同步工作的斩波器（chopper）或同步整流器（Synchro-recfifier）。在这类装置中需要有两个变压器，一个供感测到的模拟信号使用，一个供同步信号使用，另外，其他的斩波器或同步整流器还使用多个用以操作开关装置的次级绕组的单一变压器。Ashley-Rollman的第4，506，230号美国专利和Morong的第4，286，225号美国专利中就示出了这类隔离式感测器的实例。在这两个参考文件中都需要一个复杂的变压器结构，结果使得电路两侧间的电容耦合量都甚高。此外，这二个参考文件中在其电路的输入侧均需有源元件，因此，必须需要一个比较稳定的隔离电压源。

虽然以上讨论描述了隔离式感测器在开关电源中的应用，但隔离式感测器实际上可用于许多其他场合，例如，隔离式传感器还常被用于数据提取，以防止计算机的数据输入线上出现混附的直流信号;隔离式感测器也被广泛地用于医学应用，因为保证病人避免可能由医疗测试设备产生的任何高电压是相当重要的。

常用于医疗仪器装置中的一种隔离式传感器是仪器级（instru-menlation    grade）隔离放大器。授于Smith的第3，946，324号美国专利中就示出了仪器级隔离放大器的一个实例。仪器级隔离放大器必须非常复杂从而使它们成为所有隔离装置中最为昂贵。这些装置的昂贵成本妨碍了它们在电源中的应用。

由前面的讨论可知，尚无一种装置可以无需光学隔离器、同步信号或复杂的变压器结构就能低成本、高度隔离地构成隔离式传感器。

因此，本发明的目的是提供一种具有最少元件数的经改进的隔离式感测器。