一种磁耦数字隔离器及其调制解调方法与流程

1.本发明属于数字隔离器技术领域，具体涉及一种磁耦数字隔离器及其调制解调方法。


背景技术：

2.数字隔离器的隔离方式主要包含光耦隔离、电容隔离及磁耦隔离，隔离器能够阻止直流以及有害交流电流在控制系统和功率系统之间通过，但能够完成信号和能量的传输。目前，隔离器应用广泛，几乎遍布了消费电子、汽车电子、工业制造、交通运输等领域，起到了保护了电子设备免受电磁干扰，防止操作人员触电等作用。随着工业化的迅速发展，为了满足高速可靠的应用要求，数字隔离器的性能也必须进一步提高。
3.公开号为cn114978147a的中国专利提出了一种基于边沿检测的低功耗二氧化硅绝缘栅数字隔离器，其基本方案是将输入信号的上升沿调制为两个窄脉冲信号，将输入信号的下降沿调制为一个窄脉冲信号；解调单元接收到两个脉冲时，解调输出为高电平，解调单元接收到一个脉冲时，解调输出为低电平。由于需要至少两个脉冲周期的判定时间，显然脉冲计数调制法存在固有的高延时问题，难以满足高速的应用要求；同时，该调制方法的抗干扰能力弱，当系统受到电磁干扰导致脉冲丢失时，将引发传输逻辑错误的灾难性问题。
4.公开号为cn105161488a的中国专利提出了一种磁耦数字隔离器及其编解码方法，其基本方案是将输入信号的上升沿和下降沿分别调制为单个脉冲，通过双变压器传输后整形解码输出。该调制方法相较于脉冲计数法，具有更快的传输速率，但由于其上升沿和下降沿均调制为单脉冲信号，因此其抗干扰能力差，易受电磁干扰导致单脉冲丢失，引发传输逻辑错误的灾难性问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述，本发明提供了一种磁耦数字隔离器及其调制解调方法，整合了输入信号与刷新信号，能够将输入信号的边沿调制为多个脉冲，在保证信号传输低延时的同时，增强了传输链路的抗干扰能力，提高了信号传输的可靠性。
6.一种磁耦数字隔离器，包括调制单元、解调单元以及连接调制单元与解调单元的片上变压器，其中：
7.所述调制单元用于对输入信号进行调制，分别生成具有刷新信息的置位尖峰信号和复位尖峰信号；
8.所述片上变压器用于对上述两组尖峰信号进行隔离耦合传输；
9.所述解调单元用于对接收到的两组尖峰信号进行采样放大及比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号，进而对置位信号和复位信号进行检波整合得到输出信号。
10.进一步地，所述调制单元包括刷新模块、窄脉冲产生模块、上升沿调制模块、下降沿调制模块以及驱动模块，其中刷新模块用于整合输入信号与高频刷新信号后产生预调制信号提供给窄脉冲产生模块，窄脉冲产生模块根据预调制信号的上升沿产生标准逻辑的窄
脉冲信号x1提供给上升沿调制模块，根据预调制信号的下降沿产生标准逻辑的窄脉冲信号x2提供给下降沿调制模块；上升沿调制模块利用输入信号高电平对窄脉冲信号x1进行调制并通过一组驱动模块生成置位尖峰信号；下降沿调制模块利用输入信号低电平对窄脉冲信号x2进行调制并通过另一组驱动模块生成复位尖峰信号。
11.进一步地，所述刷新模块由振荡器和异或门组成，其中振荡器用于产生高频刷新信号，异或门的第一输入端接输入信号，第二输入端接高频刷新信号，输出端生成预调制信号。
12.进一步地，所述上升沿调制模块以输入信号作为使能信号，当输入信号为高电平时，上升沿调制模块正常工作，将窄脉冲信号x1输出至驱动模块；当输入信号为低电平时，上升沿调制模块不工作，输出为低电平。
13.进一步地，所述下降沿调制模块以输入信号作为使能信号，当输入信号为低电平时，下降沿调制模块正常工作，将窄脉冲信号x2输出至驱动模块；当输入信号为高电平时，下降沿调制模块不工作，输出为低电平。
14.进一步地，所述片上变压器包含有两组变压器t1和t2，t1原边绕组的一端接置位尖峰信号，t1原边绕组的另一端与t2原边绕组的一端相连并接地，t2原边绕组的另一端接复位尖峰信号，t1副边绕组的一端作为片上变压器的一输出端口，t1副边绕组的另一端与t2副边绕组的一端相连并接外部给定的共模电压，t2副边绕组的另一端作为片上变压器的另一输出端口。
15.进一步地，所述解调单元包括采样放大模块、高速比较器以及检波模块，其中采样放大模块用于对接收到的置位尖峰信号和复位尖峰信号进行采样放大，进而分别通过两组高速比较器比较生成置位信号和复位信号，检波模块对置位信号和复位信号进行检波整合得到输出信号。
16.进一步地，所述检波模块包括d触发器、包络检波器、与门、或门以及反相器，其中反相器的输入端与或门的第一输入端相连并接复位信号，或门的第二输入端与d触发器的时钟端相连并接置位信号，反相器的输出端与d触发器的复位端相连，d触发器的输入端接电源电压vdd，或门的输出端与包络检波器的输入端相连，与门的两个输入端分别接d触发器的输出端和包络检波器的输出端，与门的输出端生成输出信号。
17.进一步地，所述d触发器为上升沿触发，复位端为高电平时，d触发器正常工作；复位端为低电平时，输出端直接翻转为低电平。
18.进一步地，所述包络检波器的传输延时可调，即当系统掉电或工作异常一段时间后，包络检波器的输出才翻转为低电平，以保障系统安全。
19.上述磁耦数字隔离器的调制解调方法，包括如下步骤：
20.(1)利用调制单元整合输入信号和刷新信号，对整合后的信号进行调制，分别形成具有刷新信息的置位尖峰信号与复位尖峰信号；
21.(2)利用片上变压器实现调制单元与解调单元的电气隔离，并对调制后的两组尖峰信号进行耦合传输；
22.(3)利用解调单元对接收到的两组尖峰信号进行采样放大并比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号；
23.(4)利用检波模块对置位信号和复位信号进行整合，得到输出信号。
24.基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
25.1.抗干扰能力强；本发明整合了输入信号与刷新信号，能够将输入信号的边沿调制为多个脉冲信号，增强了传输链路的抗干扰能力，提高了信号传输的可靠性。
26.2.传输延时小；本发明采用两组片上变压器分别传输置位信号和复位信号，相较于传统的脉冲计数等调制方法，有效减小了传输延时，显著提高了传输速率。
27.3.系统安全性高；本发明采用的检波模块，可有效应对系统掉电或长时间异常工作等情况，显著提高了系统的安全性。
附图说明
28.图1为本发明磁耦数字隔离器的结构示意图。
29.图2为本发明磁耦数字隔离器中刷新模块的结构示意图。
30.图3为本发明磁耦数字隔离器中检波模块的结构示意图。
31.图4为本发明磁耦数字隔离器中各关键节点信号的波形示意图。
具体实施方式
32.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
33.如图1所示，本发明磁耦数字隔离器，包括调制单元1、两组片上变压器2以及解调单元3，其中：
34.调制单元1主要包括刷新模块、窄脉冲产生模块、上升沿调制模块、下降沿调制模块及驱动模块，用于对输入信号din进行调制，将输入信号din的上升沿调制为具有刷新信息的置位尖峰信号tx1，将输入信号din的下降沿调制为具有刷新信息的复位尖峰信号tx2。
35.两组片上变压器2用于对两组尖峰信号tx1和tx2分别进行隔离传输，传输速率可达100mhz；相较于利用高压电容进行信号传输的数字隔离器，利用片上变压器进行信号传输的磁耦数字隔离器不仅可以传输信号，还可以传输一定能量，这使得解调单元能够轻松完成采样放大工作，有效简化了解调模块的设计。
36.解调单元3主要包括采样放大模块、高速比较器以及检波模块，用于对接收的两组尖峰信号进行采样与比较，还原出标准逻辑电平的置位信号set和复位信号rst，最终检波输出dout信号。
37.调制单元1的连接关系为：输入信号din分别与刷新模块、上升沿调制模块、下降沿调制模块相连，刷新模块的输出与窄脉冲产生模块的输入相连，窄脉冲产生模块的输出分别与上升沿调制模块、下降沿调制模块的输入相连，上升沿调制模块、下降沿调制模块的输出分别与驱动模块相连，驱动模块将两组已调制信号分别传输至两组片上变压器的原边。
38.如图2所示，刷新模块包括振荡器和异或门，振荡器的输出与输入信号din分别与异或门的输入相连，异或门的输出即为刷新模块的输出，其中振荡器用于提供高频刷新信号，异或门用于整合输入信号din与刷新信号。
39.输入信号din作为使能信号与上升沿调制模块相连，输入信号din为高电平时，上升沿调制模块正常工作，输出调制信号mod1至驱动模块；输入信号din为低电平时，上升沿调制模块不工作。
40.输入信号din作为使能信号与下降沿调制模块相连，输入信号din为低电平时，下降沿调制模块正常工作，输出调制信号mod2至驱动模块；输入信号din为高电平时，下降沿调制模块不工作。
41.解调单元3的连接关系为：采样放大模块的输入与两组片上变压器的副边相连，采样放大模块的输出分别与两组比较器的输入相连，两组比较器的输出与检波模块相连，检波模块的输出即为输出信号dout。
42.如图3所示，检波模块包括d触发器、包络检波器、与门、或门以及反相器，其中置位信号set与d触发器的clk端相连，复位信号rst经反相器后与d触发器的rst端相连，置位信号set与复位信号rst跟或门相连，或门的输出与包络检波器相连，包络检波器和d触发器的输出经与门后输出为dout信号。当系统正常工作时，输出信号dout由置位信号set和复位信号rst决定；当置位信号set出现脉冲时，输出信号dout翻转为高电平；当复位信号rst出现脉冲时，输出信号dout翻转为低电平；当系统掉电或长时间异常工作时，包络检波器输出翻转为低电平，此时输出dout也翻转为低电平，保障了系统的安全。
43.d触发器为上升沿触发，rst为低电平时，输出q直接翻转为低电平；rst为高电平时，d触发器正常工作。
44.包络检波器的传输延时可调，当系统掉电或工作异常一段时间后，包络检波器的输出翻转为低电平，以保障系统安全。
45.本发明磁耦数字隔离器的调制解调方法，包括以下步骤：
46.(1)调制模块整合输入信号和刷新信号，对整合后的信号进行调制，分别形成具有刷新信息的置位尖峰信号与复位尖峰信号；
47.(2)两组片上变压器实现调制模块和解调模块的电气隔离，并对调制后的信号进行耦合传输；
48.(3)解调模块对接收的尖峰信号进行采样放大并比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号；
49.(4)解调模块通过检波模块对标准逻辑电平的置位信号和复位信号进行整合，得到输出信号。
50.如图4所示，本发明磁耦数字隔离器的工作原理为：刷新模块整合输入信号din与高频刷新信号后输入至窄脉冲产生模块，窄脉冲产生模块根据其输入信号的上升沿产生标准逻辑的窄脉冲信号送往上升沿调制模块；根据其输入信号的下降沿产生标准逻辑的窄脉冲信号送往下降沿调制模块。在上升沿调制模块中，din信号充当使能作用，当din为高电平时，窄脉冲信号输出至驱动模块；din为低电平时，窄脉冲信号无效，输出为低电平。上升沿调制模块的输出即为调制信号mod1。在下降沿调制模块中，din信号充当使能作用，当din为低电平时，窄脉冲信号输出至驱动模块；din为高电平时，窄脉冲信号无效，输出为低电平。下降沿调制模块的输出即为调制信号mod2。两组脉冲信号分别传输至驱动模块，驱动模块提供强大的电流输出能力以驱动片上变压器，两组片上变压器分别对置位尖峰信号tx1和复位尖峰信号tx2进行隔离传输。解调模块对接收的两组尖峰信号进行采样与比较，还原出标准逻辑电平的置位信号set和复位信号rst。当置位信号set出现脉冲时，输出信号dout翻转为高电平；当复位信号rst出现脉冲时，输出信号dout翻转为低电平，由此完成检波输出。
51.上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，
熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种磁耦数字隔离器，其特征在于，包括调制单元、解调单元以及连接调制单元与解调单元的片上变压器，其中：所述调制单元用于对输入信号进行调制，分别生成具有刷新信息的置位尖峰信号和复位尖峰信号；所述片上变压器用于对上述两组尖峰信号进行隔离耦合传输；所述解调单元用于对接收到的两组尖峰信号进行采样放大及比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号，进而对置位信号和复位信号进行检波整合得到输出信号。2.根据权利要求1所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述调制单元包括刷新模块、窄脉冲产生模块、上升沿调制模块、下降沿调制模块以及驱动模块，其中刷新模块用于整合输入信号与高频刷新信号后产生预调制信号提供给窄脉冲产生模块，窄脉冲产生模块根据预调制信号的上升沿产生标准逻辑的窄脉冲信号x1提供给上升沿调制模块，根据预调制信号的下降沿产生标准逻辑的窄脉冲信号x2提供给下降沿调制模块；上升沿调制模块利用输入信号高电平对窄脉冲信号x1进行调制并通过一组驱动模块生成置位尖峰信号；下降沿调制模块利用输入信号低电平对窄脉冲信号x2进行调制并通过另一组驱动模块生成复位尖峰信号。3.根据权利要求2所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述刷新模块由振荡器和异或门组成，其中振荡器用于产生高频刷新信号，异或门的第一输入端接输入信号，第二输入端接高频刷新信号，输出端生成预调制信号。4.根据权利要求2所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述上升沿调制模块以输入信号作为使能信号，当输入信号为高电平时，上升沿调制模块正常工作，将窄脉冲信号x1输出至驱动模块；当输入信号为低电平时，上升沿调制模块不工作，输出为低电平。5.根据权利要求2所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述下降沿调制模块以输入信号作为使能信号，当输入信号为低电平时，下降沿调制模块正常工作，将窄脉冲信号x2输出至驱动模块；当输入信号为高电平时，下降沿调制模块不工作，输出为低电平。6.根据权利要求1所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述片上变压器包含有两组变压器t1和t2，t1原边绕组的一端接置位尖峰信号，t1原边绕组的另一端与t2原边绕组的一端相连并接地，t2原边绕组的另一端接复位尖峰信号，t1副边绕组的一端作为片上变压器的一输出端口，t1副边绕组的另一端与t2副边绕组的一端相连并接外部给定的共模电压，t2副边绕组的另一端作为片上变压器的另一输出端口。7.根据权利要求1所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述解调单元包括采样放大模块、高速比较器以及检波模块，其中采样放大模块用于对接收到的置位尖峰信号和复位尖峰信号进行采样放大，进而分别通过两组高速比较器比较生成置位信号和复位信号，检波模块对置位信号和复位信号进行检波整合得到输出信号。8.根据权利要求7所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述检波模块包括d触发器、包络检波器、与门、或门以及反相器，其中反相器的输入端与或门的第一输入端相连并接复位信号，或门的第二输入端与d触发器的时钟端相连并接置位信号，反相器的输出端与d触发器的复位端相连，d触发器的输入端接电源电压vdd，或门的输出端与包络检波器的输入端相连，与门的两个输入端分别接d触发器的输出端和包络检波器的输出端，与门的输出端生成输出信号。
9.根据权利要求8所述的磁耦数字隔离器，其特征在于：所述d触发器为上升沿触发，复位端为高电平时，d触发器正常工作；复位端为低电平时，输出端直接翻转为低电平；所述包络检波器的传输延时可调，即当系统掉电或工作异常一段时间后，包络检波器的输出才翻转为低电平，以保障系统安全。10.如权利要求1～9任一权利要求所述磁耦数字隔离器的调制解调方法，包括如下步骤：(1)利用调制单元整合输入信号和刷新信号，对整合后的信号进行调制，分别形成具有刷新信息的置位尖峰信号与复位尖峰信号；(2)利用片上变压器实现调制单元与解调单元的电气隔离，并对调制后的两组尖峰信号进行耦合传输；(3)利用解调单元对接收到的两组尖峰信号进行采样放大并比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号；(4)利用检波模块对置位信号和复位信号进行整合，得到输出信号。

技术总结
本发明公开了一种磁耦数字隔离器，包括调制单元、片上变压器和解调单元，调制单元包括刷新模块、窄脉冲产生模块、上升沿调制模块、下降沿调制模块和驱动模块，用于对输入信号进行边沿调制，生成具有刷新信息的置位尖峰信号和复位尖峰信号；片上变压器用于对两组尖峰信号进行隔离传输；解调单元包括采样放大模块、高速比较器和检波模块，用于接收两组尖峰信号并进行采样与比较，还原出标准逻辑电平的置位信号和复位信号，最终检波得到输出信号。本发明相较于传统的调制解调技术，具有更小的传输延时及更小的脉宽失真；通过整合输入信号与刷新信号，能够将输入信号的边沿调制为多个脉冲信号，增强了传输链路的抗干扰能力，提高了信号传输的可靠性。传输的可靠性。传输的可靠性。


技术研发人员：余金涛 何乐年 奚剑雄 何丹妮 汪涛
受保护的技术使用者：杭州悦芯微电子有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/12