一种电容隔离场效应管自驱动电路及方法与流程

本发明涉及一种采用电容隔离技术的plc输出场效应管自驱动电路，属于工业控制领域的输出驱动技术。

背景技术：

目前plc输出常规有继电器输出、可控硅输出和晶体管(含三极管和场效应管)输出三类。继电器输出一般常用于交流或直流高压、大电流驱动，缺点是体积较大，开关时间较长；可控硅输出只能用于交流驱动；晶体管输出则一般用于电压较低(≤48vdc)、电流相对较小(≤2a)场合。

晶体管输出分为三极管输出驱动和场效应管输出驱动。场效应管输出驱动可以做到导通压降非常小，功率损耗较小的优点，但由于场效应管门极电压较高，现有技术如果采用自驱动必然会导致导通压降过大，因此需要配备额外驱动电源，而一般的plc输出级是隔离的，额外提供隔离电源会增加技术方案的复杂程度和增加成本。三极管驱动输出则可以做到自驱动，无需提供额外驱动电源，输出导通压降较小(≤1.5v)，技术方案非常简洁。

对于plc应用，由于控制输出回路较多，常见的产品有6、8、12、18、24、32路输出，特别是12路以上输出的plc，其内部空间非常紧凑，每个输出回路可以占用的空间有限，输出驱动晶体管体积非常有限。实际上，较多路输出的plc产品，输出驱动三极管贴片封装的，一般无法选择大于sot-89封装的器件，也就是器件封装功率不大于0.5w。如何在有限条件下，提升输出驱动电流，降低输出驱动三极管功耗是个难题。该技术的实用新型已授权，授权公告号cn210038526u。

应用于plc的场效应管自驱动相关专利技术暂未发现。其他应用场合的类似技术有：授权公告号cn106787633b的发明专利《隔离驱动系统》(以下简称为“对比文件1”)和cn210157172u的实用新型专利《一种电容隔离驱动电路》(以下简称为“对比文件2”)，应用涉及开关电源的功率开关管驱动领域。

另外，在集成电路中，有公司采用电容隔离技术，国外有德州仪器(ti)，国内有荣湃半导体(上海)有限公司，相关文献资料“数字容性隔离器的磁场抗扰度”(以下简称“对比文件3”，作者：thomaskugelstadt，德州仪器(ti)高级应用工程师)，数据手册“2pai_π11xm1x_20200416_cn”(以下简称“对比文件4”，荣湃半导体相关器件数据手册)。

如图1所示，现有发明专利具备自驱动，电路简单，pcba上占用空间小，成本低廉等优势。但也只能应用于较高频率的连续或者离散脉冲驱动，例如开关电源的开关管驱动。无法满足plc应用领域0～200khz控制频率的需求。

如图2及图3所示，现有实用新型专利仅增强了图一技术方案的驱动能力，未扩大其工作频率范围。

综上，现有发明专利及现有实用新型专利的驱动信号为连续或者离散的脉冲，无需也无法驱动持续的导通信号或者低频脉冲信号(受限于隔离电容的容值可选择范围)，无法满足plc应用领域0～几百khz控制频率的需求。

现有公开技术对比文件3和对比文件4提及的电容隔离技术不存在上述限制，其可传送的信号频率范围可达0～几百mhz，例如荣湃半导体的产品“可实现1.5kvrms到5.0kvrms隔离耐压等级和dc到600mbps信号传输”。但是，无论是ti的技术还是荣湃的技术，其优势还在于信号传输，受限于硅片电容的容量，无法做到电容隔离的同时传送能量，因此，采用这些现有技术，必须配备隔离电源，无法做到单侧供电信号传输，传输信号所需的调制和解调分列隔离的两侧，单侧供电，只能调制无法解调，或者无法调制空有解调器正常工作。

技术实现要素：

本发明的目的是：采用较低频率的(例如0～200khz)驱动信号调制一个1mhz(或更高频率)载波信号的技术方案解决plc应用领域0～200khz控制频率的需求。

为了达到上述，本发明的一个技术方案是提供了一种plc输出场效应管自驱动电路，其特征在于，包括逻辑与门u1，低频率的控制信号do及高频率的载波信号f分别输入逻辑与门u1的两个输入端；逻辑与门u1的输出端与隔离电容c1的一端相连，隔离电容c1的另一端连接至整流二极管d1的阳极和箝位二极管d2的阴极；箝位二极管d2的阳极连接隔离电容c2的一端，隔离电容c2的另一端接地；整流二极管d1的阴极连接放电电阻r1的一端、储能电容c3的一端及输出场效应管q1的栅极；放电电阻r1的另一端、储能电容c3的另一端及输出场效应管q1的源极连接隔离电容c2的一端；输出场效应管q1的漏极及源极形成输出。

本发明的另一个技术方案是提供了一种plc输出场效应管自驱动方法，其特征在于，采用上述的plc输出场效应管自驱动电路，包括以下步骤：

控制信号do通过逻辑与门u1的一个输入端调制连到逻辑与门u1的另一个输入端的载波信号f输出到逻辑与门u1的输出端，经过隔离电容c1和隔离电容c2，施加到整流二极管d1阳极和箝位二极管d2两端，利用箝位二极管d2保证经过整流二极管d1的是正脉冲信号；

经过整流二极管d1的正脉冲信号在储能电容c3和放电电阻r1的作用下，在输出场效应管q1的栅极上维持一段时间的高电平，维持时间与放电电阻r1、储能电容c3和输出场效应管q1的输入电容ci有关，选择合适参数，使维持时间为1.5/f～2/f，以较好地响应控制信号，高电平维持期间即为输出场效应管q1的漏极与源极导通时段。

优选地，所述控制信号do为0～200khz的方波信号；所述载波信号f为频率至少为1mhz的方波信号。

本发明专利的有益效果是：在现有技术方案的基础上，增加一个简单的载波信号f(mcu的io口提供或简单反相器振荡产生，多路共用)和一个逻辑门u1，以及一个整流二极管d1和储能电容c3，可应用于plc场效应管自驱动输出，方案简单，成本低廉，元器件占用空间小，适合plc等高密度多输出回路的控制驱动需要。

特别是不需要隔离电源，减少了电路的复杂程度和降低成本。另外，采用场效应管驱动输出，相对于三极管驱动输出，可以降低驱动功耗，减少plc内部热源，有利于提高plc可靠性。

附图说明

图1为发明专利cn106787633b电路原理图(对比文件1之图4)；

图2为实用新型cn210157172u参考原理图之一(对比文件2之图1)；

图3为实用新型cn210157172u参考原理图之二(对比文件2之图2)；

图4为本发明技术电路原理图；

图5为实施例的控制端波形；

图6为实施例的驱动端波形；

图7为对比文件3《数字容性隔离器的磁场抗扰度》之图2；

图8为对比文件3《数字容性隔离器的磁场抗扰度》之图3；

图9为对比文件4数据手册“2pai_π11xm1x_20200416_cn”之图1。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图4所示，本发明的技术方案是在图1表述的现有技术方案基础上，在驱动控制端中加入一个逻辑与门u1和一个载波信号f，通过隔离电容c1和c2的信号除了现有方案的箝位二极管d2外，增加一个整流二极管d1和储能电容c3。

如图4所示，本发明提供的一种plc输出场效应管自驱动电路包括逻辑与门u1，低频率的控制信号do及高频率的载波信号f分别输入逻辑与门u1的输入端b、输入端a；逻辑与门u1的输出端y与隔离电容c1的一端相连，隔离电容c1的另一端连接至整流二极管d1的阳极和箝位二极管d2的阴极；箝位二极管d2的阳极连接隔离电容c2的一端，隔离电容c2的另一端接地；整流二极管d1的阴极连接放电电阻r1的一端、储能电容c3的一端及输出场效应管q1的栅极；放电电阻r1的另一端、储能电容c3的另一端及输出场效应管q1的源极连接隔离电容c2的一端；输出场效应管q1的漏极及源极形成输出od、com。

现有技术方案工作原理是：图1中的控制系统输出控制脉冲通过隔离电容c1和c2，施加到箝位二极管d1两端和电阻r1一端，d1箝位二极管保证经过r1上的是正脉冲，该正脉冲通过r1施加到驱动场效应管q1的栅极上，使得其在正脉冲期间漏极d与源极s导通。c1和c2的容量足够大的情况下，能较好的复制驱动控制端的控制脉冲波形。

本发明的工作原理是：图4中的控制信号do(例如0～200khz)通过逻辑与门u1的输入端b调制连到逻辑与门u1的输入端a的载波信号f(例如1mhz或更高)输出到逻辑与门u1的输出端y，经过隔离电容c1和c2，施加到整流二极管d1阳极和箝位二极管d2两端，箝位二极管d2作用是保证经过整流二极管d1的是正脉冲信号。经过整流二极管d1的正脉冲信号在储能电容c3和放电电阻r1的作用下，可以在输出场效应管q1的栅极g上维持一段时间的高电平，维持时间与放电电阻r1、储能电容c3和输出场效应管q1的输入电容ci有关，选择合适参数，使其为1.5/f～2/f，可以较好地响应控制信号，不产生较大的时延。高电平维持期间就是输出场效应管q1的漏极d与源极s导通时段。适当提高f有利于减小导通状态的时延。

本实施例子中，逻辑与门u1选用nc7s08(两输入与门)，载波信号f＝2mhz方波，控制信号do为100khz方波，输入端b和输出端y的输出波形见图5。

c1和c2＝4.7nf，c3＝470pf，r1＝1kω，d1和d2选用bat54，q1选用n沟道场效应管si2304。

整流二极管d1两端和输出场效应管q1的栅极源极gs之间的波形见图6。

r1和c3取值与f相关，输出场效应管q1的输入电容为ci，则时间常数τ＝r1×(c3+ci)≈1.5/f。

f提高到4mhz，减小r1和c3参数，do工作频率最高可达200khz以上。

本发明技术在对比文件1的发明基础上，加上合适的调制解调技术手段，较好的解决了信号传输与能量同步传送的前提下，信号传输频率范围扩展到直流的问题，使得对比文件1的发明技术应用领域从开关电源功率驱动扩展到自动控制设备(例如plc)的输出隔离驱动。