一种数据传输的隔离电源及数据隔离传输方法与流程

1.本发明涉及可关断器件驱动技术领域，具体涉及一种数据传输的隔离电源及数据隔离传输方法。


背景技术：

2.以igbt、mosfet为代表的半导体可关断器件是电力电子功率变换装置的关键核心元件，广泛应用于小型家电、电动汽车、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。
3.驱动控制电路作为信号的传递和实施载体，能够自动接收和转换控制器件的信号，控制可关断器件的开通和关断以及保护电子器件，优化器件的使用性能。主电路用于为可关断器件提供驱动电源。
4.在实际应用中，驱动控制电路与主电路独立运行，并通过各自的电路进行功率及数据传输。然而该电路结构无疑增加了器件的使用数量，提高了生产成本。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中由于驱动控制电路与主电路独立运行导致生产成本高的缺陷，从而提供一种数据传输的隔离电源及数据隔离传输方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提供一种数据传输的隔离电源，包括：数据编码控制器、pwm(pulse width modulation，脉宽调制)变换器及数据译码器，其中，
8.所述数据编码控制器的输出端与所述pwm变换器的输入端连接，所述pwm变换器的输出端与所述数据译码器的输入端连接；
9.所述数据编码控制器用于根据待传输数据生成pwm控制信号，且根据预设输出电压调节所述pwm控制信号的占空比；
10.所述pwm变换器用于根据所述pwm控制信号将输入电压变换为所述预设输出电压输出；
11.所述数据译码器用于采集所述预设输出电压，对所述预设输出电压进行译码处理，还原所述待传输数据。
12.可选地，所述pwm变换器，包括：正激变换器或反激变换器或推挽变换器或半桥变换器或全桥变换器。
13.可选地，在所述pwm变换器包括所述反激变换器时，所述反激变换器，包括：反激变压器、第一开关模块、第一电容及第一二极管，其中，
14.所述反激变压器的原边侧同名端外接输入电压，所述反激变压器的原边侧异名端与所述第一开关模块的第一端连接，所述反激变压器的副边侧异名端通过所述第一二极管与所述第一电容的一端连接并输出所述预设输出电压，所述反激变压器的副边侧同名端与所述第一电容的另一端连接后接地；
15.所述第一开关模块的控制端与所述数据编码控制器的输出端连接，所述第一开关模块的第二端接地；
16.所述反激变压器的副边侧两端还与所述数据译码器的两端连接。
17.可选地，在所述pwm变换器包括所述推挽变换器时，所述推挽变换器，包括：三绕组变压器、第二开关模块、第三开关模块、第二电容及整流桥，其中，
18.所述三绕组变压器原边侧第一绕组异名端与所述第二开关模块的第一端连接，所述三绕组变压器原边侧第一绕组同名端及所述三绕组变压器原边侧第二绕组异名端均外接输入电压，所述三绕组变压器原边侧第二绕组同名端与所述第三开关模块的第一端连接，所述三绕组变压器副边侧同名端与所述整流桥的第一输入端连接，所述三绕组变压器副边侧异名端与所述整流桥的第二输入端连接，所述整流桥的第一输出端与所述第二电容的一端连接并输出所述预设输出电压，所述整流桥的第二输出端与所述第二电容的另一端连接后接地；
19.所述第二开关模块的控制端与所述数据编码控制器的第一输出端连接，所述第二开关模块的第二端接地；
20.所述第三开关模块的控制端与所述数据编码控制器的第二输出端连接，所述第三开关模块的第二端接地；
21.所述三绕组变压器的副边侧两端还与所述数据译码器的两端连接。
22.第二方面，本发明实施例提供一种数据隔离传输方法，应用于本发明实施例第一方面所述的数据传输的隔离电源，所述数据隔离传输方法包括：
23.根据曼彻斯特编码规则，将待传输数据转化为pwm控制信号，且根据预设输出电压调节所述pwm控制信号的占空比；
24.根据所述pwm控制信号将输入电压变换为所述预设输出电压输出；
25.采集所述预设输出电压，利用曼彻斯特编码规则对所述预设输出电压进行译码处理，还原所述待传输数据。
26.可选地，所述pwm控制信号的每个周期与所述待传输数据中的每位数据一一对应，所述根据曼彻斯特编码规则，将待传输数据转化为pwm控制信号，包括：
27.对于所述待传输数据中的数据“0”，将所述pwm控制信号在与该位数据对应的周期内由高电平变为低电平；
28.对于所述待传输数据中的数据“1”，将所述pwm控制信号在与该位数据对应的周期内由低电平变为高电平。
29.可选地，所述利用所述曼彻斯特编码规则对所述预设输出电压进行译码处理，还原所述待传输数据，包括：
30.对于所述预设输出电压由高电平变为低电平的周期，将所述预设输出电压还原为所述待传输数据中的数据“0”；
31.对于所述预设输出电压由低电平变为高电平的周期，将所述预设输出电压还原为所述待传输数据中的数据“1”。
32.第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的数据隔离传输方法。
33.第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例第一方面所述的数据隔离传输方法。
34.本发明技术方案，具有如下优点：
35.本发明提供的一种数据传输的隔离电源，包括：数据编码控制器、pwm变换器及数据译码器，其中，数据编码控制器的输出端与pwm变换器的输入端连接，pwm变换器的输出端与数据译码器的输入端连接；数据编码控制器用于根据待传输数据生成pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比；pwm变换器用于根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出；数据译码器用于采集预设输出电压，对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据。通过数据编码控制器生成占空比可调的pwm控制信号，进而根据pwm控制信号控制pwm变换器实现电能的传输。同时利用数据译码器对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据，通过对pwm变换器的复用，实现了功率和数据传输的同步传输，减少了隔离器件的使用数量。
36.本发明提供的一种数据隔离传输方法，包括：根据曼彻斯特编码规则，将待传输数据转化为pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比；根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出；采集预设输出电压，对预设输出电压进行译码处理，利用曼彻斯特编码规则还原待传输数据。通过根据曼彻斯特编码规则，生成占空比可调的pwm控制信号，进而根据pwm控制信号控制pwm变换器实现电能的传输。同时对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据，通过对pwm变换器的复用，实现了功率和数据传输的同步传输，减少了隔离器件的使用数量。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例中数据传输的隔离电源的一个具体示例的原理框图；
39.图2为本发明实施例中基于曼彻斯特编码的数据编码pwm波形；
40.图3为本发明实施例中反激变换器拓扑的数据隔离电源；
41.图4为本发明实施例中反激变压器拓扑下数据传输关键波形；
42.图5为本发明实施例中推挽变换器拓扑的数据隔离电源；
43.图6为本发明实施例中推挽变换器拓扑下数据传输关键波形；
44.图7为本发明实施例中数据隔离传输方法的一个具体示例的流程图；
45.图8为本发明中提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
46.附图标记：
47.1-数据编码控制器；2-pwm变换器；3-数据译码器；t1-反激变压器；q1-第一开关模块；c1-第一电容；d1第一二极管；t2-三绕组变压器；q2-第二开关模块；q3-第三开关模块；c2-第二电容；db-整流桥；vin-输入电压；vout-预设输出电压。
具体实施方式
48.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
52.目前电源隔离一般为单向的，即将电能从电源输入端通过隔离的变换器传送至驱动端。信号隔离需要将驱动控制信号和运行模式等数据从信号侧传送至功率侧。信号隔离方式主要采用光隔离、电容隔离和脉冲变压器隔离，均与电源隔离独立。这就导致必须考虑控制信号与功率部分的电气隔离。
53.为避免增加隔离器件，本发明实施例提供一种数据传输的隔离电源。如图1所示，包括：数据编码控制器1、pwm变换器2及数据译码器3，其中，数据编码控制器1的输出端与pwm变换器2的输入端连接，pwm变换器2的输出端与数据译码器3的输入端连接。
54.在一具体实施例中，数据编码控制器1用于根据待传输数据生成pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比。pwm变换器2用于根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出。数据译码器3用于采集预设输出电压，对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据。
55.在本发明实施例中，根据曼彻斯特编码规则和pwm变换器2所需占空比，数据编码控制器1将待传输数据转化为pwm控制信号。每个开关周期对应1位数据，对于数据“0”，在该周期内由高电平变为低电平；对于数据“1”，在该周期内由低电平变为高电平。无论是数据“0”还是数据“1”，高电平在周期内的占比均为占空比，如图2所示。进一步地，pwm控制信号为固定周期的方波信号，根据预设输出电压调节高电平在开关周期内的时间占比，即占空比。在本发明实施例中，预设输出电压根据接入主电路中的目标驱动器件确定，预设输出电压即为目标驱动器件的驱动电压。
56.进一步地，pwm变换器2包含开关管、隔离变压器以及其他无源器件，其输出电压由开关管的pwm控制信号决定。开关管可以是mosfet、igbt、sic、gan等全控型半导体器件。具体地，pwm变换器2的拓扑结构，可以为正激变换器、反激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器等。该电源通过对隔离变压器的复用，能够实现功率和数据传输，减少了隔离器件的使用数量。并且，通过对隔离变压器的复用，能够同步实现电源隔离和信号隔离，解决
了控制电路与主电路之间电位差异大的问题。
57.进一步地，数据编码控制器1产生的pwm控制信号控制开关管的开通关断实现电能的传输，在隔离变压器的副边生成相同逻辑的电压方波。数据译码器3采集该电压方波，利用曼彻斯特编码规则进行译码，还原传输的数据，从而实现数据的传输。
58.本发明提供的一种数据传输的隔离电源，包括：数据编码控制器、pwm变换器及数据译码器，其中，数据编码控制器的输出端与pwm变换器的输入端连接，pwm变换器的输出端与数据译码器的输入端连接；数据编码控制器用于根据待传输数据生成pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比；pwm变换器用于根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出；数据译码器用于采集预设输出电压，对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据。通过数据编码控制器生成占空比可调的pwm控制信号，进而根据pwm控制信号控制pwm变换器实现电能的传输。同时利用数据译码器对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据，通过对pwm变换器的复用，实现了功率和数据传输的同步传输，减少了隔离器件的使用数量。
59.在一实施例中，如图3所示，在pwm变换器包括反激变换器时，反激变换器，包括：反激变压器t1、第一开关模块q1、第一电容c1及第一二极管d1。
60.在一具体实施例中，反激变压器t1的原边侧同名端外接输入电压vin，反激变压器t1的原边侧异名端与第一开关模块q1的第一端连接，反激变压器t1的副边侧异名端通过第一二极管d1与第一电容c1的一端连接并输出预设输出电压vout，反激变压器t1的副边侧同名端与第一电容c1的另一端连接后接地；第一开关模块q1的控制端与数据编码控制器1的输出端连接，第一开关模块q1的第二端接地；反激变压器t1的副边侧两端还与数据译码器3的两端连接。
61.在本发明实施例中，第一开关模块q1包括场效应管及与场效应管反并联连接的二极管。其中，场效应管为n沟道mosfet。具体地，场效应管的漏极与反激变压器t1的原边侧异名端连接，场效应管的栅极与数据编码控制器1的输出端连接，场效应管的源极接地。
62.进一步地，数据编码控制器1根据曼彻斯特编码规则和占空比将所待传输数据产生pwm控制信号，送至第一开关模块q1的栅极以控制其导通和关断。在反激变压器t1的原边产生与pwm控制信号反相的电压波形。而根据反激变压器t1的同名端和反激变压器t1特性，反激变压器t1副边的电压波形与原边相位相反，即与pwm控制信号同相。数据译码器3通过检测反激变压器t1的副边电压波形的高低电平逻辑，进行解码。占空比根据输入输出电压而定，可以调节其大小而不会影响数据传输的准确性。关键波形见图4。在本发明实施例中，通过对反激变压器t1的复用，能够实现功率和数据传输，减少隔离器件的使用数量，降低了生产成本。
63.在一实施例中，如图5所示，在pwm变换器包括推挽变换器时，推挽变换器，包括：三绕组变压器t2、第二开关模块q2、第三开关模块q3、第二电容c2及整流桥db。
64.在一具体实施例中，如图5所示，三绕组变压器t2原边侧第一绕组异名端与第二开关模块q2的第一端连接，三绕组变压器t2原边侧第一绕组同名端及三绕组变压器t2原边侧第二绕组异名端均外接输入电压vin，三绕组变压器t2原边侧第二绕组同名端与第三开关模块q3的第一端连接，三绕组变压器t2副边侧同名端与整流桥db的第一输入端连接，三绕组变压器t2副边侧异名端与整流桥db的第二输入端连接，整流桥db的第一输出端与第二电
容c2的一端连接并输出预设输出电压vout，整流桥db的第二输出端与第二电容c2的另一端连接后接地；第二开关模块q2的控制端与数据编码控制器1的第一输出端连接，第二开关模块q2的第二端接地；第三开关模块q3的控制端与数据编码控制器1的第二输出端连接，第三开关模块q3的第二端接地；三绕组变压器t2的副边侧两端还与数据译码器3的两端连接。
65.在本发明实施例中，整流桥db由4个二极管构成。第二开关模块q2及第三开关模块q3均包括场效应管及与场效应管反并联连接的二极管。其中，场效应管为n沟道mosfet。具体地，第二开关模块q2中场效应管的漏极与三绕组变压器t2原边侧第一绕组异名端连接，其栅极与数据编码控制器1的第一输出端连接，其源极接地。第三开关模块q3中场效应管的漏极与三绕组变压器t2原边侧第二绕组同名端连接，其栅极与数据编码控制器1的第二输出端连接，其源极接地。
66.进一步地，数据编码控制器1为第二开关模块q2和第三开关模块q3提供pwm控制信号，两路pwm控制信号均为50％占空比，且两路控制信号互补。根据图5中三绕组变压器t2的同名端设置，其副边电压波形与第二开关模块q2的驱动信号同相位，因此数据编码控制器1将数据编码后的pwm控制信号送至第二开关模块q2，而将反相信号送至第三开关模块q3。数据译码器3采集三绕组变压器t2的副边电压，并对波形进行逻辑处理还原为原始数据。关键波形见图6。在本发明实施例中，通过对三绕组变压器t2的复用，能够实现功率和数据传输。
67.本发明实施例提供一种数据隔离传输方法，应用于上述数据传输的隔离电源。如图7所示，数据隔离传输方法包括如下步骤：
68.步骤s1：根据曼彻斯特编码规则，将待传输数据转化为pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比。
69.步骤s2：根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出。
70.步骤s3：采集预设输出电压，利用曼彻斯特编码规则对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据。
71.在一具体实施例中，根据曼彻斯特编码规则和pwm变换器2所需占空比，数据编码控制器1将待传输数据转化为pwm控制信号。pwm控制信号的每个周期与待传输数据中的每位数据一一对应，对于待传输数据中的数据“0”，将pwm控制信号在与该位数据对应的周期内由高电平变为低电平；对于待传输数据中的数据“1”，将pwm控制信号在与该位数据对应的周期内由低电平变为高电平。无论是数据“0”还是数据“1”，高电平在周期内的占比均为占空比，如图2所示。进一步地，pwm控制信号为固定周期的方波信号，根据预设输出电压调节高电平在开关周期内的时间占比，即占空比。
72.进一步地，数据编码控制器1产生的pwm控制信号，通过控制pwm变换器2中开关管的开通关断实现电能的传输，在控制pwm变换器2中隔离变压器的副边生成相同逻辑的电压方波。数据译码器3采集该电压方波，利用曼彻斯特编码规则进行译码，还原传输的数据，从而实现数据的传输。
73.具体地，在数据译码器3利用曼彻斯特编码规则进行译码，还原传输的数据时，对于预设输出电压由高电平变为低电平的周期，将预设输出电压还原为待传输数据中的数据“0”；对于预设输出电压由低电平变为高电平的周期，将预设输出电压还原为待传输数据中的数据“1”。
74.本发明提供的一种数据隔离传输方法，包括：根据曼彻斯特编码规则，待传输数据
转化为pwm控制信号，且根据预设输出电压调节pwm控制信号的占空比；根据pwm控制信号将输入电压变换为预设输出电压输出；采集预设输出电压，利用曼彻斯特编码规则对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据。通过根据曼彻斯特编码规则，生成占空比可调的pwm控制信号，进而根据pwm控制信号控制pwm变换器实现电能的传输。同时对预设输出电压进行译码处理，还原待传输数据，通过对pwm变换器的复用，实现了功率和数据传输的同步传输，减少了隔离器件的使用数量。
75.本发明实施例提供一种计算机设备，如图8所示，该设备可以包括处理器81和存储器82，其中处理器81和存储器82可以通过总线或者其他方式连接，图8以通过总线连接为例。
76.处理器81可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器81还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
77.存储器82作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器81通过运行存储在存储器82中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的数据隔离传输方法。
78.存储器82可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器81所创建的数据等。此外，存储器82可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器82可选包括相对于处理器81远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器81。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。
79.一个或者多个模块存储在存储器82中，当被处理器81执行时，执行如图7所示实施例中的数据隔离传输方法。
80.上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1-图7所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
81.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
82.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。