一种基于电荷检测的数字隔离器及其实现方法与流程

本发明实施例涉及隔离器，具体涉及一种基于电荷检测的数字隔离器及其实现方法。

背景技术：

1、隔离技术是为了将两个相互独立的系统在电气性能上完全隔离，防止电气能量泄露造成电路的损坏或安全事故。因此具有隔离技术的隔离芯片广泛应用于工业自动化控制、电机驱动、隔离总线、光伏逆变器、混合动力汽车等。

2、根据隔离介质的不同，数字隔离器可分为光耦隔离器、磁耦隔离器和电容隔离器。光耦隔离器优点是结构简单、低成本，缺点是器件易老化、传输延时高、速度慢、非线性等，只能在隔离要求不高的场合应用。随着集成电路发展，硅基技术因与cmos工艺兼容性高发展迅速，以磁耦隔离器和电容隔离器为代表的隔离产品赢得广泛关注，尺寸小、速度快、功耗低、性能极大的特点优越于光耦隔离器，逐步占领市场。磁耦隔离器主要是可高度集成的片上变压器，可以同时传输信号和功率，但面积较大，抗磁场干扰能力较弱，在追求小面积低成本场合应用中被限制，且隔离器芯片应用环境中大都存在强磁场、高浪涌、大噪声等非常严苛的条件。电容隔离器使用高压电容隔离面积小，抗磁场干扰能力强，符合应用需求，但无法传输信号功率，信号和噪声同一通道传输干扰较大，因此解决噪声干扰造成的信号误码备受关注。

3、现有电容隔离传输的信号调制方案主要有基于icoupler技术的脉冲信号调制方案、基于普通ook技术调制方案(如：高速电容隔离ook信号调制解调电路)以及基于脉冲信号和ook技术结合的调制方案(如一种基于efficient-ook的数字隔离器电路)。

4、如图1所示，对于基于icoupler技术的脉冲信号调制方案，将上升沿和下降沿分别调制为单、双脉冲进行区分传输，解码电路根据单、双脉冲的个数区分上升沿和下降沿，此方式的功耗较低，单通道成本较低。但是，单通道传输噪声抑制能力较差，易受到干扰形成误码，尽管可搭配刷新电路实时刷新信号防止误码，但刷新时间之内的干扰亦可能出现，无法完全规避，且刷新电路极大的增加了电路的复杂度。

5、对于同样是ook差分传输的技术方案中，“高速电容隔离ook信号调制解调电路”在信号编码侧采用环形震荡方式信号编码，在解码方案中采用全差分选频放大电路搭配全波检测器进行震荡信号包络检测实现信号解码。但是，由于采取差分电容传输方式，采用带通放大器的结构和对信号频率较为敏感，频率漂移易出现误码，且全差分的信号调制解调方式对电路匹配度要求极高，容易将共模干扰当成差模信号放大导致误码。如图2所示，传统ook技术将方波控制信号的高电平调制成震荡信号，低电平不调制，根据有无震荡信号分别产生高低电平；此技术当干扰信号出现在震荡信号中时无影响，但出现在低电平期间时会造成解码信号的误码；高电平期间不停震荡功耗较高。

6、如图3所示，而“一种基于efficient-ook的数字隔离器电路”采用脉冲和ook结合方式实现信号调制，编码侧和解码侧均设置了震荡器增大了电路功耗，虽然传输模式做了改进，首先进行边沿识别，再通过震荡电路分别将上升沿和下降沿调制为六个脉冲和四个脉冲，再于解码侧搭配全波检测器、计时器和同样频率的震荡器，以五个脉冲对应脉宽为基准识别上升沿和下降沿，从而解码信号。但其两侧振荡器一直处于工作状态，功耗依然很高。虽然采用双通道传输，但由于不是差分传输，对于共模噪声干扰无法屏蔽，若噪声出现在代表上升沿的四个脉冲或代表下降沿的六个脉冲附近，会造成误码。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供一种基于电荷检测的数字隔离器及其实现方法，以解决当前电容隔离传输的信号调制中无法完全规避干扰以及容易形成误码的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、根据本发明实施例的第一方面，本技术实施例提供了一种基于电荷检测的数字隔离器，所述数字隔离器包括：

4、信号编码模块，用于接收编码侧方波控制信号并编码为双边沿震荡信号；

5、双隔离通道，用于将所述双边沿震荡信号传输至解码侧；

6、信号解码模块，用于接收双隔离通道信号并解码为原始信号，得到解码侧方波控制信号；

7、所述信号编码模块包括：边沿检测单元、压控震荡单元、编码侧电荷检测单元；所述边沿检测单元用于提取所述编码侧方波控制信号的第一上升沿信息和第一下降沿信息；所述压控震荡单元用于将所述第一上升沿信息和第一下降沿信息分别编码为上升沿震荡信号和下降沿震荡信号；所述编码侧电荷检测单元用于检测所述上升沿震荡信号和所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量是否大于第一预设数量；当所述上升沿震荡信号的连续脉冲数量大于第一预设数量时，控制所述压控震荡单元对外输出所述上升沿震荡信号；当所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量大于第一预设数量时，控制所述压控震荡单元对外输出所述下降沿震荡信号。

8、进一步地，所述信号编码模块还包括：信号整形单元，用于接收编码侧方波控制信号，对所述编码侧方波控制信号进行整形并滤除干扰信号。

9、进一步地，所述边沿检测单元包括：

10、上升沿检测部分，用于检测所述编码侧方波控制信号的第一上升沿信息并产生第一单脉冲信号；所述第一单脉冲信号经过第一或门电路的第一输入端输入至第一d触发器的clk输入端，所述第一d触发器的q输出端接入d输入端，所述第一d触发器的q输出端连接至所述压控震荡单元的第一输入端，所述第一d触发器的r接入端用于上电复位；

11、下降沿检测部分，用于检测所述编码侧方波控制信号的第一下降沿信息并产生第二单脉冲信号；所述第二单脉冲信号经过第二或门电路的第一输入端输入至第二d触发器的clk输入端，所述第二d触发器的q输出端接入d输入端，所述第二d触发器的q输出端连接至所述压控震荡单元的第二输入端，所述第二d触发器的r接入端用于上电复位；

12、所述压控震荡单元设置有与所述第一输入端对应的第一输出端、与所述第二输入端对应的第二输出端以及第三输出端，所述第三输出端连接至所述编码侧电荷检测单元的电荷检测输入端，所述编码侧电荷检测单元的电荷检测输出端连接至所述第一或门电路or1和所述第二或门电路or2的第二输入端。

13、进一步地，所述信号编码模块还包括第一高通滤波单元和第二高通滤波单元，所述第一高通滤波单元包括：第一电容c1和第一电阻r1，所述第二高通滤波单元包括：第二电容c2和第二电阻r2，所述压控震荡单元通过第一输出端和第二输出端分别连接至所述第一电容c1和所述第二电容c2的一端，所述第一电容c1和所述第二电容c2的另一端对外分别形成所述第一高通滤波单元和所述第二高通滤波单元的输出端，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2的一端分别连接至所述第一电容c1和所述第二电容c2的另一端，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2的另一端接地。

14、进一步地，所述双隔离通道包括：第一高压隔离电容hc1、第二高压隔离电容hc2、第三高压隔离电容hc3和第四高压隔离电容hc4，所述第一高压隔离电容hc1和所述第三高压隔离电容hc3串联形成第一隔离通道，所述第二高压隔离电容hc2和所述第四高压隔离电容hc4串联形成第二隔离通道，所述第一高压隔离电容hc1和所述第三高压隔离电容hc3分别对外形成所述第一隔离通道的输入端和输出端，所述第二高压隔离电容hc2和所述第四高压隔离电容hc4分别对外形成所述第二隔离通道的输入端和输出端，第一隔离通道的输入端连接至所述第一高通滤波单元的输出端，所述第二隔离通道的输入端连接至所述第二高通滤波单元的输出端。

15、进一步地，所述信号解码模块包括：第一接口放大单元、第二接口放大单元、第一解码侧电荷检测单元、第二解码侧电荷检测单元、rs触发器；所述第一隔离通道的输出端依次经所述第一接口放大单元、第一解码侧电荷检测单元连接至所述rs触发器的r输入端，所述第二隔离通道的输出端依次经所述第二接口放大单元、第二解码侧电荷检测单元连接至所述rs触发器的s输入端，所述rs触发器的q输出端对外形成所述信号解码模块的输出端；

16、所述双隔离通道信号中的上升沿震荡信号经所述第一接口放大单元输入所述第一解码侧电荷检测单元，所述第一解码侧电荷检测单元用于检测所述上升沿震荡信号的连续脉冲数量是否大于第二预设数量；当所述上升沿震荡信号的连续脉冲数量大于第二预设数量时，通过所述r输入端向所述rs触发器输入第二上升沿信息；

17、所述双隔离通道信号中的下降沿震荡信号经所述第二接口放大单元输入所述第二解码侧电荷检测单元，所述第二解码侧电荷检测单元用于检测所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量是否大于第二预设数量；当所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量大于第二预设数量时，通过所述s输入端向所述rs触发器输入第二下降沿信息；

18、所述rs触发器用于基于收到的所述第二上升沿信息和所述第二下降沿信息得到解码侧方波控制信号。

19、进一步地，所述第一预设数量和所述第二预设数量均为4。

20、进一步地，所述第一接口放大单元和所述第二接口放大单元均包括：第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6和第一施密特触发器smt1，所述第五电阻r5和所述第六电阻r6的一端接地，所述第三电阻r3一端与所述第五电阻r5另一端串联，所述第四电阻r4一端与所述第六电阻r6另一端串联，所述第三电阻r3和所述第四电阻r4的另一端连接在一起，所述第一nmos管mn1、所述第二nmos管mn2、所述第三nmos管mn3、所述第四nmos管mn4的源极连接在一起并接地，所述第一nmos管mn1的栅极连接至所述第四nmos管mn4的栅极，所述第二nmos管mn2的栅极连接至所述第三电阻r3与所述第五电阻r5之间的第一连接点，所述第一连接点对外形成解码侧震荡信号接收端，所述第三nmos管mn3的栅极连接至所述第四电阻r4与所述第六电阻r6之间的第二连接点，所述第一pmos管mp1、所述第二pmos管mp2、所述第三pmos管mp3、所述第四pmos管mp4、所述第五pmos管mp5、所述第六pmos管mp6的源极连接至所述第三电阻r3和所述第四电阻r4的另一端，所述第一pmos管mp1的漏极连接至所述第一nmos管mn1的漏极，所述第一pmos管mp1的栅极连接至所述第二pmos管mp2的栅极，所述第二pmos管mp2和所述第三pmos管mp3的漏极连接至所述第二nmos管mn2的漏极并形成第一交叉点，所述第一交叉点连接至所述第一pmos管mp1的栅极与所述第二pmos管mp2的栅极之间的第三连接点，所述第四pmos管mp4和所述第五pmos管mp5的漏极连接至所述第三nmos管mn3的漏极并形成第二交叉点，所述第五pmos管mp5的栅极连接至所述第六pmos管mp6的栅极，所述第二交叉点连接至所述第五pmos管mp5的栅极与所述第六pmos管mp6的栅极之间的第四连接点，所述第三pmos管mp3的栅极连接至所述第二交叉点，所述第四pmos管mp4的栅极连接至所述第一交叉点，所述第六pmos管mp6的漏极连接至所述第四nmos管mn4的漏极，所述第一施密特触发器smt1的输入端连接至所述第六pmos管mp6的漏极与所述第四nmos管mn4的漏极之间的第五连接点。

21、进一步地，所述编码侧电荷检测单元、所述第一解码侧电荷检测单元、所述第二解码侧电荷检测单元均包括：第一反相器inv1、第二反相器inv2、第三反相器inv3、第三d触发器dff3、第四d触发器dff4、第一传输门tg1、第二传输门tg2、缓冲器buffer、第七电阻r7、第三电容c3、第七pmos管mp7、第二施密特触发器smt2，所述第一反相器inv1的输入端对外形成电荷检测输入端，所述第一反相器inv1和所述第二反相器inv2串联，所述第一反相器inv1和所述第二反相器inv2的输出端分别连接至所述第四d触发器dff4和所述第三d触发器dff3的clk输入端，所述第三d触发器dff3的d输入端连接第一电源，所述第四d触发器dff4的d输入端接地，所述第三d触发器dff3和所述第四d触发器dff4的q输出端分别连接至所述第一传输门tg1和所述第二传输门tg2的输入端，所述第一传输门tg1和所述第二传输门tg2的输出端连接至所述缓冲器buffer的输入端，所述第一传输门tg1的第二控制端连接至所述第二传输门tg2的第一控制端，所述第二传输门tg2的第二控制端连接至所述第一传输门tg1的第一控制端，所述第一反相器inv1的输出端连接至所述第二传输门tg2的第一控制端，所述第二反相器inv2的输出端连接至所述第一传输门tg1的第一控制端，所述缓冲器buffer的输出端一路经所述第三反相器inv3连接至所述第七pmos管mp7的栅极，所述第七pmos管mp7的源极连接至第二电源，所述第七pmos管mp7的漏极经所述第三电容c3接地，所述缓冲器buffer的输出端另一路经所述第七电阻r7连接至所述第三电容c3的接地一端，所述第二施密特触发器smt2的输入端连接至所述第七pmos管mp7的漏极与所述第三电容c3之间的第六连接点，所述第二施密特触发器smt2的输出端对外形成电荷检测输出端。

22、根据本发明实施例的第二方面，本技术实施例提供了一种基于电荷检测的数字隔离器的实现方法，所述方法包括：

23、由信号编码模块接收编码侧方波控制信号并编码为双边沿震荡信号；

24、由双隔离通道将所述双边沿震荡信号传输至解码侧；

25、由信号解码模块接收双隔离通道信号并解码为原始信号，得到解码侧方波控制信号；

26、所述信号编码模块包括：边沿检测单元、压控震荡单元、编码侧电荷检测单元；所述边沿检测单元用于提取所述编码侧方波控制信号的第一上升沿信息和第一下降沿信息；所述压控震荡单元用于将所述第一上升沿信息和第一下降沿信息分别编码为上升沿震荡信号和下降沿震荡信号；所述编码侧电荷检测单元用于检测所述上升沿震荡信号和所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量是否大于第一预设数量；当所述上升沿震荡信号的连续脉冲数量大于第一预设数量时，控制所述压控震荡单元对外输出所述上升沿震荡信号；当所述下降沿震荡信号的连续脉冲数量大于第一预设数量时，控制所述压控震荡单元对外输出所述下降沿震荡信号。

27、与现有技术相比，本技术实施例提供的一种基于电荷检测的数字隔离器及其实现方法，采用双通道相互独立的高压电容隔离，分别传输上升沿震荡信号和下降沿震荡信号，相对于差分通道无匹配性要求；信号编码侧和信号解码侧均搭配了相互独立的双通道电荷检测电路，编码侧电荷检测单元用于通过电荷检测控制压控震荡单元工作，检测到连续的第一预设数量的脉冲翻转高电平并终止压控震荡单元工作，否则为低电平；解码侧电荷检测单元用于检测连续的第二预设数量的脉冲并产生用于rs触发器的置位/复位信号，恢复原始信号。此方式无视了干扰信号对震荡信号频率的影响，极大的提升了信号解调的正确性和可靠性，且相对于现有ook调制技术功耗大大降低，信号传播延时和失真度较小，可完成信号的低延时、低失真、低功耗、高速传输。