[发明专利]一种两线制信号隔离传输电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种两线制信号隔离传输电路。

背景技术

在工业上应用的信号检测和控制系统中，经常需要进行检测现场到控制设备的远距离信号传输。现有的信号传输方式一般有两线制、三线制和四线制信号传输方式。四线制采用信号和电源分开传输即两根线传输电源，两根线传输信号。三线制也是采用信号和电源分开传输但是信号端口和电源端口共地线，因此只要三根线即可传输电源和信号。两线制则采用两根线同时传输信号和电源能量。在进行远距离信号传输的应用中由于两线制传输方式只需要两根传输线，比其他传输方式节省信号传输材料，因此得到广泛应用。

两线制传输方式之所以可以用两根线同时传输电源和信号，是因为在远距离信号传输应用中传输的标准信号类型为4～20mA的电流信号。两线制信号传输系统如图1所示。这里将两根两线制信号传输线上的电压差称为两线制信号电压。将两线制信号线上传输的电流称为两线制信号电流。两线制转换器根据传感器的信号调节两线制转换器在两线制信号线上的负载，从而调节了两线制信号电流，实现了电流信号从两线制转换器到控制系统的传输。由于控制系统通过信号线同时向两线制转换器传输了电压和电流，也就等于传输了能量。由于传输的信号电流最小为4mA，在提高两线制信号电压的情况下就可以提高控制系统传输到两线制转化器里的能量。当这个最小的能量满足了两线制转换器的供能需求时就实现了电源传输。

目前常用的两线制转换器是采用TI的XTR115和XTR116或者是他们的分立元器件自搭方案。XTR115和XTR116的内部电路示意图如图2所示。该电路可以实现传感器和两线制信号传输电路之间的信号和能量转换。由于两线制应用于工业现场的远距离信号传输，应用环境中存在静电等各种不缺定的电击风险。因此在传输接口上一般需要进行电气隔离处理。在控制系统端口由于有控制系统直接供电，因此有很多现有方案可以很好的实现电气隔离。但是在检测系统端口，由于能量传输受限制并且和信号传输同步进行，因此难以同时实现能量的高效传输和信号的高精度传输。本发明所要讨论的两线制信号隔离传输方案所指的正是检测端两线制信号的隔离传输方案。

目前业内称为两线制信号隔离传输的方案有两种。其中有一种为了解决电源能量问题，需要额外的电源提供能量，只实现了信号的两线制传输。这种方案实质上需要第三根线传输电源，因此不是本发明所要讨论的两线制传输方案。目前真正实现了两线制检测端信号隔离的方案只有一种。该方案如图3所示，在传感器和两线制转换器将检测信号转换为4～20mA的传输信号后通过一个无源电流信号隔离变送器将信号隔离传输到两线制电路中。

在现有的两线制信号隔离传输方案中，由于无源信号隔离变送器既要隔离传输电流信号，又要隔离传输电源，因此往往存在电流信号精度低，电源能量损耗大的问题。要实现4～20mA电流信号的无源隔离传输必须采用变压器电流比反比于匝比的特性实现磁电隔离。这里影响电流传输精度的因素有两个：一是变压器的漏感，二是磁芯的铁损。为了降低变压器的漏感，保证耦合系数，就必须使用没有气隙且高磁导率的磁芯并提高变压器的绕组圈数。为了降低变压器的铁损，就必须要使用低损耗系数的磁芯并提高变压器的工作频率和绕组圈数。然而由于磁芯材质的固有特性，在相同材料成本下，高磁导率往往意味着高损耗系数。变压器的绕组之间不可避免的会存在寄生电容，而且绕组圈数越多，寄生电容就会越大。这时如果变压器的工作频率提高，那么信号线上的电流就会直接从变压器绕组的寄生电容上流过而不通过变压器绕组。这时变压器的电流信号传输精度就会大大降低。因此在无源电流信号隔离传输的过程中，变压器的磁芯磁导率、绕组圈数和工作频率对信号传输精度的影响是相互矛盾的。由于电流信号实现的是无源传输，不存在可以进行信号精度校准的条件，这就决定了无源电流信号隔离传输的精度无法做的很高。