一种高压电源中高低压隔离电路设计

吴文杰

（西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西 西安 710065）

1 引言

在X射线源中，高压电源为了产生稳定的高电压，通常采用采样反馈闭环控制的方式来实现，其中就需要对输出高压进行采样并传输给低压控制端。为了防止高低压之间信号相互影响，必须对采样的电压电气隔离输给低压端。目前，常见的隔离方式有：变压器隔离、电容隔离和光耦隔离。变压器隔离电压高，但是体积大，频带宽度有限；电容隔离转换效率高，但要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率；采用线性光耦可实现模拟信号隔离，而且通过合理设计隔离电路可以实现高精度的信号隔离。因此，本文采用线性光耦隔离方式对采样电压高低压端隔离传输。

2 线性光耦HCNR200

线性光耦HCNR200内部由一个发光二极管和两个光电二极管组成，内部结构图如图1所示。当外部给发光二极管LED提供电流后LED发光，两个光电二极管PD1、PD2接收到LED发出的光，分别产生反向电流IPD1、IPD2，两电流在芯片外部所接负载上产生电压。由于两个PD1、PD2制作工艺、参数都一样，所以IPD1、IPD2也一样，这样就可以抵消光电二极管非线性的缺点，从而达到线性隔离的目的。

图1 HCNR200内部结构图

3 隔离放大电路设计

由于X射线管的电源是高压小电流，电流为mA级，所以高压采样电路输入电阻应较大，流经的电流应很小，这样才能保证电路损耗小。文献中的光耦隔离电路流经的电流相比于X射线管负载电流都不容忽视，所以本文采用了一种输入电流较小的隔离放大电路，如图2所示,对该电路的电压转换关系进行理论推导。

图2 隔离电路原理图

设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2。运放U1负端电压为V1，输出电压为V0，在运放不饱和的情况下，有下面关系式：

其中：V00为运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益。

根据运放的“虚断”原理，可以认为流过PD1的电流IPD1等于流过R1的电流，由欧姆定律得：

流过LED的电流为：

根据光耦的特性有：

将（1）（2）（3）式带入（4）式可得：

上式经变形可得

将（1）（6）式代入（3）式：

考虑到G特别大，可以做以下近似：

后端运放U2为电压跟随器，根据运放“虚短”和“虚断”性质，有

将（4）式代入上式，取R2=R3有

K2=K3，所以Vout=Vin，输出电压和输入电压相等。

4 试验测试

对所设计的电路进行试验测试，用信号发生器提供频率为1kHz、幅度为0～5V的正弦波，如图3（a）所示。由于所用信号发生器是双极性输出，所以信号发生器显示幅度为0～2.5V，实际输出0～5V。测得输出信号波形如图3（b）所示。由图可知，输出信号波形和输入信号一样，实现了信号同比例输出。

图3 输入输出信号波形图

5 结语

本文设计的光耦隔离电路实现了输入信号按1:1同形隔离输出，可应用于X射线高压发生器采样反馈电路中高低压端隔离。文中隔离电路的设计理论及方法可推广到需要电气隔离的场合，如电压电流检测等领域。

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