電力電子裝置中模擬信號(hào)隔離傳輸及其串行D/A的實(shí)現(xiàn)

摘要：探討了電力電子裝置開關(guān)電源中模擬信號(hào)隔離傳輸?shù)囊饬x及各種實(shí)現(xiàn)手段，在全面分析比較的基礎(chǔ)上提出了串行D/A數(shù)字隔離傳送的方法，并通過在數(shù)控開關(guān)電源中的典型運(yùn)用的分析與實(shí)驗(yàn)表明該方法可行，能夠用于電力電子裝置的精確控制。

關(guān)鍵詞：隔離傳送；模擬信號(hào)；串行D/A接口

0    引言

    在電力電子裝置中，經(jīng)常需要在兩個(gè)不同的模塊之間傳送模擬信號(hào)，并且要保證安全可靠地傳送。通常兩個(gè)不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏，比如電機(jī)控制中的隔離電樞電流和電壓傳感器，電動(dòng)機(jī)地與控制系統(tǒng)地的隔離等。特別在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號(hào)，而運(yùn)行于高頻開關(guān)狀態(tài)的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強(qiáng)電磁干擾串到微機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，并降低EMI和工頻干擾，在信號(hào)傳送的時(shí)候需要嚴(yán)格隔離。在工業(yè)過程控制與測(cè)量系統(tǒng)中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術(shù)，如熱電偶、壓力電橋、應(yīng)變計(jì)、傳感器的數(shù)據(jù)隔離放大均是例子。因此，研究精確可靠的傳輸方案對(duì)于保證系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。本文以數(shù)控精密高頻開關(guān)逆變電源系統(tǒng)為例，研究了電力電子裝置中模擬信號(hào)的精確隔離傳輸?shù)姆椒ā?

1    隔離傳輸方法及其比較

    實(shí)現(xiàn)電氣上隔離的方法從耦合方式來看，可以分為磁耦合隔離方法、光電耦合隔離方法、電容耦合隔離方法等。

    磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。圖1所示的是AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，是一個(gè)典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)將直流或交流信號(hào)通過變壓器耦合到輸出級(jí)，輸入級(jí)內(nèi)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放作為信號(hào)預(yù)處理，可進(jìn)行緩沖、濾波等功能。輸出級(jí)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側(cè)的運(yùn)放、調(diào)制器或其他電路。

圖1    AD202內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

    另外，還有三點(diǎn)隔離的變壓器耦合隔離放大器，如BB公司的3656,可以實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)和輸出級(jí)隔離，而且供電電源與放大器隔離，真正實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和電源完全隔離。

    電容耦合隔離方法是比較先進(jìn)的，采用了頻率調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)輸入電壓數(shù)字編碼和差動(dòng)電容勢(shì)壘耦合，準(zhǔn)確地隔離和傳輸模擬信號(hào)。圖2所示的是BB公司電容耦合隔離放大器ISO122的框圖，隔離放大器輸入和輸出之間通過2個(gè)1pF的隔離電容進(jìn)行信號(hào)耦合。在調(diào)制端，輸入放大器對(duì)輸入電流和一個(gè)可切換的電流源之間的差值進(jìn)行積分。假設(shè)V_IN為0V，積分器將以單向的斜率上升直到超過比較器的閾值。內(nèi)部的壓控振蕩器使電流源以500kHz的頻率切換，輸出調(diào)制的數(shù)字電平以差動(dòng)形式加在勢(shì)壘電容上。同時(shí)外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放大器檢測(cè)出來的差動(dòng)信號(hào)作為另一個(gè)電流源到積分器A₂的切換控制，信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生一個(gè)平均值等于V_IN的V_OUT，經(jīng)過低通濾波器濾掉余下的載波噪聲之后，就成為隔離放大器的輸出。

圖2    ISO122內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    由于采用了數(shù)字化調(diào)制手段，隔離柵的性能不會(huì)影響到模擬信號(hào)的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。

    光電耦合器是通過光信號(hào)的傳送實(shí)現(xiàn)耦合的，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系，具有很強(qiáng)的隔離作用，在實(shí)際中應(yīng)用很廣泛。光電耦合器件具有非線性電流傳輸?shù)奶匦裕绻苯佑糜谀M量的傳輸，則線性度和精度都很差。于是很多公司相繼推出線性光耦隔離放大器，如BB公司的ISO100,利用發(fā)光二極管LED與兩個(gè)光電二極管進(jìn)行耦合，一路反饋到輸入端，一路耦合到輸出端，經(jīng)過激光調(diào)整精心匹配，線性度和穩(wěn)定度都很好。

2    開關(guān)式隔離傳送與串行方式

    針對(duì)光電耦合器能夠相當(dāng)可靠地傳遞開關(guān)量信號(hào)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中考慮數(shù)字隔離的方法，即將模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，再采用光電耦合器進(jìn)行數(shù)字隔離。

2．1    PWM的調(diào)制及解調(diào)方式

    一種開關(guān)量隔離方式，集成PWM或微處理器輸出信號(hào)調(diào)制的PWM波形，傳送信號(hào)的瞬時(shí)電平與脈寬成正比，經(jīng)過光電隔離后對(duì)PWM信號(hào)低通濾波，恢復(fù)成模擬信號(hào)。

2．2    V/F方式

    另一種A/D轉(zhuǎn)換常用方法如圖3所示。它采用電壓/頻率變換即V/F變換，設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)隔離傳送電路如圖3所示。傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到伏級(jí)，送入LM331構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路變成脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率與輸入電壓成正比；可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，而后經(jīng)過光電耦合器切斷前后電路電氣聯(lián)系，隔離后的脈沖信號(hào)再送入同樣由LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路得到復(fù)原的模擬電壓信號(hào)。

圖3    V/F轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的模擬隔離傳輸

    綜上比較各種隔離方法的傳輸特性，其性能綜合對(duì)比如表1所列。

表1    各種隔離方法的傳輸性能對(duì)比

    前面幾種隔離方法都采用了集成的結(jié)構(gòu)，性能得以保證，但是，由于隔離是在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，輸入級(jí)與輸出級(jí)間距很短，對(duì)于信號(hào)傳輸空間上有一定距離的應(yīng)用場(chǎng)合，效果并不是很好；同時(shí)在調(diào)制與解調(diào)過程中不可避免地會(huì)有一些噪聲產(chǎn)生，因此輸出級(jí)要設(shè)置相應(yīng)的濾波電路，導(dǎo)致準(zhǔn)確度下降，

    線性光耦當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流可能小到無法令光電管檢測(cè)，存在死區(qū)；后來的V/F開關(guān)轉(zhuǎn)換方法傳輸可靠，但是隔離的兩端都需要V/F芯片，電路仍顯復(fù)雜，另外，工作頻帶受限制，低端因?yàn)榧y波大而準(zhǔn)確度下降，高端信號(hào)亦受濾波器頻帶限制。

    要解決或改善上述的不足單從電路結(jié)構(gòu)完善上已經(jīng)余地不大，唯有考慮引入數(shù)字式的傳輸手段。

2．3    直接數(shù)字信號(hào)傳輸方式

    對(duì)于模擬信號(hào)要求較高的場(chǎng)合，可以采用數(shù)字式信號(hào)傳輸，優(yōu)點(diǎn)是精度高，抗干擾性強(qiáng)和可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形的信號(hào)傳送。在有些應(yīng)用場(chǎng)合中是通過微處理器直接生成數(shù)字信號(hào)，則更有理由采用數(shù)字式傳輸。

    將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到模擬信號(hào)的方法可以有多種，如PWM信號(hào)濾波，數(shù)字電位器。從信號(hào)的準(zhǔn)確度和驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定度來看，專用的DAC芯片最為可靠。專用的DAC芯片，是通過數(shù)據(jù)線輸入，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，一般8～12位的精度已經(jīng)可以達(dá)到大多數(shù)傳送要求的準(zhǔn)確度，因?yàn)檩斎胧菙?shù)字電平，所以可以進(jìn)行光電隔離，還能通過遠(yuǎn)距離傳送，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同的電網(wǎng)絡(luò)之間傳送模擬信號(hào)。

    DAC芯片通常有串行和并行之分，并行的DAC芯片應(yīng)用較多，編程簡(jiǎn)便，但是，應(yīng)用時(shí)候需要把所有數(shù)據(jù)線以及讀寫控制線全部進(jìn)行隔離，這樣需要的光電耦合器的數(shù)量就較多，長(zhǎng)距離傳輸?shù)臅r(shí)候電路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)只是信號(hào)變換速率較快。

2．4串行D/A數(shù)字隔離的辦法

    對(duì)于速率傳輸并非很快的場(chǎng)合，采用串行的D/A芯片就能夠很好地適應(yīng)應(yīng)用的要求。各大芯片廠商都已推出了串行接口的D/A芯片，通常輸入端采用串行方式接收數(shù)據(jù)，如SPI或者I2C總線時(shí)序。微機(jī)接收來自各類傳感器的模擬信號(hào)，配合外圍或者自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，再通過軟件進(jìn)行濾波、放大等數(shù)據(jù)處理，由程序?qū)⑿枰敵龅臄?shù)據(jù)加上若干控制位組合成串行數(shù)據(jù)列，通過微機(jī)I/O口，經(jīng)過光耦隔離輸入到串行D/A芯片，變換成模擬信號(hào)輸出。圖4所示的是通過光耦實(shí)現(xiàn)的串行隔離傳送的一個(gè)方案。

圖4    光耦實(shí)現(xiàn)的串行隔離傳送方案

    這樣便可以將控制電路與高電壓電路完全隔離起來，只要將串行D/A芯片置于功率電路端。因?yàn)橹虚g完全是數(shù)字信號(hào)傳輸，所以能夠較好地解決傳輸干擾，連線也相當(dāng)簡(jiǎn)單，一般不超過4根線，使電路的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。圖5所示的是實(shí)際的電路。

圖5    串行光耦隔離實(shí)際電路

3    串行D/A隔離信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    作者設(shè)計(jì)的數(shù)控開關(guān)電源中需要提供多路精確的25Hz參考信號(hào)，并且需要與主功率電路與驅(qū)動(dòng)電路完全隔離，為此，采用了本文提出的方法。在以微處理器80C196KC為核心的實(shí)驗(yàn)電源系統(tǒng)中，逆變的參考信號(hào)是通過微機(jī)控制串行D/A生成，傳送到隔離側(cè)的功率控制電路。

    本文采用MAXIM公司的串行8位DAC，電壓輸出，整個(gè)封裝為8腳，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中微處理器與芯片之間的SPI總線控制通過軟件來實(shí)現(xiàn)，輸入端的口線用高速光耦6N137分別隔離。

    因?yàn)椋?0C196KC系列沒有單口線操作指令，所以，各口線時(shí)序以并行方式同步輸出。

    輸入線包含片選線、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，首先，軟件時(shí)序操作令片選有效，然后，程序就可以向芯片發(fā)送整合的數(shù)據(jù)包。時(shí)鐘線上輸出的是一定頻率的脈沖信號(hào)，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿后，將數(shù)據(jù)包中的各位按次序送到數(shù)據(jù)線上，當(dāng)時(shí)鐘變?yōu)橄陆笛貢r(shí)刻，數(shù)據(jù)輸入到DA的寄存器內(nèi)。具體時(shí)序如圖6所示。

圖6    MAX5223線串行發(fā)送時(shí)序

    要完成一次數(shù)據(jù)的發(fā)送，串行芯片需要接收到16個(gè)數(shù)據(jù)位，也就是至少需要16個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于MAX522的時(shí)鐘頻率可達(dá)5MHz，故數(shù)據(jù)的發(fā)送周期最短大約為200ns，對(duì)于其他串行芯片可以類推，但是一般微處理器指令執(zhí)行速率達(dá)不到這么快。

    實(shí)驗(yàn)中輸出25Hz波形，輸出點(diǎn)數(shù)為256，采樣頻率達(dá)到6kHz，已經(jīng)能夠滿足精密工頻逆變電源的波形控制要求。如果采用更高速的處理器可傳輸頻率更高的模擬信號(hào)。用這種方法可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步傳輸，只要將各串行芯片的片選端和時(shí)鐘端分別相連，從數(shù)據(jù)端發(fā)送不同的數(shù)據(jù)位，就可以在隔離的另一側(cè)輸出同步波形。圖7所示的是通過這種方法生成的兩路參考波形，相位差90°。實(shí)驗(yàn)證明這種隔離方法能夠使微機(jī)控制電路受到的干擾大大降低，由于采用數(shù)字信號(hào)的方式，無須濾波，可以適應(yīng)信號(hào)發(fā)生突變的應(yīng)用要求。

圖7    串行隔離D/A兩路參考波形

4    結(jié)語

    采用串行D/A實(shí)現(xiàn)的模擬信號(hào)數(shù)字隔離傳送，電路簡(jiǎn)單，精度高，在強(qiáng)電、強(qiáng)磁的干擾下能夠保證模擬信號(hào)可靠傳送，在復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)中，對(duì)提升電路的整體性能具有重要的意義。