電力輸配電現(xiàn)場存在各種各樣的干擾，電力儀表的傳感器部分往往處于高電位，所以，高壓隔離通信是電力電子設(shè)計中經(jīng)常遇到的課題。根據(jù)隔離信號種類的不同，分為模擬信號隔離和數(shù)字信號隔離；根據(jù)隔離介質(zhì)的不同，又分為變壓器隔離、運放隔離、光耦隔離、紅外隔離、光纖隔離、無線隔離等。模擬信號的隔離常用隔離運放，這種方法存在隔離過程中可能引入新的量化誤差。輸入信號頻率不能太高等問題。而數(shù)字信號隔離則沒有上述問題。因此，數(shù)字信號隔離應用廣泛。特別是塑料光纖隔離具有隔離電壓高，工作頻率比較寬，也無需進行信號調(diào)制解調(diào)，隔離距離較遠，不易被干擾，可靠性高，硬件接口簡單，成本比較低的優(yōu)點。因此，塑料光纖隔離傳輸在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
1 塑料光纖
與電纜相比，塑料光纖POF(Plastic Optical Fiber)不受電磁干擾、無電磁輻射。與玻璃光纖相比，塑料光纖成本低，較柔軟、容易安裝和維護，POF芯徑通常為0．3～1mm，而玻璃光纖芯徑為62．5μm或50μm，芯徑大10倍左右的POF連接對準容易，連接中即使有30μm的偏移，也不嚴重影響耦合損耗(約增加損耗0．03 dB)，使用廉價的注塑連接器，從而顯著降低系統(tǒng)的總成本。
塑料光纖的連接器可以根據(jù)應用的不同可自行設(shè)計。在高壓隔離通信中，常用的軟件協(xié)議有RS232總線，SPI總線，CAN總線等，這些接口的信號頻率小于10 MHz，這與光學數(shù)字音頻接口(TOSLINK)的頻段相同，使用標準的TOSLINK接口可以進一步降低成本，提高可靠性。
TOSLINK是東芝連接(Toshiba Link)的縮寫，也是一種標準光學數(shù)字音頻接口，可用于在各種器材之間，通過一種光導體，利用光作載體傳送數(shù)字音頻信號(左右聲道或多聲道)。TOSLINK可以使用塑料光纖做塑料光纖音頻跳線。TOSLINK接口是一個光收發(fā)器，將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)化為光信號并傳輸數(shù)據(jù)。它通過光發(fā)送模塊將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號，轉(zhuǎn)化后的光信號通過塑料光纖到達光接收模塊。光接收模塊將光信號轉(zhuǎn)換回數(shù)字電信號。光發(fā)送模塊主要元件是LED，它是一個光發(fā)射元件，通過驅(qū)動電路來驅(qū)動。光接收模塊由感光元件和波形修整電路組成。電路使用標準的TTL電平或者ECL電平，它們能夠很容易與外圍電路相配合。
塑料光纖隔離通信系統(tǒng)的核心元件是光發(fā)送器和光接收器。其中，光發(fā)送器是由發(fā)光二極管及光纖連接器構(gòu)成。發(fā)光二極管使用高亮度、大小為1 mmx1 mm表面貼片封裝的發(fā)光二極管，這種發(fā)光管具有驅(qū)動電流小、價格便宜的優(yōu)點，發(fā)光面大小與塑料光纖的直徑相當，容易將光信號與塑料光纖耦合。發(fā)光二極管的工作波長也要與塑料光纖的工作波長相配合。光纖連接器是將發(fā)光二極管與塑料光纖進行有效對接的機械結(jié)構(gòu)。光纖連接器一般采用槽形結(jié)構(gòu)，易于快速正確插撥。光接收器是由光敏二極管及光纖連接器構(gòu)成。光接收器收到的信號經(jīng)放大、濾波后，輸出TTL兼容信號。其光纖連接器與光發(fā)送器中的連接器完全相同。
2 硬件電路設(shè)計
基于TOSLINK接口的光收發(fā)模塊很多，其硬件接口是類似的，光和電參數(shù)根據(jù)應用不同而不同。市場上有很多相關(guān)的生產(chǎn)廠家。這里以DLRllll和DLTllll對管為例，說明塑料光纖的接口電路設(shè)計方法。DLRllll和DLTllll的外形和封裝形式完全一樣，如圖l所示。
DLRllll主要參數(shù)如下：工作電壓為2．7～5 V；工作電流為6．5 mA；工作波長為700 nm；工作頻率小于16 Mb／s；傳輸距離小于20m。
從以上參數(shù)來看，該器件可以滿足各種常見的高壓隔離通信的要求。
驅(qū)動模塊電路比較簡單。當電源部分沒有正確處理時，該驅(qū)動模塊電路會從電源部分引入干擾，輸出波形會出現(xiàn)干擾脈沖，如圖2所示。圖2中下半部分波形是標準的1 MHz方波，由信號發(fā)生器產(chǎn)生，上半部分波形是經(jīng)塑料光纖后輸出的TTL信號，從圖2中可以看出，在上升沿的上部產(chǎn)生一個很強的干擾，如果這個干擾一直存在，會影響數(shù)據(jù)通信的正常進行。
經(jīng)反復試驗和測試，在DLRllll和DLTllll的電源電路中采用10μH電感與10μF電容(并聯(lián)O．1μF)構(gòu)成的LC濾波，可大幅濾除電源中的高頻干擾。同時，在PCB布線方面，地平面的處理也非常重要，塑料光纖的接地一般采用單點接地，可防止其他電路的干擾信號從地電位引入到光驅(qū)動模塊中，驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。
當正確處理了驅(qū)動模塊的外圍電路后，輸出的波形如圖4所示。從圖4中可以看出，上半部分的輸出波形已經(jīng)沒有任何高頻干擾存在。
圖4顯示的信號頻率為1 MHz，對驅(qū)動模塊進行了實際的頻率特性試驗，從1 Hz開始，以10倍的系數(shù)增加信號頻率，一直到10 MHz為止。試驗結(jié)果顯示，在1 Hz～10 MHz的頻率范圍內(nèi)，輸出的波形有固定的100 ns的延遲，信號輸出波形無干擾，邊沿干凈。之后對驅(qū)動模塊的電壓特性進行測試，在電源電壓1．5～6V的電壓范圍內(nèi)，輸出波形干凈，說明該驅(qū)動模塊的工作電壓范圍比較寬。涵蓋了1．8、2．7、3．3、5 V等常用的工作電壓范圍。將光發(fā)送模塊的工作電壓從1．5～6V范圍內(nèi)變化，光接收模塊的工作電壓固定為某一個值，如3．3 V時，輸出信號電壓和光接收模塊的工作電壓相同，也為3．3 V。以上試驗說明，光收發(fā)模塊可以使用不同的工作電壓，而不影響信號的傳輸，這對工作電壓不同的系統(tǒng)非常有用。
測試中發(fā)現(xiàn)，其輸入輸出是有延遲的，固定為100 ns，如果輸入信號頻率比較高，如大于10 MHz，又要求輸入輸出同步，則需要在輸入部分或輸出部分進行硬件或軟件處理，得到完全同步的隔離信號。
3 應用實例
某高壓儀表隔離部分設(shè)計參數(shù)如下：隔離電壓為60 kV；傳輸速度為1MHz；傳輸距離為10 m；接口類型為SPI。
從以上設(shè)計要求選擇數(shù)字傳輸方案，并綜合考慮隔離電壓、傳輸速度、傳輸距離、成本、可靠性、實現(xiàn)難度等方面，使用塑料光纖為最佳方案。
SPI接口采用3線制，如圖5所示。圖5中只給出了主控方的電路圖，從機是一個SPI接口的串行A／D轉(zhuǎn)換器，硬件連接方法與圖5類似。SPI總線是板內(nèi)總線，在1 MHz下的傳輸距離不宜超過1 m，加了塑料光纖隔離驅(qū)動后，其傳輸距離被大大延長了。高壓部分和低壓部分的驅(qū)動模塊各需要3個，這3個模塊布局時放在一起，共地連接，之后與其他部分電路要單點接地處理。
SPI通信硬件除了將傳輸介質(zhì)由金屬導線換為塑料光纖外，沒有其他區(qū)別，軟件上則與普通SPI的軟件完全相同。
4 結(jié)論
塑料光纖技術(shù)是正在發(fā)展中的新興技術(shù)，已在音頻數(shù)據(jù)傳輸中廣泛使用，由于其高隔離電壓、高速度、較遠傳輸距離及低成本的優(yōu)點，會在高壓設(shè)備、高壓儀表及輸配電現(xiàn)場中得到廣泛應用。
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