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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
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?br />
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2
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)VIN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VIN的VOUT，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。
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�，如果直接用于模擬量的傳輸，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。
2．1PWM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)。
2．2V/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)。
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
耦合方式傳送精度噪聲濾波結(jié)構(gòu)復(fù)雜度傳送距離電平死區(qū)變壓器耦合中需要高短有電容耦合較好需要高短有線性光電耦合較好不需要中短有PWM低需要低長(zhǎng)無V/F中需要中長(zhǎng)有
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。
圖5
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。
圖6
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。
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。
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。
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。
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。
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