電力電子裝置中模擬信號隔離傳輸及其串行D/A的實現(xiàn)
引言
在電力電子裝置中,經(jīng)常需要在兩個不同的模塊之間傳送模擬信號,并且要保證安全可靠地傳送。通常兩個不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏,比如電機控制中的隔離電樞電流和電壓傳感器,電動機地與控制系統(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,而運行于高頻開關(guān)狀態(tài)的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上,為了防止強電磁干擾串到微機系統(tǒng)導致系統(tǒng)運行異常,并降低EMI和工頻干擾,在信號傳送的時候需要嚴格隔離。在工業(yè)過程控制與測量系統(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、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的精確隔離傳輸?shù)姆椒ā?B>
1 隔離傳輸方法及其比較
實現(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)將直流或交流信號通過變壓器耦合到輸出級,輸入級內(nèi)置一個獨立的運放作為信號預處理,可進行緩沖、濾波等功能。輸出級是對信號進行解調(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)的運放、調(diào)制器或其他電路。
圖2
另外,還有三點隔離的變壓器耦合隔離放大器,如BB公司的3656,可以實現(xiàn)輸入級和輸出級隔離,而且供電電源與放大器隔離,真正實現(xiàn)了信號和電源完全隔離。
電容耦合隔離方法是比較先進的,采用了頻率調(diào)制技術(shù),通過對輸入電壓數(shù)字編碼和差動電容勢壘耦合,準確地隔離和傳輸模擬信號。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1pF的隔離電容進行信號耦合。在調(diào)制端,輸入放大器對輸入電流和一個可切換的電流源之間的差值進行積分。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)字電平以差動形式加在勢壘電容上。同時外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放大器檢測出來的差動信號作為另一個電流源到積分器A2的切換控制,信號解調(diào)產(chǎn)生一個平均值等于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。
光電耦合器是通過光信號的傳送實現(xiàn)耦合的,輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯(lián)系,具有很強的隔離作用,在實際中應(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與兩個光電二極管進行耦合,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
針對光電耦合器能夠相當可靠地傳遞開關(guān)量信號,因此,在實際應(yīng)用中考慮數(shù)字隔離的方法,即將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號,再采用光電耦合器進行數(shù)字隔離。
一種開關(guān)量隔離方式,集成PWM或微處理器輸出信號調(diào)制的PWM波形,傳送信號的瞬時電平與脈寬成正比,經(jīng)過光電隔離后對PWM信號低通濾波,恢復成模擬信號。
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)計的模擬信號隔離傳送電路如圖3所示。傳感器輸出的微弱信號放大到伏級,送入LM331構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路變成脈沖信號,信號頻率與輸入電壓成正比;可以進行長距離傳輸,而后經(jīng)過光電耦合器切斷前后電路電氣聯(lián)系,隔離后的脈沖信號再送入同樣由LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路得到復原的模擬電壓信號。
綜上比較各種隔離方法的傳輸特性,其性能綜合對比如表1所列。
表1各種隔離方法的傳輸性能對比
耦合方式 | 傳送精度 | 噪聲濾波 | 結(jié)構(gòu)復雜度 | 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 | 無 |
V/F | 中 | 需要 | 中 | 長 | 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)部實現(xiàn),輸入級與輸出級間距很短,對于信號傳輸空間上有一定距離的應(yīng)用場合,效果并不是很好;同時在調(diào)制與解調(diào)過程中不可避免地會有一些噪聲產(chǎn)生,因此輸出級要設(shè)置相應(yīng)的濾波電路,導致準確度下降,
線性光耦當輸入信號較小時,驅(qū)動電流可能小到無法令光電管檢測,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,電路仍顯復雜,另外,工作頻帶受限制,低端因為紋波大而準確度下降,高端信號亦受濾波器頻帶限制。
圖5
2.3 直接數(shù)字信號傳輸方式
對于模擬信號要求較高的場合,可以采用數(shù)字式信號傳輸,優(yōu)點是精度高,抗干擾性強和可靠性好,能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形的信號傳送。在有些應(yīng)用場合中是通過微處理器直接生成數(shù)字信號,則更有理由采用數(shù)字式傳輸。
將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到模擬信號的方法可以有多種,如PWM信號濾波,數(shù)字電位器。從信號的準確度和驅(qū)動穩(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)換成模擬信號輸出,一般8~12位的精度已經(jīng)可以達到大多數(shù)傳送要求的準確度,因為輸入是數(shù)字電平,所以可以進行光電隔離,還能通過遠距離傳送,這樣就可以實現(xiàn)在兩個不同的電網(wǎng)絡(luò)之間傳送模擬信號。
DAC芯片通常有串行和并行之分,并行的DAC芯片應(yīng)用較多,編程簡便,但是,應(yīng)用時候需要把所有數(shù)據(jù)線以及讀寫控制線全部進行隔離,這樣需要的光電耦合器的數(shù)量就較多,長距離傳輸?shù)臅r候電路結(jié)構(gòu)也比較復雜,優(yōu)點只是信號變換速率較快。
圖6
對于速率傳輸并非很快的場合,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總線時序。微機接收來自各類傳感器的模擬信號,配合外圍或者自帶的A/D轉(zhuǎn)換器,將模擬信號變換成數(shù)字信號,再通過軟件進行濾波、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,變換成模擬信號輸出。圖4所示的是通過光耦實現(xiàn)的串行隔離傳送的一個方案。
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。因為中間完全是數(shù)字信號傳輸,所以能夠較好地解決傳輸干擾,連線也相當簡單,一般不超過4根線,使電路的結(jié)構(gòu)得以簡化。圖5所示的是實際的電路。
3 串行D/A隔離信號傳輸?shù)脑O(shè)計與實驗結(jié)果
作者設(shè)計的數(shù)控開關(guān)電源中需要提供多路精確的25Hz參考信號,并且需要與主功率電路與驅(qū)動電路完全隔離,為此,采用了本文提出的方法。在以微處理器80C196KC為核心的實驗電源系統(tǒng)中,逆變的參考信號是通過微機控制串行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,整個封裝為8腳,結(jié)構(gòu)簡單。其中微處理器與芯片之間的SPI總線控制通過軟件來實現(xiàn),輸入端的口線用高速光耦6N137分別隔離。
因為,80C196KC系列沒有單口線操作指令,所以,各口線時序以并行方式同步輸出。
輸入線包含片選線、時鐘線和數(shù)據(jù)線,首先,軟件時序操作令片選有效,然后,程序就可以向芯片發(fā)送整合的數(shù)據(jù)包。時鐘線上輸出的是一定頻率的脈沖信號,在每個時鐘的上升沿后,將數(shù)據(jù)包中的各位按次序送到數(shù)據(jù)線上,當時鐘變?yōu)橄陆笛貢r刻,數(shù)據(jù)輸入到DA的寄存器內(nèi)。具體時序如圖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個數(shù)據(jù)位,也就是至少需要16個時鐘周期,對于MAX522的時鐘頻率可達5MHz,故數(shù)據(jù)的發(fā)送周期最短大約為200ns,對于其他串行芯片可以類推,但是一般微處理器指令執(zhí)行速率達不到這么快。
實驗中輸出25Hz波形,輸出點數(shù)為256,采樣頻率達到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。用這種方法可以實現(xiàn)多路信號的同步傳輸,只要將各串行芯片的片選端和時鐘端分別相連,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。實驗證明這種隔離方法能夠使微機控制電路受到的干擾大大降低,由于采用數(shù)字信號的方式,無須濾波,可以適應(yīng)信號發(fā)生突變的應(yīng)用要求。
4 結(jié)語
采用串行D/A實現(xiàn)的模擬信號數(shù)字隔離傳送,電路簡單,精度高,在強電、強磁的干擾下能夠保證模擬信號可靠傳送,在復雜的電力電子系統(tǒng)中,對提升電路的整體性能具有重要的意義。
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