利用數(shù)字隔離器技術(shù)增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能

摘要：本文介紹了數(shù)字隔離器技術(shù)，來(lái)增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能并對(duì)其進(jìn)行分類，介紹了隔離方法、進(jìn)行了延遲特性比較，縫隙數(shù)字隔離器技術(shù)對(duì)電子控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響，給出應(yīng)用實(shí)例，予以工程師參考。

1 隔離類型簡(jiǎn)介

　　隔離用戶和敏感的電子部件是電機(jī)控制系統(tǒng)的重要考慮事項(xiàng)。安全隔離用于保護(hù)用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門(mén)用來(lái)保護(hù)設(shè)備和器件。電機(jī)控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動(dòng)電路中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器;檢測(cè)電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器;以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。無(wú)論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

　　雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點(diǎn)：會(huì)提高功耗，跨過(guò)隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生延遲，而且會(huì)增加系統(tǒng)成本。傳統(tǒng)上系統(tǒng)設(shè)計(jì)師求助于光耦合器解決方案，多年來(lái)，它是系統(tǒng)隔離的當(dāng)然選擇。最近十年來(lái)，基于磁耦合(變壓器傳輸)方法的數(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時(shí)候更優(yōu)越的替代方案;從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能尚未認(rèn)識(shí)到的優(yōu)點(diǎn)。 本文將討論這兩種隔離解決方案，重點(diǎn)論述磁隔離對(duì)延遲時(shí)序性能的改善，以及由此給電機(jī)控制應(yīng)用在系統(tǒng)層面帶來(lái)的好處。

2 隔離方法

　　光耦合器利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。 發(fā)送側(cè)包括一個(gè)LED，高電平信號(hào)開(kāi)啟LED，低電平信號(hào)關(guān)閉LED。 接收側(cè)利用光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。 隔離由LED與光電檢測(cè)器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通?；诰酆衔?予以增強(qiáng)。

　　光耦合器的最大缺點(diǎn)之一是：隨著LED老化，其輻射特性會(huì)漂移，設(shè)計(jì)人員必須考慮這一額外問(wèn)題。 LED退化導(dǎo)致時(shí)序性能隨著時(shí)間和溫度而漂移。因此，傳播和上升/下降時(shí)間會(huì)受影響，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問(wèn)題。

　　光耦合器的性能擴(kuò)展性也會(huì)受到影響。為了提高數(shù)據(jù)速率，必須克服光耦合器固有的寄生電容問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致功耗升高。寄生電容還會(huì)提供耦合機(jī)制，導(dǎo)致基于光耦合的隔離器的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

　　磁隔離器(基于變壓器)已大規(guī)模應(yīng)用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，采用磁耦合傳輸方案，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構(gòu)成，如圖2所示。以低電流脈沖方式通過(guò)線圈傳輸，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)隔離柵，在隔離柵另一側(cè)的第二線圈中感生一個(gè)電流。 由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS結(jié)構(gòu)，其在功耗和速度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問(wèn)題。 此外，由于基于變壓器的隔離器中存在較低的寄生電容，它們的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。

　　基于變壓器的隔離器還允許使用常見(jiàn)處理模塊(防止雜散輸入信號(hào))和高級(jí)傳輸編解碼機(jī)制。 這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用不同編碼方案來(lái)優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及后文提到的將重要信號(hào)更快速、更一致地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。

3 延遲特性比較

　　所有隔離器都有一個(gè)非常重要但常常被輕視的特性是其傳播延遲。此特性衡量信號(hào)(可以是驅(qū)動(dòng)信號(hào)或故障檢測(cè)信號(hào))沿任一方向跨過(guò)隔離柵所需的時(shí)間。 技術(shù)不同，傳播延遲差別很大。 通常提供的是典型延遲值，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)師特別關(guān)注最大延遲，它是設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲和延遲偏斜值示例。

　　如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復(fù)性(偏斜)方面優(yōu)勢(shì)明顯。這樣，電機(jī)控制設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)將更有信心，無(wú)需增加時(shí)序裕量以滿足柵極驅(qū)動(dòng)器特性。對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)的性能和安全，這都有著非常重要的意義。

4 對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響

　　圖3顯示了交流電機(jī)控制應(yīng)用中采用的典型三相逆變器。 該逆變器由直流總線供電，直流電源通常是通過(guò)二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產(chǎn)生。在大部分工業(yè)應(yīng)用中，直流總線電壓在300V至1,000V范圍內(nèi)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方案，以5kHz至10 kHz的頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機(jī)端子上產(chǎn)生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。

　　PWM信號(hào)(如PWMaH和PWMaL)在電機(jī)控制器(一般用處理器和/或FPGA實(shí)現(xiàn))中產(chǎn)生。 這些信號(hào)一般是低壓信號(hào)，參考處理器接地軌。為了正確開(kāi)啟和關(guān)閉功率晶體管，邏輯電平信號(hào)的電壓電平和電流源能力必須放大，另外還必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而以相關(guān)功率晶體管發(fā)射極為接地基準(zhǔn)。 根據(jù)處理器在系統(tǒng)中的位置，這些信號(hào)可能還需要安全絕緣。