- 相關推薦
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)
摘要：探討了電力電子裝置開關電源中模擬信號隔離傳輸?shù)囊饬x及各種實現(xiàn)手段，在全面分析比較的基礎上提出了串行D/A數(shù)字隔離傳送的方法，并通過在數(shù)控開關電源中的典型運用的分析與實驗表明該方法可行，能夠用于電力電子裝置的精確控制。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，如熱電偶、壓力電橋、應變計、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?BR>
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的內部結構示意圖，是一個典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調幅與解調技術將直流或交流信號通過變壓器耦合到輸出級，輸入級內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，濾波與放大。內置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側的運放、調制器或其他電路。
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，采用了頻率調制技術，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。內部的壓控振蕩器使電流源以500kHz的頻率切換，輸出調制的數(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。
由于采用了數(shù)字化調制手段，隔離柵的性能不會影響到模擬信號的完整性，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)過激光調整精心匹配，線性度和穩(wěn)定度都很好。
2 開關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量信號，因此，在實際應用中考慮數(shù)字隔離的方法，即將模擬信號通過A/D轉換變成數(shù)字信號，再采用光電耦合器進行數(shù)字隔離。
2．1 PWM的調制及解調方式
一種開關量隔離方式，集成PWM或微處理器輸出信號調制的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構成的V/F轉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構成的F/V轉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 結構復雜度 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【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)】相關文章：
關于電力電子裝置諧波問題的綜述03-18
LVDS串行-解串器在電纜數(shù)據(jù)傳輸中的性能03-18
利用DSP實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化處理11-22
電子商務網(wǎng)站的設計及其實現(xiàn)03-07
數(shù)字信號處理器中D/A功能的實現(xiàn)03-19
小議3D 視頻編碼傳輸技術12-23