電力電子裝置中模擬信號隔離傳輸及其串行DA的實現(xiàn)

1、    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(guān)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(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。關(guān)鍵詞：隔離傳送；模擬信號；串行D/A接口0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摘要：探討了電力電子裝置開關(guān)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(chǔ)上提

2、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。關(guān)鍵詞：隔離傳送；模擬信號；串行D/A接口0    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

3、了防止強電磁干擾串到微機系統(tǒng)導(dǎo)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?    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。  

4、60; 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(yù)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1    AD202內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖    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

5、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

6、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。圖2    ISO122內(nèi)部結(jié)構(gòu)    由于采用了數(shù)字化調(diào)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(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

7、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。21    PWM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調(diào)制的PWM波形，傳送信號的瞬

8、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(fù)成模擬信號。22   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(fù)原的模擬電壓信號。圖3   V/F轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的模擬隔離傳輸    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(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低需要低長無V/F中需要中長有  &#