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電力電子裝置中模擬信號隔離傳輸及其串行D/A的實現
摘要：探討了電力電子裝置開關電源中模擬信號隔離傳輸的意義及各種實現手段，在全面分析比較的基礎上提出了串行D/A數字隔離傳送的方法，并通過在數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導致系統運行異常，并降低EMI和工頻干擾，在信號傳送的時候需要嚴格隔離。在工業過程控制與測量系統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、傳感器的數據隔離放大均是例子。因此，研究精確可靠的傳輸方案對于保證系統的整體性能具有重要意義。本文以數控精密高頻開關逆變電源系統為例，研究了電力電子裝置中模擬信號的精確隔離傳輸的方法。
1 隔離傳輸方法及其比較
實現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，信號解調產生一個平均值等于VIN的VOUT，經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耦合的，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯系，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的特性，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，經過激光調整精心匹配，線性度和穩定度都很好。
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字隔離的方法，即將模擬信號通過A/D轉換變成數字信號，再采用光電耦合器進行數字隔離。
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，而后經過光電耦合器切斷前后電路電氣聯系，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 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】相關文章：
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