电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行D/A的实现
摘要：探讨了电力电子装置开关电源中模拟信号隔离传输的意义及各种实现手段，在全面分析比较的基础上提出了串行D/A数字隔离传送的方法，并通过在数控开关电源中的典型运用的分析与实验表明该方法可行，能够用于电力电子装置的精确控制。
关键词：隔离传送；模拟信号；串行D/A接口
引言
在电力电子装置中，经常需要在两个不同的模块之间传送模拟信号，并且要保证安全可靠地传送。通常两个不同模块之间的电位可以相差几百伏乃至几千伏，比如电机控制中的隔离电枢电流和电压传感器，电动机地与控制系统地的隔离等。特别在一些以微处理器为核心的电力电子装置中，需要传送代表输出特性的参考信号，而运行于高频开关状态的功率电路与控制电路往往不在同一电路板上，为了防止强电磁干扰串到微机系统导致系统运行异常，并降低EMI和工频干扰，在信号传送的时候需要严格隔离。在工业过程控制与测量系统中更是普遍需要用到模拟量隔离传输技术，如热电偶、压力电桥、应变计、传感器的数据隔离放大均是例子。因此，研究精确可靠的传输方案对于保证系统的整体性能具有重要意义。本文以数控精密高频开关逆变电源系统为例，研究了电力电子装置中模拟信号的精确隔离传输的方法。
1隔离传输方法及其比较
实现电气上隔离的方法从耦合方式来看，可以分为磁耦合隔离方法、光电耦合隔离方法、电容耦合隔离方法等。
磁耦合隔离方法是最常用的耦合隔离方法。图1所示的是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图，是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器，采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级，输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能。输出级是对信号进行解调，滤波与放大。内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。
图2
另外，还有三点隔离的变压器耦合隔离放大器，如BB公司的3656,可以实现输入级和输出级隔离，而且供电电源与放大器隔离，真正实现了信号和电源完全隔离。
电容耦合隔离方法是比较先进的，采用了频率调制技术，通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号。图2所示的是BB公司电容耦合隔离放大器ISO122的框图，隔离放大器输入和输出之间通过2个1pF的隔离电容进行信号耦合。在调制端，输入放大器对输入电流和一个可切换的电流源之间的差值进行积分。假设VIN为0V，积分器将以单向的斜率上升直到超过比较器的阈值。内部的压控振荡器使电流源以500kHz的频率切换，输出调制的数字电平以差动形式加在势垒电容上。同时外加隔离电压呈共模形式。输出端的放大器检测出来的差动信号作为另一个电流源到积分器A2的切换控制，信号解调产生一个平均值等于VIN的VOUT，经过低通滤波器滤掉余下的载波噪声之后，就成为隔离放大器的输出。
由于采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。
光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用，在实际中应用很广泛。光电耦合器件具有非线性电流传输的特性，如果直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。于是很多公司相继推出线性光耦隔离放大器，如BB公司的ISO100,利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。
2开关式隔离传送与串行方式
针对光电耦合器能够相当可靠地传递开关量信号，因此，在实际应用中考虑数字隔离的方法，即将模拟信号通过A/D转换变成数字信号，再采用光电耦合器进行数字隔离。
2．1PWM的调制及解调方式
一种开关量隔离方式，集成PWM或微处理器输出信号调制的PWM波形，传送信号的瞬时电平与脉宽成正比，经过光电隔离后对PWM信号低通滤波，恢复成模拟信号。
2．2V/F方式
另一种A/D转换常用方法如图3所示。它采用电压/频率变换即V/F变换，设计的模拟信号隔离传送电路如图3所示。传感器输出的微弱信号放大到伏级，送入LM331构成的V/F转换电路变成脉冲信号，信号频率与输入电压成正比；可以进行长距离传输，而后经过光电耦合器切断前后电路电气联系，隔离后的脉冲信号再送入同样由LM331构成的F/V转换电路得到复原的模拟电压信号。
综上比较各种隔离方法的传输特性，其性能综合对比如表1所列。
表1各种隔离方法的传输性能对比
耦合方式传送精度噪声滤波结构复杂度传送距离电平死区变压器耦合中需要高短有电容耦合较好需要高短有线性光电耦合较好不需要中短有PWM低需要低长无V/F中需要中长有
前面几种隔离方法都采用了集成的结构，性能得以保证，但是，由于隔离是在芯片内部实现，输入级与输出级间距很短，对于信号传输空间上有一定距离的应用场合，效果并不是很好；同时在调制与解调过程中不可避免地会有一些噪声产生，因此输出级要设置相应的滤波电路，导致准确度下降，
线性光耦当输入信号较小时，驱动电流可能小到无法令光电管检测，存在死区；后来的V/F开关转换方法传输可靠，但是隔离的两端都需要V/F芯片，电路仍显复杂，另外，工作频带受限制，低端因为纹波大而准确度下降，高端信号亦受滤波器频带限制。
图5
要解决或改善上述的不足单从电路结构完善上已经余地不大，唯有考虑引入数字式的传输手段。
2．3直接数字信号传输方式
对于模拟信号要求较高 《电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行D/A的实现》
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关键词：隔离传送；模拟信号；串行D/A接口
引言
在电力电子装置中，经常需要在两个不同的模块之间传送模拟信号，并且要保证安全可靠地传送。通常两个不同模块之间的电位可以相差几百伏乃至几千伏，比如电机控制中的隔离电枢电流和电压传感器，电动机地与控制系统地的隔离等。特别在一些以微处理器为核心的电力电子装置中，需要传送代表输出特性的参考信号，而运行于高频开关状态的功率电路与控制电路往往不在同一电路板上，为了防止强电磁干扰串到微机系统导致系统运行异常，并降低EMI和工频干扰，在信号传送的时候需要严格隔离。在工业过程控制与测量系统中更是普遍需要用到模拟量隔离传输技术，如热电偶、压力电桥、应变计、传感器的数据隔离放大均是例子。因此，研究精确可靠的传输方案对于保证系统的整体性能具有重要意义。本文以数控精密高频开关逆变电源系统为例，研究了电力电子装置中模拟信号的精确隔离传输的方法。
1隔离传输方法及其比较
实现电气上隔离的方法从耦合方式来看，可以分为磁耦合隔离方法、光电耦合隔离方法、电容耦合隔离方法等。
磁耦合隔离方法是最常用的耦合隔离方法。图1所示的是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图，是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器，采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级，输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能。输出级是对信号进行解调，滤波与放大。内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。
图2
另外，还有三点隔离的变压器耦合隔离放大器，如BB公司的3656,可以实现输入级和输出级隔离，而且供电电源与放大器隔离，真正实现了信号和电源完全隔离。
电容耦合隔离方法是比较先进的，采用了频率调制技术，通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号。图2所示的是BB公司电容耦合隔离放大器ISO122的框图，隔离放大器输入和输出之间通过2个1pF的隔离电容进行信号耦合。在调制端，输入放大器对输入电流和一个可切换的电流源之间的差值进行积分。假设VIN为0V，积分器将以单向的斜率上升直到超过比较器的阈值。内部的压控振荡器使电流源以500kHz的频率切换，输出调制的数字电平以差动形式加在势垒电容上。同时外加隔离电压呈共模形式。输出端的放大器检测出来的差动信号作为另一个电流源到积分器A2的切换控制，信号解调产生一个平均值等于VIN的VOUT，经过低通滤波器滤掉余下的载波噪声之后，就成为隔离放大器的输出。
由于采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。
光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用，在实际中应用很广泛。光电耦合器件具有非线性电流传输的特性，如果直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。于是很多公司相继推出线性光耦隔离放大器，如BB公司的ISO100,利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。
2开关式隔离传送与串行方式
针对光电耦合器能够相当可靠地传递开关量信号，因此，在实际应用中考虑数字隔离的方法，即将模拟信号通过A/D转换变成数字信号，再采用光电耦合器进行数字隔离。
2．1PWM的调制及解调方式
一种开关量隔离方式，集成PWM或微处理器输出信号调制的PWM波形，传送信号的瞬时电平与脉宽成正比，经过光电隔离后对PWM信号低通滤波，恢复成模拟信号。
2．2V/F方式
另一种A/D转换常用方法如图3所示。它采用电压/频率变换即V/F变换，设计的模拟信号隔离传送电路如图3所示。传感器输出的微弱信号放大到伏级，送入LM331构成的V/F转换电路变成脉冲信号，信号频率与输入电压成正比；可以进行长距离传输，而后经过光电耦合器切断前后电路电气联系，隔离后的脉冲信号再送入同样由LM331构成的F/V转换电路得到复原的模拟电压信号。
综上比较各种隔离方法的传输特性，其性能综合对比如表1所列。
表1各种隔离方法的传输性能对比
耦合方式传送精度噪声滤波结构复杂度传送距离电平死区变压器耦合中需要高短有电容耦合较好需要高短有线性光电耦合较好不需要中短有PWM低需要低长无V/F中需要中长有
前面几种隔离方法都采用了集成的结构，性能得以保证，但是，由于隔离是在芯片内部实现，输入级与输出级间距很短，对于信号传输空间上有一定距离的应用场合，效果并不是很好；同时在调制与解调过程中不可避免地会有一些噪声产生，因此输出级要设置相应的滤波电路，导致准确度下降，
线性光耦当输入信号较小时，驱动电流可能小到无法令光电管检测，存在死区；后来的V/F开关转换方法传输可靠，但是隔离的两端都需要V/F芯片，电路仍显复杂，另外，工作频带受限制，低端因为纹波大而准确度下降，高端信号亦受滤波器频带限制。
图5
要解决或改善上述的不足单从电路结构完善上已经余地不大，唯有考虑引入数字式的传输手段。
2．3直接数字信号传输方式
对于模拟信号要求较高 《电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行D/A的实现》
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