高电压环境下大功率电源设备信号传输系统

在多数传输系统中，设备之间往往有一定的传输距离，那么周围环境的电磁干扰也就不可避免的会对信号传输产生影响[1]，一般采用双绞线或同轴电缆作为传输媒介，这在对干扰和传输距离要求不高的场合能够满足需求，但在长距离、高电压干扰下往往难以胜任，甚至可能带来安全隐患。主要问题有：大功率电源设备启动停止、各种电弧、开关闭合等会对电信号产生影响；输出功率高、环境温度高等影响电缆使用寿命；空间存在高电压、电路之间的电磁效应会引起干扰等。光电技术的应用可以很好地解决这些问题，电信号以光信号形式进行发送使其不易受到周围环境的电磁干扰，提高系统的可靠性，精度和传输距离。为了尽量减小信号传输中的各种干扰，除了合理的接地外[2-4]，还需要使输入与输出之间彼此隔离[5-6]，电压/频率变换是远距离传输模拟量而又不失精度的较好解决办法。本文以光纤通信为基础，对电源信号采用统一优化的电路，保障信号在高电压的干扰环境下可靠传输。 图1 系统结构 1 系统构成及工作原理 本文以大功率开关电源为对象，利用光纤、电压/频率变换器搭建远距离信号传输系统。该系统主要包括：相关信号的调理电路、VF电路、FV电路、光纤发送接收电路等，如图1所示。模拟量信号(来自开关电源的采样信号以及来自外界的控制信号)经过调理后，通过VF变换转换为一定频率(大小可以调整)的电脉冲信号(示波器下看到的是方波信号)，该电脉冲信号的频率与模拟量信号数值成正比。光纤发送器以光纤为媒介将电脉冲信号以光脉冲信号形式传输出去，光纤接收器将接收到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，通过FV变换转换成模拟量信号，这样就实现了以光纤为传输媒介的模拟量信号传输。高频光脉冲序列具有较好的抗干扰性和较低的衰减度，不易受电磁干扰影响，同时对电源设备外壳做好屏蔽，电缆采用屏蔽线、安装电源滤波器等，故在复杂电磁环境下抗干扰性能强。 本文的主要工作：将光电技术应用于大功率电源设备在高压下的信号传输，给出了系统架构，分析了电路原理，搭建了传输系统，在高电压下进行了实验测试，分析了实验结果。 为了把模拟电压信号通过光纤进行传输，需要先进行电压/频率转换。AD650[7-10]是一款通用型的电荷平衡式转换器，具备工作频率高、线性度好、输入电压范围宽等优点。既可以用作电压/频率转换，又可以用作频率/电压转换。在通讯、远距离传输、仪器仪表等领域得到了广泛应用。如图2和图3所示，输入电压VIN经输入电阻RIN转换为电流对电容CINT充电，电容两端电压不能发生突变，这段时间称为积分周期，当电位降到比较器的参考电位(-0.6 V)时，比较器输出高电平触发单稳态触发器，电流开关打到S1，此时电流对电容CINT反向充电，这段时间称为复位周期。 图2 积分电容CINT的电压变化 图3 VF变换原理图 ， 。 复位周期电位上升 。 复位周期结束，单稳态触发器输出低电平，电流开关回到原位，进入积分周期，积分周期： 。 输出受单稳态触发器控制，每次触发时间间隔为tOS+T1，输出频率为： 。 输入电压与输出频率成正比，实现了电压频率转换。 在VF变换电路中需要确定4个元件参数：输入电阻RIN、定时电容COS、逻辑电阻R2和积分电容CINT。其中输入电阻和定时电容决定了满度频率、输入电压的范围和非线性度的大小。在满度范围100 kHz，对应输入电压0～10 V的前提下，RIN=20 kΩ和COS=620 pF可以获得最小的非线性误差，CINT可以根据最小值取1 000 pF)计算求得。 R2需要限制输出晶体管中电流小于8 mA，如果选择5 V的逻辑电源，那么R2的取值应该不低于5 V/8 mA=625 Ω。 在实际测试中发现，上述参数及计算公式只适合测试直流量，不适合测试交流量，对于输入信号有频率要求的场合，可以按下列公式计算参数,R2的计算方式不变： 表1 时间常数与精度关系表N位数精度4.1661..8570..5580..2390.....05008...006010.. ， ， 。 。 如图4和图5所示FV转换主要构成包括一个比较器、一个电流源、一个积分器和一个单稳态触发器。输入的脉冲信号经过微分电路送到比较器，当其电位低于比较器的参考电位(-0.6 V)，比较器输出高电平触发单稳态触发器，电流开关打到积分电容，使得电流源对积分电容充电，充电时间由电容大小决定。输入信号频率越高，电容累积的电荷越多，输出电压越大。 图4 电流源占空比 图5 FV变换原理图 ， ， 输入信号频率与输出电压成函数关系，实现频率/电压转换。在实际应用中，VF与FV电路选择相同的参数计算公式达到较好的电路效果。 光纤传输器[11-12]是光纤通信系统的重要组成，负责光信号的远距离传输。安捷伦公司生产的hfbr2412是集成了PIN光检测器和前置放大器的新型光接插器件。Hfbr1414是avago公司生产的一款光纤发射器，HFBR14XX系列一般与HFBR24XX系列配套使用，其内部电路主要是一个发光二极管，属于流控器件，所以光纤发送器需要通过驱动电路提供足够的驱动电流实现光信号的发射。如图6所示，当2号引脚输入高电平，3号引脚输出低电平，HFBR1414无光，通过光纤适配器传输给HFBR2412,HFBR2412没有接收到光信号，输出高电平；当2号引脚输入低电平，3号引脚输出高电平，HFBR1414有光，通过光纤适配器传输给HFBR2412, HFBR2412接收到光信号，输出低电平；这样就实现了电信号的光纤传输。 注意事项： (1)Datasheet中关于HFBR1414驱动电路部分,驱动芯片标注的是SN，这是一个与门。若按Datasheet选用这个器件搭建光纤收发电路，那么当发送端发送一个高电平，HFBR1414发光，HFBR2412接收到光信号输出低电平；反之亦然，结果导致了输入输出电平反相，这里是Datasheet中的一个错误，内部结构是正确的，但是标注错了，请一定要注意。芯片电源与地之间需要接电容，否则会出现发热现象。 (2)驱动电流的大小决定传输距离，可以通过调节电阻R86实现。 2 应用实例 以项目需求为例： 环境电压60 kV，电源工作在全开和全关两种状态，全开时输出30 V、150 A。AD650满刻度频率高达1 MHz，这里选择模拟量频率变换范围0～100 kHz。调节VF电路的输入电阻修正电压与频率的对应关系；调节FV电路输入电阻使输出电压与输入电压相匹配，通过示波器观察直到两者基本重合。模拟量信号在传输过程中必然会有延迟，RC滤波电路及电压频率转换电路的积分电容都会造成信号传输延迟。信号输入频率越低，重合度越高，延迟越小，当输入信号频率达到1 kHz，延时约为100 us，如图7所示。 图6 光纤发送驱动电路 图7 输入信号频率1 000 Hz 相关参数选择流程如图8所示。 (1)tOS=0.9×1/fMAX=9us; ，如果RINT数值小于1 kΩ,那么tOS需要重新重新估算。 (4)根据表。 电源频率响应计算电容电阻等参数时需要保留一定的裕量。按最大1 kHz要求计算参数，测试到800 Hz效果就已经不好了，所以在计算时可以按2 kHz选型，此时响应时间0.5 ms。 图8 设计流程图 3 结 语 本文将光电技术应用于大功率电源设备信号传输系统中，有效地减小了传输过程中受到的外界干扰，能够在60 kV高压环境下正常工作，模拟量输入信号频率响应达到1 kHz，传输最大延迟100 us。

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