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光电耦合器在电源技术中的应用

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标签: 电源

电源

光电耦合器在电源技术中的应用光电耦合器在电源技术中的应用

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光电耦合器在电源技术中的应用
! "# !
"
综述
光电耦合器在电源技术中的应用
武汉大学电气工程学院
阳勇
熊会
!""#$%&’$() (* +,(’(-#-%’.$% /(0"#-. $) +(1-. 20""#3 4-%,)$50-6
0123 0423
56423 786
摘要:
针对现代电源技术中高电压、
大电流应用领域普遍存在的电磁兼容性问题,
对光耦合器在隔
离驱动、
电量反馈、
线性隔离、
电流传感微机通信以及
9 : ;
隔离½换等方面的应用½了一个大致的
概括和½纳,
给出了多种高性½的光电耦合器的具½应用电路。
关键词:
光电耦合器; 隔离驱动; 电量反馈; 线性隔离; 电流传感
分类号:
,<(=(
文献标识码:
/
文章编号:
(>>" ! "?## @>>@
! >>"# ! >A
>=
到工艺的限制而速度较½,从而½应用范围受到了
一定的限制。随着高速光电耦合器甚至光电集成电
路的出现,其应用范围已经跨越光电隔离而在电源
技术的各个领域如线性隔离、
电量反馈、
电流传感、
电量变换等,
方面½有成功的应用,
从而给电源的设
计带来极大的方便。
现代电源技术中往往½存在着高电压、大电流
及由此而来的电磁兼容性
$%&
问题,
如果不½妥
善解决,将会对电源设备本身及外部工½环境造成
严重的电磁干扰,从而½响电源本身以及电子设备
工½的可靠性。因此,
随着计算机技术的发展,
由微
机控制与管理的智½化电源已经成为现代电源技术
发展的主要½流之一
在电源的设计过程中,
如果电
源本身的
$%&
问题不解决,
那么微机控制系统也极
易受到干扰。基于这一点,电源工程师做了大量的
工½,
如屏½、
接地、
隔离等,
其中光电隔离技术以其
优良的抗干扰性½
(光信号是不受电磁干扰的)
而在
电源技术中得到了广泛的应用。早期的光耦由于受
(
隔离驱动
传统的电力电子器件
(如晶闸管、
电力晶½管、
%)*+$,
-./,
等)的驱动方法是采用脉冲变压器,
½是脉冲变压器存在一定的漏感,这样½输出脉冲
陡度受到限制,同时其绕组寄生电感和电容½脉冲
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
B&9BB ;-* *$, &)B
*$,/
C)C
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N
结束语
我 ½ 现 阶 段 应 用 最 广 泛 的 仍 是
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公 司
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系 列
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½ 单 片 机 , 由 于
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部 具 有 适 配
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系 列 的 操 ½ 时 序 电 路 ,因 此 , 对
于单片机控制系统的开发来说,
*%.(@@N@9
可 提
供 一 个 简 单 、 便 、 ½ 强 大
B&;
的 显 示 控 制 功
½。
参考文献
(P
郭强等
P
液晶显示器件应用技术
P
北京
G
邮电学
院出版社,
(??NP "
@P
长沙太阳人电子有限公司编
P *%.(@@N@9 B&%
½用说明书
收稿日期:
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咨询编号:
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在右屏写数据
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《½外电子元器件》
$%%$
年第
&
$%%$
&
前后沿出现振荡,对功率管不利。另外脉冲变压器
在传输½脉冲时容易出现铁心饱和,其共模抑制比
较½,而采用数字光电耦合器则不存在这些问题。
高性½的数字光耦原副边采用法拉第屏½进行去
耦,
因此,
抗共模干扰½力极强,
可以有效地抑制来
自功率电路的干扰信号。其次,光耦的隔离电压很
高,因此,数字光耦½直接驱动
-./0
123450
电压控制器件,从而极大地简化了以往繁琐的驱动
电路,提高了电源的可靠性。同时采用光耦½为驱
动元件来代替专用的驱动集成电路还可以在保证实
现同等功½的条件下有效地降½成本。实际上,用
于这方面的光耦比较多,如高速的
"6’,&
"6’,"
()*+,’$%
()*+$"%’
0+*$&%
等。其中
()*+,’$%
安捷伦公司推出的专用于
123450
-./0
驱动的
高速数字光电耦合器,
它的典型供电电压为
’&7
大供电电压为
,%7
最大延迟时间为
%8 & 9
。½提供
!
高达
7:; < ’&%%7
变化速率为
’&
%%%7 =
!
9
的共模
抑制比(
)10>
,其瞬态隔离电压可达
&%%%7
均方
= ;?@
并可提供峰值为
$A
的驱动电流,
因而只须
附加少量的外围元件就可组成高性½的驱动电路。
所示是由安捷伦公司的
()*+,’$%
来驱动
全桥递变器的实际电路,其中,
)’
为旁路电容,
)$
为储½电容,它们可用于维持驱动电压的稳定。限
幅二极管可将驱动电压幅值钳½在安全电压之内。
对于图
所示的全桥逆变器,
在开关管工½期间内,
其快速的开关将½其在栅极驱动电路的输入与输出
基准之间产生很大的电压摆动,从而出现大量的共
模噪声。如不加以隔离,将对灵敏的数据采集与处
理电路产生严重的电磁干扰,而
()*+,’$%
具有较
强的隔离度和很高的抗共模干扰½力,因此利用图
电路会有效抑制这种干扰。
$
一线性反馈电路
将这个物理量反馈至输入端,与给定值相比较而得
到一个偏差量,
该偏差量被处理后
(比例,
积分,
微分
环节)
½为控制量来控制输出。在电源技术中,
可利
用这个控制量去调节功率管驱动波½的占空比
*B1
型)
或控制角
(移相型) 从而实现稳压或稳流
输出。由于功率与控制部分应该在电源中进行电气
隔离,
因此,
在输出量幅值变化不大时,
只需采用单
光耦即可,这一点在小型开关电源反馈取样电路中
具有广泛的应用,
½½输出量变化很大时,
由于光耦
内部光电三极管的非线性特性,普通单光耦便不合
适了,
较理想的方法是采用线性光耦反馈。
$
所示
是一个利用两个普通单光耦代替线性光耦来改善非
线性失真特性的应用电路,
实验证明,
该电路可以取
得较½的线性效果。
要保证图
$
所示电路的线性特性,关键是要保
证光耦
2*0’
2*0$
的一致性,因此最½选用将
2*0’
2*0$
集成在一个芯片内的光耦器件,如
另外,
可在这个电路的前级及后级附
0+*&$’
$
等,
加运放,并利用运放来加强负反馈的½用以稳定放
大倍数,
进一步减小非线性失真。这样,
可以取得相
½½的效果,½必须注意合理选择电阻及电容的参
数以防止运放发生自激。
,
线性隔离
智½化电源本身就是一个自动控制系统,而要
实现自动控制的关键依据就是实时数据采集与状态
识别。此外为了了解电源的运行情况,也需要实时
地监测各种参数,
因此在电源系统中,
电量的采集是
非常重要的,如
C*3
中电池充放电电压
电流测量、
市电幅值检测、
直流总线电压
测量、通信用直流不间断电源系统电压
测量、输入输出电流测量等。½这些测
量最终½可以将其½化为直流电压的测
(通过电阻取样及整流环节)
。在不需
要隔离的情况下,直流电压的测量是较
$
电量反馈
反馈理论表明,
要维持一个物理量的稳定,
必须
采用
()*+,’$%
的隔离驱动电路
容易的,只要采用比较简单的电阻分压
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光电耦合器在电源技术中的应用
! "# !
大器。由于它同时兼有线性隔离与放大
的功½,且有极强的抗干扰½力及优越
的隔离性½,因此½有效地抑制共模干
扰。在对差分输入为
& ’ 5&&E)
的直流电
压信号进行线性放大时,其非线性失真
只有
&H &(I
典型放大
/6*2
可达
#"JK
$
高压直流电压线性隔离电路
取样½络将其降为满足测量要求的电压
& ’ ()
可,
½是大部分情况下,
需考虑电气隔离和测量的精
度,
采用高精度线性光电耦合器
(如
*+,$&&-
./0
即可以取得很½的效果。
$
是一个
123&& 4 3&5
等)
./123&& 4 3&5
测量电压的实际电路。
实际上它起
的是一个直流变压器的½用。
$
中,
原边运放采用
的是单电源供电的
,63#&%
副边运放采用精密运放
78&9
在测量高压直流时,
应先采用电阻分压降压,
得到一个未经隔离的½压直流信号,然后经过线性
光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入
- 4 :
½换测量。由线性光耦的传输特性及运放的原
理得出输出与输入电压的关系:
?
)
7;*
4 )
+1
< =
$
> )2
5
4 2
$
2
3
4 @ 2
5
A 2
3
B C
式中,
=
$
表示光耦传输电流增益,其值为正向
而正向电流增
电流增益与伺服电流增益的比
=
3
4 =
5
=
5
则是光耦输出光电流与输入
,D:
电流之比;
服电流增益
=
3
则是光耦反馈光二极管电流与输入
,D:
的电流之比。
通过调节精密电½器
)25
的阻值就可以方便
的调节线性变换器的增益,从而得到满足测量要求
的直流信号。
在隔离测量小电压信号的场合
EF
级) 如仍采
./123&& 4 3&5
进行线性隔离,
则其前级必须附加
测量放大器进行小信号放大,这样将½电路变得复
杂,
另外抗共模干扰等一系列问题也很难得到保证,
因此,推荐采用
./8,9G%&
高精度集成线性隔离放
倍数为
G
%
所示是其小信号隔离放大
电路的连接图。
在图
%
中,
./8,
5
脚和
G
脚分别接两组不同
A ()
电源,
这两组
A ()
电源必须是独立的。由于
高精度隔离放大器的增益会受到限制,
./8,9G%&
最大输出电压只有
$)
左右,
因此后级采用
6/$%&G5
(或
*,&93
)运放进行信号调理与差动放大,以得到
满足微机测量要求的
& ’ ()
& ’ 5&)
电压输出。
%
微机通信
+ 4 )
4 +
)
采用光电耦合器可以比较方便地实现从电压到
电流或从电流到电压的精密线性变换。在直流不间
断电源系统中,½前广泛采用分布式供电来代替集
中供电以实现通信电源的集中监控与无人或少人值
守。而完成这一整套任务的关键是采用所谓的“三
遥”遥测,
遥信,
遥控)
技术,
而三遥是通过上级监控
系统与下级监控模块的实时通信实现的,目前广泛
采用
2L3$3
2L%G(
3&E-
电流环三种接口标准,
其中
3&E-
电流环是串行通信广泛½用的一种非标
准接口电路。它由发送正和负、接收正和负组成了
一个输入电流环路和一个输出电流环路。½发送数
据时,根据数据的逻辑
5
&
来½回路有规律½成
通断状态。这种方式的最大优点是½阻传输线对电
气噪声不敏感,
且易实现光电隔离,
因此在长距离通
信时
(小于
3&&&E
要比
2L3$3
优越的多,
非常适用
于通信局
(站)
与直流监控模块以及通信局
(站)
大楼
内 的 通 信 。 采 用
./123&& 4 3&5
线 性 光 耦 组 成 的
其中图
( @ M B
为接
3&E-
电流环接口电路如图
(
所示。
收电路
N
图 (
O
(
为发送电路,
8:5
< )PQ 4 2
5
+
(短路保护及过½½检测)
(
电流传感
短路保护及过½½检测是电源的一项最重要的保
护功½,它对电源的可靠运行及在紧急情况下电源
的安全起着非常重要的½用。它是通过对电流的快
速传感检测来实现的,其经典方法是采用霍耳电流
%
小信号隔离放大电路
传感器来进行,因为这种方法具有反应速度快和精
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《½外电子元器件》
$##$
年第
%
$##$
%
7 &’,-"../
在电源过流及短路保护中的应用电路
% &’()$##
组成的
$#*+
电流环通信电路图
密度很½的特点。½在小功率的电源设备中,采用
霍耳传感器的成本昂贵,而采用高性½的光电耦合
集成器件则可大大降½成本,
而且应用简便,
性½超
群,
&’,-"../
是这方面的典型代表。
&’,-"../
有一个绝对值电压输出端
+012+-
可用于电源的过流或过½½保护,½过流时,
+012+-
的幅值增大,从而在与电压比较器的参考电压比较
后可得到一个高电平信号,该信号被微控制器所接
收后即可½相应的过流保护。值得一提的是:
&’3
,-"../
可以将短路保护与过流保护分开,½处是在
负½½出现瞬时过流时不会将
4+5-6
拉½,
这样电源
就不会关机保护而是执行降压限流操½,从而提高
某些重要负½½的供电可靠性。
对于三相逆变电源,三相
5,1
及三相电机的过
流及短路保护,
&’,-"../
是非常有效的,因为它的
4+5-6
+012+-
输出端均可以实现“线与”功½,
这意味着用三片
&’,-"../
来分别检测三相电流时
可将
4+5-6
+012+-
输出端
“线与”
。这样只要任
意一相发生短路或过流,
4+5-6
+012+-
½将输
出有效信号去触发保护。
7
&’,-"../
组成的短路和过流保护电路,
½用时最½在各个输出信号端加上一个
8"#94
旁路
电容以消除尖峰干扰的½响。
&’,-".7#
将输入的模拟电压信号通过
!
"
+ : ;
½换器½化为一½高速串行数据流,
该高速数据流在
采样时钟的控制下被量化及编码后传输至副边,
再在
副边被解调恢复,
最后输入分离的高速时钟和数据通
道再由
&’,-"."#
进行下一步处理。
&’,-"."#
将输入的串行数据流½化为
<%
½的
字节输出,它支持
1,=
>1,=
?=’)@A=)B
三种接
口协议,
可与微控制器直接连接。
另外,
&’,-"."#
支持多路复用,因此可同时输入两路数字信号进行
处理,
&’,-".7#C &’,-"."#
组成的可编程
+ : ;
½换
器具有
<$
½的线性度,
½换时间为
"##DE
可提供
%
种½换模式
C
最大输入电压范围为
F $##*2 C
因此它
也是一款适用于小信号线性隔离放大的光电集成电
路,
不过它½直接将模拟量½化为数字量输出,
从而
避免了某些场合下所需要附加的
+ : ;
½换器,
这在
没有集成
+ : ;
½换器的微机测试系统中非常有用,
在电源技术中,它的最重要的应用是用于电流的精
密测量,适½的选择取样电阻即可精密测量
< G
<##+
范围内的电流。图
"
&’,-".7#
&’,-"."#
组成的可编程
+ : ;
½换器的典型应用电路,将
1’-H
1;+6
’1
与微处理直接接口,然后通过读
1;+6
口的输出数据即可测得系统电流。
收稿日期:
$##< ! <# ! $%
咨询编号:
!"!#"#
7
光电隔离型
+ : ;
½换
隔离型
+ : ;
½换器在需要电气隔离的测
量系统中具有广泛应用,由于其本身带有隔
离环节,因此可靠性高,抗干扰½力强。
&’3
,-".7#
&’,-"."#
的组合是典型的隔离型可
编程
+ :;
½换器,
其中
&’,-".7#
为隔离调制
器部分,
&’,-"."#
为数字接口部分。工½时,
" &’,-".7# : &’,-"."#
的应用电路图
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