寬頻光隔離放大器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

劉恒杰， 武志剛， 孟祥君， 劉遠(yuǎn)龍,3， 姚 剛， 鄒國(guó)鋒

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司， 濟(jì)南 271100; 2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司, 濟(jì)南 250001; 3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院, 濟(jì)南 250061； 4.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，淄博 255049)

電力系統(tǒng)信號(hào)測(cè)量存在共模干擾以及在線路故障或遭受雷擊時(shí)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，關(guān)乎人身安全及電力二次設(shè)備的可靠運(yùn)行，因此需要隔離放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和調(diào)制[1-2]。電力系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)除了包含穩(wěn)態(tài)的工頻信號(hào)，還涉及故障時(shí)的高頻暫態(tài)信號(hào)，因此對(duì)隔離放大器來(lái)說(shuō)，除了要滿足工頻信號(hào)的傳輸要求，還必須滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的高頻信號(hào)傳輸要求[3]。例如，在常規(guī)繼電保護(hù)中所用諧波一般為5次，功率測(cè)量的建議頻率為13次諧波，小電流故障選線有效頻率為20～2 kHz，行波測(cè)距所用故障信號(hào)頻率在500 kHz～2 MHz[4]。為滿足電力系統(tǒng)的測(cè)量應(yīng)用，隔離放大器除了要保證傳輸精度，還必須具有足夠?qū)挼膫鬏旑l帶。

目前，按隔離方式的不同，常用的隔離放大器分為磁耦隔離式和光耦隔離式[5-6]。磁耦隔離如變壓器隔離通過(guò)線圈間的磁通耦合傳輸信號(hào)，具有線性度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，但是磁耦隔離方式的帶寬相對(duì)較窄，且不容易做成IC(芯片)，限制了它的應(yīng)用。光耦隔離利用光電之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電氣隔離，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理的隔離電路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較高的線性度與精度[5-9]。文獻(xiàn)[5]給出了線性光耦HCNR200的帶寬和傳遞系數(shù)測(cè)試方法，但缺少對(duì)傳輸帶寬原理和影響因素的分析；文獻(xiàn)[6-7]將線性光耦應(yīng)用于直流和低頻模擬電路的信號(hào)采集，其缺少對(duì)線性光耦頻率特性的研究；文獻(xiàn)[8]將線性光耦HCNR201用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電壓隔離，但其應(yīng)用僅涉及工頻及以下頻率；文獻(xiàn)[9]將線性光耦A(yù)CPL-C87B應(yīng)用于故障錄波器的信號(hào)采集，其設(shè)計(jì)頻帶達(dá)到了50次諧波，對(duì)于頻率更高的暫態(tài)頻率特性并未涉及。文獻(xiàn)[10]提供了一種光耦式隔離放大器的設(shè)計(jì)，但該設(shè)計(jì)傳輸頻帶窄，不滿足行波等高頻電力信號(hào)的傳輸要求。

針對(duì)現(xiàn)有隔離放大器的不足，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)膶掝l光隔離放大器。首先，詳細(xì)介紹隔離放大器各模塊電路的基本原理，并對(duì)其傳輸特性進(jìn)行建模分析，獲得相應(yīng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。然后，利用Multisim進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，并采用實(shí)物平臺(tái)開(kāi)展實(shí)測(cè)驗(yàn)證。以證明的寬頻光隔離放大器的可行性和有效性。

1 隔離放大器基本原理

隔離放大器包含信號(hào)放大和信號(hào)隔離，輸入信號(hào)經(jīng)放大、隔離和濾波后對(duì)外輸出等模塊電路構(gòu)成，系統(tǒng)整體電路如圖1所示。

1.1 放大電路

運(yùn)放芯片選用低功耗、高共模抑制比、高轉(zhuǎn)換速率，增益誤差小的AD8051AR，采用單電源12 V供電。該運(yùn)放的增益帶寬積為110 MHz，壓擺率為145 V/μs，以傳輸100 mVVP-P的小信號(hào)為例，增益為10時(shí)，帶寬可達(dá)11 MHz；當(dāng)輸入4 VVP-P的大信號(hào)時(shí)，根據(jù)壓擺率SR與帶寬BW的計(jì)算公式SR=2πVP-PBW，此時(shí)的帶寬為4.3 MHz，滿足行波信號(hào)的傳輸要求。

二極管D1、D2并聯(lián)在運(yùn)放的輸入端，當(dāng)輸入電壓過(guò)大時(shí)二極管導(dǎo)通，輸入端被短路，防止運(yùn)放損壞。二極管D3、D4串入直流電源中，為電源極性保護(hù)電路。

由于運(yùn)放的輸入阻抗一般很高，輸入電阻R1選擇余地比較大，但為了減小偏置電流帶來(lái)的影響，降低噪聲和溫漂的干擾，輸入電阻一般選擇在(10～100) kΩ的區(qū)間。因?yàn)檫\(yùn)放的固有特性，其存在的增益誤差Vo1/AOL也被放大輸出，計(jì)算時(shí)要從理想輸出中減去。根據(jù)圖1，放大電路的傳遞函數(shù)H1為

(1)

式(1)中：Vin為輸入信號(hào)；Vo1為放大后的信號(hào)；Ci為運(yùn)放的等效輸入電容；Cf為反饋電阻R6上的寄生電容，取1 pF；AOL為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。

1.2 基準(zhǔn)電壓電路

交流系統(tǒng)信號(hào)為雙極性信號(hào)，由于LED僅在流經(jīng)正向電流時(shí)發(fā)光，因此通過(guò)疊加一個(gè)直流偏置電壓信號(hào)為發(fā)光電路設(shè)置一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)雙極性信號(hào)的傳輸。直流偏置電壓由高可靠性基準(zhǔn)電壓芯片TL431提供，內(nèi)部含有一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)電壓Vref，其輸出的直流偏置電壓Vb為

Vb=(1+R3/R4)Vref

(2)

基準(zhǔn)電壓芯片TL431的開(kāi)環(huán)增益較高，響應(yīng)速度快，當(dāng)取樣點(diǎn)(R3、R4的連接點(diǎn))離兩極較遠(yuǎn)時(shí)，電路容易產(chǎn)生超調(diào)自激，使用時(shí)需要注意。

1.3 電光轉(zhuǎn)換電路

電光轉(zhuǎn)換電路包含1個(gè)恒流源電路和1個(gè)LED，恒流型驅(qū)動(dòng)使得輸入電壓信號(hào)Vo1與通過(guò)LED的電流呈線性關(guān)系。

HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含1個(gè)LED和2個(gè)PD，PD1、PD2是兩個(gè)相鄰且性能相同(忽略工藝差異)的光敏二極管。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)LED時(shí)，LED發(fā)出的光被耦合到PD1與PD2，2個(gè)光敏二極管從LED得到相同的光照，產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的光生電流。PD2和LED構(gòu)成的反饋調(diào)節(jié)消除了LED的非線性和偏差特性所帶來(lái)的誤差，從而保證了整個(gè)光耦的線性度。HCNR201可在-40～+85 ℃的寬溫度范圍內(nèi)工作，且穩(wěn)定性好，線性度高，頻帶寬，成本低，非常適合用于模擬信號(hào)的隔離。

圖2所示為L(zhǎng)ED的等效電路，ILED為通過(guò)LED的發(fā)光電流，由恒流源電路提供，大小為Vo1/R10。C7為L(zhǎng)ED的結(jié)電容，典型值為80 pF。由于LED的電功率除發(fā)射出去的光功率外，其余為熱功率傳遞到外界環(huán)境，R14、R15消耗的功率即表示LED的光功率和熱功率。

電光轉(zhuǎn)換電路輸出光強(qiáng)度Io與輸入電壓信號(hào)Vo1的傳遞函數(shù)H2為

(3)

式(3)中：C7為L(zhǎng)ED結(jié)電容；η1為發(fā)光效率；R14、R15分別為L(zhǎng)ED的發(fā)光功率和發(fā)熱功率的等效電阻。

圖2 LED等效電路Fig.2 LED equivalent circuit

1.4 光電轉(zhuǎn)換電路

PD1根據(jù)LED的發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生線性光電流，運(yùn)放與電阻R11組成了“電流-電壓”轉(zhuǎn)換器，光電流經(jīng)該轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出。圖3所示為PD的等效電路，包含一個(gè)電流源IPD1，一個(gè)理想二極管D，一個(gè)結(jié)電容CD，暗電阻R16及串聯(lián)電阻R17。

圖3 PD等效電路Fig.3 PD equivalent circuit

光生電流IPD1=rφφe，在光通量φe波長(zhǎng)分布不變的情況下光電二極管通量響應(yīng)率rφ為一常數(shù)；二極管D表示正向偏置狀態(tài)下的電壓條件；暗電阻R16為零偏置時(shí)的結(jié)電阻，該阻值通常很大，其分流效果有限，可以忽略；串聯(lián)電阻R17為半導(dǎo)體材料的電阻，通常情況下其阻值很小，故分析時(shí)也可忽略。對(duì)光電管來(lái)說(shuō)，對(duì)其頻率特性影響最大的是結(jié)電容CD，二極管D上的任何電壓信號(hào)都會(huì)和結(jié)電容相互作用，從而分流二極管的光電流，限制帶寬[11]。

圖4所示為光電轉(zhuǎn)換單元的等效電路，Cicm、Cid分別代表運(yùn)算放大器的共模輸入電容和差分輸入電容。在光電轉(zhuǎn)換電路中，寄生電容作為自補(bǔ)償?shù)囊徊糠郑梢院脱a(bǔ)償電容合并分析。根據(jù)圖4等效電路得到輸出信號(hào)Vo3與輸入信號(hào)IPD1的傳遞函數(shù)H3為

kR11s[R11(Ci+C3)/AOL+R11C3]+1+1/AOL

(4)

式(4)中：Ci=CD+Cicm+Cid，總電容值取30 pF；C3取10 pF；R11取10 kΩ；k為光電轉(zhuǎn)換效率，k的值為0.48；AOL為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。

圖4 光電轉(zhuǎn)換等效電路Fig.4 Equivalent circuit of photoelectric conversion

1.5 反饋電路

反饋電路使用一光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，其包含一個(gè)PD和一個(gè)“電流-電壓”轉(zhuǎn)換器，反饋電路的傳遞函數(shù)H4為

(5)

1.6 濾波電路

濾波電路可設(shè)計(jì)為一帶通濾波器，該濾波器由R12、R13和C4、C5組成，其上限截止頻率fp2和下限截止頻率fp1分別為

fp2=1/2πR13C5

(6)

fp1=1/2πR12C4

(7)

濾波電路的通頻帶fbw為

(8)

為保證行波等高頻信號(hào)的傳輸，設(shè)置上限截止頻率fp2>2 MHz，下限截止頻率fp1用于濾除直流量及其他低頻成分，用以提高暫態(tài)信號(hào)的提取效果。

濾波電路的傳遞函數(shù)H5為

(9)

式(9)中：Vout為隔離放大器的輸出信號(hào)。

隔離放大電路整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H為

(10)

隔離放大電路元器件參數(shù)選定：R1=10 kΩ，R2=1.5 kΩ，R3=R4=10 kΩ，R5=100 Ω，R6=20 kΩ，R7=1 Ω，R8=50 kΩ，R9=50 kΩ，R10=50 Ω，R11=50 Ω，R12=1 kΩ，R13=2 Ω，C1=4.7 μF，C2=0.01 μF，C3=10 pF，C4=12 μF，C5=37.5 nF，C6=10 pF。D1～D4型號(hào)均為快恢復(fù)二極管SS14。

2 仿真試驗(yàn)及性能分析

為驗(yàn)證隔離放大電路的可行性，利用Multisim對(duì)該電路進(jìn)行仿真，分別輸入1 VVP-P工頻、2 kHz正弦信號(hào)和1 MHz正弦信號(hào)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 隔離放大電路仿真波形Fig.5 Simulation waveform of isolated amplifier circuit

由圖5的仿真結(jié)果可以看出，工頻信號(hào)和2 kHz正弦信號(hào)的輸出波形無(wú)畸變，均能準(zhǔn)確反映出輸入波形，與輸入信號(hào)具有很高的線性關(guān)系，相位基本無(wú)延遲；1 MHz信號(hào)的增益明顯降低，相位也有了一定的延遲，但仍能夠反映出輸入信號(hào)的波形。

3 實(shí)物試驗(yàn)及性能分析

為測(cè)試隔離放大器的實(shí)際性能，根據(jù)以上分析試做了實(shí)物樣品并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。電路元器件選用低溫漂、噪聲小、功率裕量大的精密器件。為方便調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將R6替換為可調(diào)電位器。

3.1 頻率特性測(cè)試

以輸入信號(hào)的頻率作為單一變量，信號(hào)發(fā)生器提供1 VVP-P的正弦信號(hào)，改變輸入信號(hào)的頻率，實(shí)測(cè)輸出與輸入信號(hào)的波形比較如圖6所示。

觀察圖5和圖6可發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合，系統(tǒng)對(duì)工頻信號(hào)的傳變幾乎沒(méi)有延時(shí)，隨著信號(hào)頻率的增大，信號(hào)的滯后現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)。在傳變1 MHz正弦信號(hào)時(shí)相位有了明顯的滯后，波形出現(xiàn)了輕微的失真現(xiàn)象，但并不影響該高頻信號(hào)的識(shí)別。

圖6 隔離放大器實(shí)測(cè)波形Fig.6 Measured waveform of isolated amplifier

圖7所示為根據(jù)隔離放大器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所做的波特圖，從圖7中可以看出該隔離器的帶寬可達(dá)1 MHz，對(duì)低頻信號(hào)的隔離傳變基本無(wú)延遲，頻率為1 MHz時(shí)，相位存在約90°的滯后。

圖7 頻率特性曲線Fig.7 Frequency characteristic curve

3.2 傳輸精度測(cè)試

使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同幅值的工頻信號(hào)作為隔離放大器輸入，傳輸精度測(cè)試試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 傳輸精度測(cè)試Fig.8 Transmission accuracy test

對(duì)隔離放大器的輸出進(jìn)行實(shí)測(cè)，僅提取輸出信號(hào)中的工頻信號(hào)，得到工頻信號(hào)的傳輸精度與輸入信號(hào)的關(guān)系曲線如圖9所示。可以看出，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)具有很高的線性度，線性光耦HCNR201自身的直流非線性誤差為0.01%～0.05%，其工頻傳輸誤差依然小于0.2%，并且隨著輸入信號(hào)增大其輸出信號(hào)精度趨于穩(wěn)定。

圖9 工頻傳輸精度與信號(hào)幅值的關(guān)系Fig.9 Relationship between power frequency signal transmission accuracy and signal amplitude

當(dāng)待傳輸信號(hào)的頻帶在10 kHz以下時(shí)，其信號(hào)傳輸增益基本穩(wěn)定且基本沒(méi)有相移，該頻段信號(hào)的傳輸精度誤差依然小于0.5%。隨著信號(hào)頻率的增大，信號(hào)傳輸增益相較工頻開(kāi)始下降，且相移開(kāi)始增大，因此對(duì)電力系統(tǒng)的高頻暫態(tài)信號(hào)傳輸，需根據(jù)系統(tǒng)的頻率特性曲線對(duì)其信號(hào)幅度和相位進(jìn)行校準(zhǔn)以提高傳輸精度。

3.3 抗擾度測(cè)試

為測(cè)試該隔離放大器的抗擾度性能，對(duì)其進(jìn)行電快速瞬變脈沖群和雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)，圖10所示為電快速瞬變脈沖群測(cè)試參數(shù)設(shè)置。

圖10 電快速瞬變脈沖群測(cè)試參數(shù)設(shè)置Fig.10 Electrical fast transient burst test parameter setting

隔離放大器脈沖抗擾度試驗(yàn)施加電壓峰值為500、1 000、1 500、2 000 V的瞬變脈沖，重復(fù)頻率為100 kHz。浪涌抗擾度試驗(yàn)采用電流波形為8/20 μs的組合波發(fā)生器，開(kāi)路試驗(yàn)電壓分為500、1 000、2 000 V 3個(gè)等級(jí)，其余參數(shù)設(shè)置均依據(jù)《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》(GB/T 17626.5—2008)。經(jīng)測(cè)試，該隔離放大器可實(shí)現(xiàn)在2 000 V脈沖和浪涌沖擊下無(wú)硬件損壞，傳輸功能正常。

3.4 溫度對(duì)傳輸精度的影響

為驗(yàn)證溫度對(duì)傳輸精度的影響，試驗(yàn)中使用高低溫交變溫?zé)嵩囼?yàn)箱產(chǎn)生-20～60 ℃的環(huán)境進(jìn)行溫度影響測(cè)試，如圖11所示。

不同溫度下針對(duì)工頻信號(hào)傳輸精度的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。可以看出，雖然溫度升高和降低會(huì)影響LED的發(fā)光效率，但由于PD具備的寬溫度高線性特性，系統(tǒng)的傳輸精度基本保持不變。

圖11 溫度影響測(cè)試Fig.11 Temperature effect test

表1 溫度對(duì)傳輸精度的影響Table 1 Influence of temperature on transmission accuracy

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)寬頻光隔離放大器各功能模塊的建模分析，得到了反映其頻帶和傳輸特征的傳遞函數(shù)，為其工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。寬頻光隔離放大器的可傳輸信號(hào)頻帶達(dá)到了1 MHz，遠(yuǎn)高于磁耦方式隔離放大器，其工頻信號(hào)的傳輸誤差小于0.2%，使其完全可勝任電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量和暫態(tài)保護(hù)的要求，抗擾度和溫度測(cè)試驗(yàn)證了其工程實(shí)用性。隨著電力行業(yè)對(duì)人身安全及二次設(shè)備可靠性要求的提高，該寬頻光隔離放大器也將具有廣闊的應(yīng)用前景。