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如何在单电源工业机器人系统中隔离高电压
 

【作者: Bonnie Baker】2018年08月31日 星期五

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在工业自动化应用中,将多个系统连线可提供众多优势,不过,这些系统之间若存在较大电压差,设计人员就必须管理电压不一致的问题了。这包括管理系统接地的较大电压差。


光学、磁性和电容屏障等硬体技术有助於解决这些类比与数位电流隔离的挑战。隔离传输讯号的类型包括类比讯号、电力讯号以及数位讯号。


本文将介绍合适的工业电压隔离解决方案及其相关应用。


电流隔离屏障

电流隔离措施将电路分开,防止电压与接地间产生电流。下方展示了两个或更多电路之间直接连线所产生的电流(图1)。



图1 : 这张工业机器人的细部检视显示控制、马达驱动器及电力部分的隔离要求,以及这些区块间的通讯。(source:Texas Instruments)
图1 : 这张工业机器人的细部检视显示控制、马达驱动器及电力部分的隔离要求,以及这些区块间的通讯。(source:Texas Instruments)

在电流隔离的情况下,将不会有直接的导电路径。这种类型电路的优点在於,类比或数位资讯可以透过光学场、磁场、电场,跨过电流屏障进行交换,因此产生了众多机会。其中之一在於多个系统可以在不同的接地与电位下安全且恰当地运作。此外,还可以在此过程中交换类比或数位资讯而不彼此干扰或破坏。


设计人员为了解决这些问题,需要为其电路找到合适的电流隔离技术。可用的选项包括光学(LED、光电二极体)、电气(电容)或磁性(电感)隔离技术。在本文中,所有隔离屏障的实作都存在於矽晶或属於半导体封装一部分 (图2)。



图2 : 光学耦合需要使用LED与光电二极体。电感式耦合需要使用由隔离器分开的两个绕组。电容耦合需要使用由隔离器分开的两条导线。(source:Texas Instruments)
图2 : 光学耦合需要使用LED与光电二极体。电感式耦合需要使用由隔离器分开的两个绕组。电容耦合需要使用由隔离器分开的两条导线。(source:Texas Instruments)

光学隔离

光学隔离依赖发光LED与接收光的光电侦测器之间的隔离。在电流隔离中,LED是透过隔离材料(如透明的聚??亚涞)直接照向光电二极体。


光学隔离的优点是可以免受电场与磁场的干扰;但是LED会在生命周期内随着时间而劣化。



图3 : 光耦合器包含以环氧树脂黏合至引线框架的发射器(LED)及光电二极体(接收器),两者间以透明的聚??亚涞作为隔离屏障。(source:Texas Instruments)
图3 : 光耦合器包含以环氧树脂黏合至引线框架的发射器(LED)及光电二极体(接收器),两者间以透明的聚??亚涞作为隔离屏障。(source:Texas Instruments)

光学屏障的类比讯号应用

光学隔离元件的屏障可以传输类比或数位讯号。Vishay Semiconductor Opto Division 的 IL300线性光耦合器是一款线性光学隔离元件,其封装内包含一个 LED与两个光电二极体,各个元件之间均有电流隔离。IL300晶片中的LED对两个光电二极体均匀照射,产生等量电流(IP1 与 IP2)(图 4)。



图4 : IL300 LED与光电二极体1(IP1)位於隔离屏障的左侧。光电二极体2(IP2)位於隔离屏障的右侧。(source:Vishay Semiconductor Opto Division)
图4 : IL300 LED与光电二极体1(IP1)位於隔离屏障的左侧。光电二极体2(IP2)位於隔离屏障的右侧。(source:Vishay Semiconductor Opto Division)

图4中的U1放大器(Texas Instruments 的 TLV9064IDR)驱动IL300 LED,产生回??光电二极体电流(IP1)。前??光电二极体电流(IP2)通过隔离式R2 电阻传送,该电阻位於隔离式U2放大器的回授??路中。在此电路中,增益等於R2/R1。此外,Vout 讯号不受VCC1 相对於VCC2 的变化的影响,也不受两个接地的影响。


LED明亮度随着时间变化会降低。然而,图4中的系统并不倚赖LED的明亮度等级,它只需要LED开启即可。这样,两个发光二极体可捕捉到同等的照明。若要将IL300套用到图1的方块图中,则将其放在人机介面(HMI)与机器人控制器之间可能会比较合适。


光学屏障的数位讯号应用

光耦合器的替代应用是将该元件作为数位发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器与 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器都是高速光耦合器,两者均采用开汲极NMOS电晶体输出,可轻易隔离类比转数位(ADC)转换器的三通道数位输出(图5)。



图5 : SFH6750双通道隔离耦合器与QTM601T1单通道隔离耦合器产生可隔离 24 位元 Δ? ADC 的隔离屏障。(source:Digi-Key Electronics)
图5 : SFH6750双通道隔离耦合器与QTM601T1单通道隔离耦合器产生可隔离 24 位元 Δ? ADC 的隔离屏障。(source:Digi-Key Electronics)

图5中,24位元三角积分转换器的序列输出代码会从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750在数位领域里以光学方式完成此种传输。


SFH6750与QTM601T1配置提供多达10 MBd的传输速度,因此适合用於高速资料应用。从图1的方块图中可以知道,ADC介面适合放於人机介面(HMI)与机器人控制器之间。


电感式隔离

电感式隔离使用两个相互堆叠的线圈,两个线圈之间采用介电材料进行分隔。AC 讯号应用会产生一个磁场,该磁场会在二次线圈里引发一个电场(图6)。



图6 : 变压器配置的结构包含两个绕组,其间以聚??亚涞分隔。(source:Analog Devices)
图6 : 变压器配置的结构包含两个绕组,其间以聚??亚涞分隔。(source:Analog Devices)

电感式隔离是相当有效率的隔离方式,但也容易受到磁场的影响。


电感式线圈架构屏障的电力应用

磁性隔离屏障对类比与电力隔离应用非常有用。作为电力转换器,Analog Devices的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压DC-DC控制器的电感和外接电源FET 分别是T1与Q3(图7)。



图7 : 使用 ADuM3190 磁性隔离放大器与ADP1621升压DC-DC切换控制器的公版设计。(source:Analog Devices)
图7 : 使用 ADuM3190 磁性隔离放大器与ADP1621升压DC-DC切换控制器的公版设计。(source:Analog Devices)

图7中,Analog Devices的ADUM3190ARQZ-RL7高稳定性线性隔离式误差放大器提供了从T1二次侧至一次侧的类比回??讯号。整个电路的操作电压从5 V到 24 V,使其非常适合用於标准的工业电源供应器。


电容隔离

电容隔离元件的构造包含两片邻近的电容板,之间以介电物质分隔。二氧化矽 (SiO2)材质可以植入於两片电容板之间以产生隔离现象。在此配置下,SiO2 的崩溃电压为 500 至 800 V/μm 之间。此种类型隔离器应有的典型距离是27 mm,因此隔离屏障隔离能力介於 13.5 kV及 31.6 kV之间(图8)。



图8 : 电容板之间的介电物质为二氧化矽(SiO2),可提供500至800 V/mm 的隔离保护。(source:Texas Instruments)
图8 : 电容板之间的介电物质为二氧化矽(SiO2),可提供500至800 V/mm 的隔离保护。(source:Texas Instruments)

电容隔离最适用於小空间应用。然而,其周围电路比光学与磁性解决方案更为复杂。


电容屏障的类比应用

典型的电容类比隔离器(如TI的 AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV)可接收类比讯号,将该讯号调变成数位形式,然後穿过屏障传输经过数位化的讯号(图9)。



图9 : AMC1311DWV电容式全差动类比隔离器穿过屏障传输第二阶三角积分调变器讯号。(source:Texas Instruments)
图9 : AMC1311DWV电容式全差动类比隔离器穿过屏障传输第二阶三角积分调变器讯号。(source:Texas Instruments)

讯号在屏障的接收器侧经过解调变,成为差动输出类比讯号。


马达控制环境里的电感式负载容易受到高切换电压摆荡的影响。为了确保正确操作,需要对这种多变化的环境进行持续监控。隔离式电压感测使用电阻分压器降低工业马达驱动器电路中的高共模电压,适合AMC1301与AMC1311隔离式放大器的马达控制应用(图10)。



图10 : AMC1301侦测流至电感式桥接器的FET电流。AMC1311侦测变频器中的DC汇流排电压。(source:Texas Instruments)
图10 : AMC1301侦测流至电感式桥接器的FET电流。AMC1311侦测变频器中的DC汇流排电压。(source:Texas Instruments)

图10中,透过分流电阻RSHUNT 及AMC1301隔离式放大器,进行相位电流测量。AMC1311透过高阻抗输入与高共模暂态耐受性,可侦测偏压VBIAS,以便稳定读取系统配置。甚至在杂讯极大的环境中(如用於马达驱动器的变频器功率级),AMC1311仍可确保可靠及正确的运作。


AMC1301与AMC1311两者都可以抵抗磁性干扰,而且电流隔离能力高达7 kVPEAK。当AMC1301与AMC1311连同隔离式电源供应器一并使用时,可防止高共模电压线上的杂讯电流进入本地接地,免其干扰或损坏高敏感电路。


电容屏障的数位应用

典型的电容数位隔离器先接收数位讯号,将该讯号调变成合适的AC讯号,再将该讯号传送至解调器,从而预备好传送DC讯号至输出引脚(图 11)。



图11 : 电容数位隔离器需要将较高的DC输入调变成AC讯号。AC讯号穿过隔离屏障并解调回较高的 DC 数值。(source:Silicon Labs)
图11 : 电容数位隔离器需要将较高的DC输入调变成AC讯号。AC讯号穿过隔离屏障并解调回较高的 DC 数值。(source:Silicon Labs)

在图11中,只要传输讯号保持高讯号值,就可以在接收器侧产生较高数位传输讯号。不过此逻辑中存在冲突;如果电荷从电容板上消散,或者在接收器侧发生电力中断,则有可能在输入状态较高的情况下,输出变为零。如果发生此状况,接收器高数位状态的情形就会消失。为了解决这个问题,调变器会为数位「零」产生单一低电压,为数位「一」产生一个快速通讯AC轨对轨讯号(图12)。



图12 : 当输入代码为「一」时,数位电容隔离器将AC讯号穿过屏障进行传输。当输入代码为「零」时,就不需要传输此AC讯号。(source:Silicon Labs)
图12 : 当输入代码为「一」时,数位电容隔离器将AC讯号穿过屏障进行传输。当输入代码为「零」时,就不需要传输此AC讯号。(source:Silicon Labs)

使用Silicon Labs的 SI8422 与 SI8423 数位耦合器连接微控制器与ADC之间的数位线路的电容数位隔离范例(图13)。



图13 : 四通道隔离式SPI介面,其中三个通道从左向右传输讯号,一个通道则从右向左传输讯号。(source:Digi-Key Electronics)
图13 : 四通道隔离式SPI介面,其中三个通道从左向右传输讯号,一个通道则从右向左传输讯号。(source:Digi-Key Electronics)

电容数位元件所消耗的功率较低,但提供较高的数据传输率及较低的传播延迟。两种元件都可支援高达 150 Mbits/s 的数据传输率。


结论

光学、磁性与电容电流隔离屏障可以解决目前工业自动化应用中多种系统在处理类比与数位传输讯号时所面临的挑战。合并使用这三种硬体及两种讯号传输技术,可实现合适的工业自动化解决方案。


(本文由Digi-Key公司北美编辑群提供)


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