如何解决隔离单电源工业机器人系统中的高电压

时间:2018-05-30 10:55来源:电子发烧友

摘要:在我们设计单电源工业机器人的过程中系统总是存在高压差,对我设计带来了许多的不便之处那么我们应该如何解决呢?

在我们设计单电源工业机器人的过程中系统总是存在高压差,对我设计带来了许多的不便之处那么我们应该如何解决呢?

电流隔离栅
电流隔离是通过防止电压和接地之间产生电流来分隔电路的行为。以下是从两条或多条电路之间的直接连接形成的电流。

 

在存在电流隔离情况下,没有直接的传导路径。此类型电路的好处在于,可通过使用光场、磁场或电场,利用电流隔离栅交换模拟或数字信息。这些场打开了很多门。通过其中的一个门,多个系统可以在不同的接地和电压电位下安全、正确地运行。它们还可以交换模拟或数字信息,而不会在过程中相互干扰或破坏。

为了解决这些问题,设计人员需要为多系统电路找到合适的电流隔离技术。选择有光学(LED,光电二极管)、电气(电容器)或磁性(电感器)解决方案。在本文中,所有隔离栅都在硅或半导体封装的某个部分中实现。


 

2 光学隔离
光学隔离依赖于传输光线的 LED 和接收光线的光电检测器之间的分离。对于电流隔离,LED 通过隔离材料(如透明聚酰亚胺)对准光电二极管。


 

光隔离的优势是不受电场和磁场的影响。但是,LED 在其使用寿命内会老化。

3 光隔离栅模拟信号应用
光隔离设备的隔离栅能够传输模拟或数字信号。Vishay Semiconductor Opto Division IL300 线性光耦合器是一种线性光隔离器件,封装内部有一个 LED 和两个光电二极管,所有元件之间彼此实现电隔离。在 IL300 芯片中,LED 光均匀照射在两个光电二极管上,以产生同等的电流(IP1 和 IP2)。


 

U1 放大器(Texas Instruments,TLV9064IDR)驱动 IL300 LED 以产生反馈光电二极管电流 (IP1)。前馈光电二极管电流 (IP2) 通过隔离式 R2 电阻器发送,该电阻器位于隔离式 U2 放大器的反馈环路中。在此电路中,增益等于 R2/R1。另外,Vout 信号不受 VCC1 相对 VCC2 的变化和两个接地的影响。

LED 亮度随时间的推移会降低。但是,图 4 中的系统不依赖于 LED 的亮度水平;它只要求 LED 打开。LED 光线由两个光电二极管平均地捕获。要将 IL300 应用于图 1 中的框图,人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间的位置可能较为适合。

4 光隔离栅的数字信号应用
光耦合器的另一个应用是将设备用作数字发射器。Vishay Semiconductor Opto Division 的 SFH6750-X007T 双通道光耦合器和 QT Brightek 的 QTM601T1 单通道光耦合器是高速光耦合器,采用开漏 NMOS 晶体管输出,可轻松隔离模数转换器 (ADC) 的三通道数字输出。

一个 24 位三角积分 (ΔƩ) 转换器的串行输出代码从电路的隔离侧传输到系统侧。SFH6750 在数字域中以光学方式完成此传输。

SFH6750 和 QTM601T1 配置提供高达 10 兆波特率 (MBd) 的传输速度,因而适合高速数据应用。从图 1 的框图中可以看出,ADC 接口可能适合放置于人机接口 (HMI) 与机器人控制器之间。

5 电感隔离
电感隔离采用两个上下堆叠的线圈,线圈之间通过介电材料隔离开来。施加交流信号后会产生一个磁场,进而在次级线圈中产生一个电场。


 

6 电感线圈型隔离栅的电源应用
磁性隔离栅适用于模拟和电源隔离应用。作为电源转换器,Analog Devices 的 ADP1621ARMZ-R7 隔离式升压 DC-DC 控制器的电感器和外部电源 FET 分别为 T1 和 Q3。


 

Analog Devices ADUM3190ARQZ-RL7 高稳定度线性隔离式误差放大器提供了从 T1 的次级侧到初级侧的模拟反馈信号。整个电路的工作电压为 5 V 到 24 V,适用于标准工业电源。

7 电容隔离
电容隔离元件的构造包括紧密相邻的两块电容板,两板之间夹有电介质。二氧化硅 (SiO2) 材料可植入电容板之间,以产生这种隔离能力。在此配置中,SiO2 的击穿电压为 500 - 800 V/微米 (µm)。此类隔离器的典型距离为 27 µm,因此隔离栅隔离能力为 13.5 kV 至 21.6 kV。


 

电容隔离最适合于小空间应用。然而,其周边电路比光学和磁性解决方案更为复杂。

8 电容隔离栅的模拟应用
典型的电容模拟隔离器Texas Instruments AMC1301DWVRQ1 或 AMC1311DWV,接收模拟信号,将信号调制为数字表示,然后通过隔离栅传输数字化信号。


 

在隔离栅的接收器侧,信号被解调回差分输出模拟信号。

电机控制环境中的电感负载易受高开关电压摆动的影响。为确保正常运行,需要不断监控此频繁变化的环境。使用电阻分压器降低电机驱动电路中的高共模电压的隔离电压检测,就是相应的 AMC1301 和 AMC1311 隔离放大器电机控制应用。


 

通过分流电阻器 RSHUNT 和 AMC1301 隔离式放大器实现相电流测量。凭借高阻抗输入和高共模瞬态抗扰度,AMC1311 可感测偏置电压 VBIAS,从而实现系统配置的稳定读取。即使在高噪声环境下,AMC1311 也能确保可靠性和准确度,例如电机驱动器中所用变频器的功率级读取。

AMC1301 和 AMC1311 均可抗电磁干扰,并具有高达 7 kVPEAK 的电流隔离能力。当与隔离式电源配合使用时,AMC1301 和 AMC1311 可防止高共模电压线路的噪声电流进入本地接地,以免干扰或损坏敏感电路。

9 电容隔离栅的数字应用
在准备将直流信号传输至输出引脚的过程中,典型电容式数字隔离器接收数字信号,将信号调制为适当的交流信号,然后发送至解调器。


 
 
只要传输信号保持高电平,就可以在接收器侧生成高电平数字传输信号。此逻辑中的冲突是,如果电荷从电容板上消散,或者如果接收器端出现电源中断,输入状态为高电平时,输出可能会变为零。如果发生这种情况,接收器数字信号高电平状态会丢失。为了解决此问题,调制器为数字“0”创建单个低电压,并为数字“1”创建一个快速交流轨至轨信号。

 
 
一个电容式数字隔离实例就是,使用 Silicon Labs SI8422 和 SI8423 数字耦合器连接微控制器和 ADC 之间的数字线路。

 
 
电容式数字设备消耗的功率较低,同时提供高数据速率和低传播延迟。两款器件均支持高达 150 兆位/秒 (Mbits/s) 的数据速率。

在工业自动化应用中多系统存在处理模拟和数字传输信号的困难,光学、磁性和电容电隔离栅可应对这些挑战。通过组合使用这三种硬件技术和两种信号传输技术,可实现适合的工业自动化解决方案。

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