基于塑料光纤的高压隔离通信接口设计

电力输配电现场存在各种各样的干扰，电力仪表的传感器部分往往处于高电位，所以，高压隔离通信是电力电子设计中经常遇到的课题。根据隔离信号种类的不同，分为模拟信号隔离和数字信号隔离；根据隔离介质的不同，又分为变压器隔离、运放隔离、光耦隔离、红外隔离、光纤隔离、无线隔离等。模拟信号的隔离常用隔离运放，这种方法存在隔离过程中可能引入新的量化误差。输入信号频率不能太高等问题。而数字信号隔离则没有上述问题。因此，数字信号隔离应用广泛。特别是塑料光纤隔离具有隔离电压高，工作频率比较宽，也无需进行信号调制解调，隔离距离较远，不易被干扰，可靠性高，硬件接口简单，成本比较低的优点。因此，塑料光纤隔离传输在电力系统中具有广阔的应用前景。

1 塑料光纤
    与电缆相比，塑料光纤POF(Plastic Optical Fiber)不受电磁干扰、无电磁辐射。与玻璃光纤相比，塑料光纤成本低，较柔软、容易安装和维护，POF芯径通常为0．3～1mm，而玻璃光纤芯径为62．5μm或50μm，芯径大10倍左右的POF连接对准容易，连接中即使有30μm的偏移，也不严重影响耦合损耗(约增加损耗0．03 dB)，使用廉价的注塑连接器，从而显著降低系统的总成本。
    塑料光纤的连接器可以根据应用的不同可自行设计。在高压隔离通信中，常用的软件协议有RS232总线，SPI总线，CAN总线等，这些接口的信号频率小于10 MHz，这与光学数字音频接口(TOSLINK)的频段相同，使用标准的TOSLINK接口可以进一步降低成本，提高可靠性。
    TOSLINK是东芝连接(Toshiba Link)的缩写，也是一种标准光学数字音频接口，可用于在各种器材之间，通过一种光导体，利用光作载体传送数字音频信号(左右声道或多声道)。TOSLINK可以使用塑料光纤做塑料光纤音频跳线。TOSLINK接口是一个光收发器，将数字电信号转化为光信号并传输数据。它通过光发送模块将数字电信号转换为数字光信号，转化后的光信号通过塑料光纤到达光接收模块。光接收模块将光信号转换回数字电信号。光发送模块主要元件是LED，它是一个光发射元件，通过驱动电路来驱动。光接收模块由感光元件和波形修整电路组成。电路使用标准的TTL电平或者ECL电平，它们能够很容易与外围电路相配合。
    塑料光纤隔离通信系统的核心元件是光发送器和光接收器。其中，光发送器是由发光二极管及光纤连接器构成。发光二极管使用高亮度、大小为1 mmx1 mm表面贴片封装的发光二极管，这种发光管具有驱动电流小、价格便宜的优点，发光面大小与塑料光纤的直径相当，容易将光信号与塑料光纤耦合。发光二极管的工作波长也要与塑料光纤的工作波长相配合。光纤连接器是将发光二极管与塑料光纤进行有效对接的机械结构。光纤连接器一般采用槽形结构，易于快速正确插拨。光接收器是由光敏二极管及光纤连接器构成。光接收器收到的信号经放大、滤波后，输出TTL兼容信号。其光纤连接器与光发送器中的连接器完全相同。

2 硬件电路设计
    基于TOSLINK接口的光收发模块很多，其硬件接口是类似的，光和电参数根据应用不同而不同。市场上有很多相关的生产厂家。这里以DLRllll和DLTllll对管为例，说明塑料光纤的接口电路设计方法。DLRllll和DLTllll的外形和封装形式完全一样，如图l所示。

    DLRllll主要参数如下：工作电压为2．7～5 V；工作电流为6．5 mA；工作波长为700 nm；工作频率小于16 Mb／s；传输距离小于20m。
    从以上参数来看，该器件可以满足各种常见的高压隔离通信的要求。
    驱动模块电路比较简单。当电源部分没有正确处理时，该驱动模块电路会从电源部分引入干扰，输出波形会出现干扰脉冲，如图2所示。图2中下半部分波形是标准的1 MHz方波，由信号发生器产生，上半部分波形是经塑料光纤后输出的TTL信号，从图2中可以看出，在上升沿的上部产生一个很强的干扰，如果这个干扰一直存在，会影响数据通信的正常进行。

    经反复试验和测试，在DLRllll和DLTllll的电源电路中采用10μH电感与10μF电容(并联O．1μF)构成的LC滤波，可大幅滤除电源中的高频干扰。同时，在PCB布线方面，地平面的处理也非常重要，塑料光纤的接地一般采用单点接地，可防止其他电路的干扰信号从地电位引入到光驱动模块中，驱动电路原理图如图3所示。

    当正确处理了驱动模块的外围电路后，输出的波形如图4所示。从图4中可以看出，上半部分的输出波形已经没有任何高频干扰存在。

    图4显示的信号频率为1 MHz，对驱动模块进行了实际的频率特性试验，从1 Hz开始，以10倍的系数增加信号频率，一直到10 MHz为止。试验结果显示，在1 Hz～10 MHz的频率范围内，输出的波形有固定的100 ns的延迟，信号输出波形无干扰，边沿干净。之后对驱动模块的电压特性进行测试，在电源电压1．5～6V的电压范围内，输出波形干净，说明该驱动模块的工作电压范围比较宽。涵盖了1．8、2．7、3．3、5 V等常用的工作电压范围。将光发送模块的工作电压从1．5～6V范围内变化，光接收模块的工作电压固定为某一个值，如3．3 V时，输出信号电压和光接收模块的工作电压相同，也为3．3 V。以上试验说明，光收发模块可以使用不同的工作电压，而不影响信号的传输，这对工作电压不同的系统非常有用。
    测试中发现，其输入输出是有延迟的，固定为100 ns，如果输入信号频率比较高，如大于10 MHz，又要求输入输出同步，则需要在输入部分或输出部分进行硬件或软件处理，得到完全同步的隔离信号。

3 应用实例
    某高压仪表隔离部分设计参数如下：隔离电压为60 kV；传输速度为1MHz；传输距离为10 m；接口类型为SPI。
    从以上设计要求选择数字传输方案，并综合考虑隔离电压、传输速度、传输距离、成本、可靠性、实现难度等方面，使用塑料光纤为最佳方案。
    SPI接口采用3线制，如图5所示。图5中只给出了主控方的电路图，从机是一个SPI接口的串行A／D转换器，硬件连接方法与图5类似。SPI总线是板内总线，在1 MHz下的传输距离不宜超过1 m，加了塑料光纤隔离驱动后，其传输距离被大大延长了。高压部分和低压部分的驱动模块各需要3个，这3个模块布局时放在一起，共地连接，之后与其他部分电路要单点接地处理。

    SPI通信硬件除了将传输介质由金属导线换为塑料光纤外，没有其他区别，软件上则与普通SPI的软件完全相同。

4 结论
    塑料光纤技术是正在发展中的新兴技术，已在音频数据传输中广泛使用，由于其高隔离电压、高速度、较远传输距离及低成本的优点，会在高压设备、高压仪表及输配电现场中得到广泛应用。