电源工业机器人系统设计

本帖最后由 liuyongwangzi 于 2018-6-15 09:52 编辑

在工业自动化应用中可连接多个系统，这样做有很多好处，但是当这些系统之间存在高压差时，设计人员就需要管理电压不一致问题，其中包括系统接地的较大压差。解决这些模拟和数字电流隔离挑战的硬件技术包括光学、磁性和电容隔离栅。要隔离的传输信号类型包括模拟信号、电源信号和数字信号。本文将介绍适合的工业电压隔离解决方案及其应用。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（图 1）。

图 1：从工业机器人特写照片可以看到控制、电机驱动和电源部分的隔离要求，以及这些区域之间的通信。（图片来源：Texas Instruments）

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（图 2）。

图 2：光耦合需要一个 LED 和光电二极管。电感耦合需要两个由隔离器隔开的绕组。电容耦合需要两个由隔离器隔开的导体。（图片来源：Texas Instruments）

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。

图 3：光耦合器包含一个发射器 (LED) 和一个光电二极管（接收器），使用环氧树脂黏着到引线框架，二者之间的透明聚酰亚胺提供隔离栅。（图片来源：Texas Instruments）

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。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）（图 4）。
图 4：IL300 LED 和光电二极管 1 (IP1) 位于隔离栅的左侧。光电二极管 2 (IP2) 位于隔离栅的右侧。（图片来源：Vishay Semiconductor Opto Division）

在图 4 中，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。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（图 5）。图 5：SFH6750 双通道隔离耦合器和 QTM601T1 单通道隔离耦合器构成了隔离 24 位 ΔΣ ADC 的隔离栅。（图片来源：Digi-Key Electronics）

在图 5 中，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。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（图 6）。

图 6：变压器配置结构包括采用聚酰亚胺分离开来的两个绕组。（图片来源：Analog Devices）

电感隔离非常有效。但是，它也容易受到磁场的影响。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 在图 7 中分别为 T1 和 Q3。

图 7：使用 ADuM3190 磁性隔离放大器和 ADP1621 升压 DC-DC 切换控制器的参考设计。（图片来源：Analog Devices）

在图 7 中，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。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（图 8）。

图 8：电容板之间的电介质是二氧化硅 (SiO2)，可提供 500 - 800 V/µm 的隔离保护。（图片来源：Texas Instruments）

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。电容隔离栅的模拟应用典型的电容模拟隔离器如 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（图 9）。

图 9：AMC1311DWV 电容式全差分模拟隔离器通过隔离栅传输二阶三角积分 (ΔƩ) 调制器信号。（图片来源：Texas Instruments）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（图 10）。

图 10：AMC1301 检测电感电桥的 FET 电流。AMC1311 可感测变频器中的直流总线电压。（图片来源：Texas Instruments）在图 10 中，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。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（图 11）。

图 11：电容式数字隔离器需要将高直流输入调制为交流信号。交流信号穿过隔离栅并解调回高直流值。（图片来源：Silicon Labs）

在图 11 中，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（图 12）。

图 12：当输入代码为“1”时，数字电容隔离器通过隔离栅发送交流信号。当输入代码为“0”时，不需要发送此交流信号。（图片来源：Silicon Labs）

一个电容式数字隔离实例就是，使用 Silicon Labs SI8423 数字耦合器连接微控制器和 ADC 之间的数字线路（图 13）。

图 13：四通道隔离式 SPI 接口，其中三个通道从左向右发送信号，一个通道从右向左发送信号。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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。总结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。