技术文章 MS-2488 交流电压电机驱动的数字隔离 成一个很小的局部磁场，从而在另一个线圈生成感应电 作者：Gaetano (Guy) Fichera，Boston Engineering Corporation电子产品部总监 器为差分架构，具有出色的共模瞬变抗扰度。另外，由于 流。变压器的传输速率自然比光耦合器快很多。而且变压 数字隔离器基于变压器，而光耦合器则基于LED，因此， 数字隔离器的可靠性/MTTF要远远优于光耦合器。 内容提要 隔离是交流电压电机驱动不可分割的一部分。电气隔离的 电机驱动设计中的隔离 方法有多种——主要采用光耦合器和数字隔离器。使用数 图1所示为Boston Engineering Corporation开发的高电压FlexMC 字隔离器与传统的光耦合器相比具有数种优势——其中包 电机控制驱动的框图(http://www.boston-engineering.com/)， 括成本更低、元件数量更少、可靠性更强。本文以传统电 它能与ADSP-CM40x混合信号控制处理器对接。它接收一 机控制器设计为基础，对几种隔离方法进行比较，以突显 个通用交流输入，提供一个功率因数校正(PFC)前端，驱 数字隔离器的优势。 动一个永磁同步电机(PMSM)，并为一个带传感器或不带 传感器的控制装置提供必要的反馈调理，此装置运行于 光耦合器与数字隔离器的背景知识 ARM® Cortex™-M4混合信号控制处理器ADSP-CM40x及一个 光耦合器使用LED发出的光将数据通过隔离栅传输到一个 16位高精度模拟前端。中间部分是一个隔离栅，位于高电 光电二极管。当LED开启和关闭时，将在电气隔离光电二 压电源电子元件和控制器之间。电机电源电子元件随高电 极管一端产生逻辑高和低信号。光耦合器的速度与光电二 压电势而浮动，而ADSP-CM40x处理器则以接地为基准， 极管检波器的速率以及为其二极管电容充电的时间直接相 因此需要进行隔离。本文将讨论选择数字隔离器而非光电 关。提升速度的一种方式是提高LED电流，但其代价是功 耦合器将如何改善该设计。 耗的增加。 而基于变压器的数字隔离器借助变压器以磁性方式将数据 通过隔离栅进行耦合。变压器电流脉冲通过一个线圈，形 3-Phase Bridge VDC PFC CDC Gate Drive 100250V vac iac Motor ENC Trip ADP1047 vdc Enable ISOLATION BARRIER Motor Phase Current iv,iw ADuM1250 ADuM1401 + - 5Viv ADuM1310 ADuM1310 AD7401 AD7401 PWM Outputs PWM Outputs CLK, Data CLK, Data ADum5000 5Viw ADum5000 5V 2 IC Enable PWM Outputs TRIP ADSP-CM40x Isolated AC Voltage Motor Control Block Diagram 图1. 电机控制框图 Page 1 of 3 www.analog.com ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. MS-2488 在闭环电机控制设计中，两个关键的硬件构成为脉冲宽度 种设计，两个AD7401A隔离式Σ-Δ调制器用来测量电机绕 调制(PWM)控制器输出和电机相位电流反馈。这些信号 组电流，数字位流则由ADSP-CM40x上的数字过滤电路进 (如框图所示)通过隔离栅。另外，隔离器的使用还可惠及 行处理。ADSP-CM40x的内置sinc滤波器允许与隔离式Σ-Δ 几种其他功能，包括数字通信和低电压、低功耗和隔离 型调制器实现无缝连接。第三相电流可以基于另外两相电 DC-DC转换。 流以数学方法计算得到，以减少功耗、降低元件成本。 AD7401A在单封装中集成了一个差分采样保持级、一个 PWM隔离 Σ-Δ调制器和数字隔离机制。高电压端模拟信号被转换成 对功率级进行脉冲宽度调制，这是所有电机驱动的核心所 一个数字串行数据流，然后通过隔离栅传输至低电压端。 在。开关频率范围一般为10 kHz – 20 kHz。在优化控制性能 AD7401A还含有一个时钟输入引脚，只需一个时钟源，即 时，对脉冲宽度、停滞时间和通道间延迟的精密控制显得 可同时对各器件进行测量。正如表2所示，市场上的确存 至关重要。在为PWM控制信号选择适当的隔离器件时， 在集成度和成本类似的光耦合器；然而，数字隔离器技术 数字隔离器在性能和成本两个方面都要远远优于同级别的 在功耗、速度和可靠性方面的表现仍然更加突出，这是与 光耦合器选项(见表1中的比较)。 器件的基础结构相关的，更不用说AD7401A出色的调制器 表1. PWM数字隔离器与光耦合器的比较 尺寸(平方英寸) 千片订量成本(美元/片) 元件数量 最大速率(Mbps) 最大传播延迟(ns) 输出上升/下降时间(ns) 通道间匹配(ns) 电介质隔离(Vrms) MTTF(10^6小时) 功耗(mW) 性能。 PWM隔离 ADuM1310 光耦合器解决方案 0.5 0.45 3.98 9.72 2 6 90 50 32 650 2.5 550 2 500 2500 3750 318 12.7 15 105 表2. 相位电流数字隔离器与光耦合器比较 尺寸(平方英寸) 千片订量成本(美元/片) 元件数量 最大速率(Mbps) 电介质隔离(Vrms) MTTF(10^6小时) 功耗(mW) 分辨率(位) 增益误差(%) SNR (dB) 失调漂移(µV/°C) 例如，控制器将在开关信号之间引入停滞时间，以防止任 何高端和低端晶体管对同时传导(即直通)。停滞时间为功 AD7401A 0.18 3.8 1 20 5000 1576 70 16 0.5 80 3.5 相位电流测量 光耦合器解决方案 0.15 3.8 1 10 5000 4.9 91 16 1 68 3.5 率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定 数字通信 性的函数。ADuM1310数字隔离器的通道间匹配时间仅为 I2C是一款双线、多分支通信接口，通常用于为控制器提供 2 ns，光耦合器则高达500 ns。采用数字隔离器可以大幅缩 数字或模拟I/O扩展能力。这种方法通常是定期监控或更 减停滞时间，从而提高功率逆变器的性能。另外，如比较 新的“一般管理”类功能的预留方法。FlexMC高电压电路 表中所示，除了性能以外，ADuM1310还是一种集成度更 板采用一个I2C接口来与PFC控制器进行通信，同时以一个 高的解决方案，可以减少元件数量和物料成本。 ADC来监控总线电压、总线电流和IGBT温度。相反，没有 电机相位电流 一款光耦合器能够单独提供I2C隔离能力。结果，如表3所 多数高级电机驱动以电机相位电流为主反馈。为了提供连 示，ADuM1250在成本、尺寸、元件数量和性能方面都是 续的反馈，将超低电阻分流电阻与电机相位串联起来。然 比 光 耦 合 器 更 具 优 势 的 I 2 C隔 离 选 择 。 ADuM1250允 许 而，这会增加电路的复杂性，因为需要测量毫伏级的信号 ADSP-CM40x控制器仅仅使用一个双线外设接口通过一个 以及以快速dv/dt高频切换的百伏级共模电压摆幅。对于这 隔离器对高电压端的所有这些功能进行监控。 Page 2 of 3 MS-2488 表3. I2C数字隔离器与光耦合器的比较 尺寸(平方英寸) 成本(美元) 元件数量 最大速率(Mbps) 电介质隔离(Vrms) MTTF(10^6小时) 功耗(mW) 分辨率(位) 增益误差(%) 失调漂移(µV/°C) AD7401A 0.3 3.8 1 20 5000 1576 70 16 0.5 3.5 相位电流测量 光耦合器解决方案 0.2 3.8 1 10 5000 4.9 91 16 1 3.5 隔离电源 数字隔离器技术给这种设计带来的另一优势在于可以产生 超低电平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生5 V隔 作者简介 离电源，具备最高500 mW的功率输出能力。这些用于驱动 Gaetano (Guy) Fichera是Boston Engineering Corporation电子 Σ-Δ转换器的模拟端，后者会随快速变化的电机电压而浮 产品部总监(http://www.boston-engineering.com/)。Boston 动。这些隔离电源与数据隔离器采用相同的技术，因此， Engineering Corporation是一家工程咨询服务公司，面向商 它们都内置了一个开关频率为180 MHz的变压器。这一频率 业和政府机构设计开发新一代产品解决方案。我们提供跨 比标准DC-DC转换器高出三个数量级，因而允许大幅缩减 学科的工程团队，能够为客户提供从概念验证到整个产品 尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封装，是提供低功率隔 生命周期的帮助指导。我们凭借从机器人到复杂的机电系 离电压的一种简便方案。 统及供应链开发的专业力量，尽力帮助客户解决每天面对 的难题，自身也在不断成长壮大。 资源 分享本文 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. TA11626sc-0-9/13(A) www.analog.com ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Page 3 of 3