宽频光隔离放大器设计及试验研究

刘恒杰， 武志刚， 孟祥君， 刘远龙,3， 姚 刚， 邹国锋

(1.国网山东省电力公司莱芜供电公司， 济南 271100; 2.国网山东省电力公司, 济南 250001; 3.山东大学电气工程学院, 济南 250061； 4.山东理工大学电气与电子工程学院，淄博 255049)

电力系统信号测量存在共模干扰以及在线路故障或遭受雷击时的过电压问题，关乎人身安全及电力二次设备的可靠运行，因此需要隔离放大器对信号进行隔离和调制[1-2]。电力系统的测量信号除了包含稳态的工频信号，还涉及故障时的高频暂态信号，因此对隔离放大器来说，除了要满足工频信号的传输要求，还必须满足特定应用场景的高频信号传输要求[3]。例如，在常规继电保护中所用谐波一般为5次，功率测量的建议频率为13次谐波，小电流故障选线有效频率为20～2 kHz，行波测距所用故障信号频率在500 kHz～2 MHz[4]。为满足电力系统的测量应用，隔离放大器除了要保证传输精度，还必须具有足够宽的传输频带。

目前，按隔离方式的不同，常用的隔离放大器分为磁耦隔离式和光耦隔离式[5-6]。磁耦隔离如变压器隔离通过线圈间的磁通耦合传输信号，具有线性度高、长期稳定性好的优势，但是磁耦隔离方式的带宽相对较窄，且不容易做成IC(芯片)，限制了它的应用。光耦隔离利用光电之间的转换实现电气隔离，具有抗干扰能力强的优势，通过合理的隔离电路设计可实现较高的线性度与精度[5-9]。文献[5]给出了线性光耦HCNR200的带宽和传递系数测试方法，但缺少对传输带宽原理和影响因素的分析；文献[6-7]将线性光耦应用于直流和低频模拟电路的信号采集，其缺少对线性光耦频率特性的研究；文献[8]将线性光耦HCNR201用于变频调速系统中的电压隔离，但其应用仅涉及工频及以下频率；文献[9]将线性光耦ACPL-C87B应用于故障录波器的信号采集，其设计频带达到了50次谐波，对于频率更高的暂态频率特性并未涉及。文献[10]提供了一种光耦式隔离放大器的设计，但该设计传输频带窄，不满足行波等高频电力信号的传输要求。

针对现有隔离放大器的不足，设计一种应用于电力系统信号传输的宽频光隔离放大器。首先，详细介绍隔离放大器各模块电路的基本原理，并对其传输特性进行建模分析，获得相应的系统传递函数。然后，利用Multisim进行系统仿真试验，并采用实物平台开展实测验证。以证明的宽频光隔离放大器的可行性和有效性。

1 隔离放大器基本原理

隔离放大器包含信号放大和信号隔离，输入信号经放大、隔离和滤波后对外输出等模块电路构成，系统整体电路如图1所示。

1.1 放大电路

运放芯片选用低功耗、高共模抑制比、高转换速率，增益误差小的AD8051AR，采用单电源12 V供电。该运放的增益带宽积为110 MHz，压摆率为145 V/μs，以传输100 mVVP-P的小信号为例，增益为10时，带宽可达11 MHz；当输入4 VVP-P的大信号时，根据压摆率SR与带宽BW的计算公式SR=2πVP-PBW，此时的带宽为4.3 MHz，满足行波信号的传输要求。

二极管D1、D2并联在运放的输入端，当输入电压过大时二极管导通，输入端被短路，防止运放损坏。二极管D3、D4串入直流电源中，为电源极性保护电路。

由于运放的输入阻抗一般很高，输入电阻R1选择余地比较大，但为了减小偏置电流带来的影响，降低噪声和温漂的干扰，输入电阻一般选择在(10～100) kΩ的区间。因为运放的固有特性，其存在的增益误差Vo1/AOL也被放大输出，计算时要从理想输出中减去。根据图1，放大电路的传递函数H1为

(1)

式(1)中：Vin为输入信号；Vo1为放大后的信号；Ci为运放的等效输入电容；Cf为反馈电阻R6上的寄生电容，取1 pF；AOL为运放的开环增益。

1.2 基准电压电路

交流系统信号为双极性信号，由于LED仅在流经正向电流时发光，因此通过叠加一个直流偏置电压信号为发光电路设置一个静态工作点，从而可实现双极性信号的传输。直流偏置电压由高可靠性基准电压芯片TL431提供，内部含有一个2.5 V的基准电压Vref，其输出的直流偏置电压Vb为

Vb=(1+R3/R4)Vref

(2)

基准电压芯片TL431的开环增益较高，响应速度快，当取样点(R3、R4的连接点)离两极较远时，电路容易产生超调自激，使用时需要注意。

1.3 电光转换电路

电光转换电路包含1个恒流源电路和1个LED，恒流型驱动使得输入电压信号Vo1与通过LED的电流呈线性关系。

HCNR201的内部结构如图1所示，包含1个LED和2个PD，PD1、PD2是两个相邻且性能相同(忽略工艺差异)的光敏二极管。当驱动电流流过LED时，LED发出的光被耦合到PD1与PD2，2个光敏二极管从LED得到相同的光照，产生与光强成正比的光生电流。PD2和LED构成的反馈调节消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差，从而保证了整个光耦的线性度。HCNR201可在-40～+85 ℃的宽温度范围内工作，且稳定性好，线性度高，频带宽，成本低，非常适合用于模拟信号的隔离。

图2所示为LED的等效电路，ILED为通过LED的发光电流，由恒流源电路提供，大小为Vo1/R10。C7为LED的结电容，典型值为80 pF。由于LED的电功率除发射出去的光功率外，其余为热功率传递到外界环境，R14、R15消耗的功率即表示LED的光功率和热功率。

电光转换电路输出光强度Io与输入电压信号Vo1的传递函数H2为

(3)

式(3)中：C7为LED结电容；η1为发光效率；R14、R15分别为LED的发光功率和发热功率的等效电阻。

图2 LED等效电路Fig.2 LED equivalent circuit

1.4 光电转换电路

PD1根据LED的发光强度产生线性光电流，运放与电阻R11组成了“电流-电压”转换器，光电流经该转换器变为电压信号输出。图3所示为PD的等效电路，包含一个电流源IPD1，一个理想二极管D，一个结电容CD，暗电阻R16及串联电阻R17。

图3 PD等效电路Fig.3 PD equivalent circuit

光生电流IPD1=rφφe，在光通量φe波长分布不变的情况下光电二极管通量响应率rφ为一常数；二极管D表示正向偏置状态下的电压条件；暗电阻R16为零偏置时的结电阻，该阻值通常很大，其分流效果有限，可以忽略；串联电阻R17为半导体材料的电阻，通常情况下其阻值很小，故分析时也可忽略。对光电管来说，对其频率特性影响最大的是结电容CD，二极管D上的任何电压信号都会和结电容相互作用，从而分流二极管的光电流，限制带宽[11]。

图4所示为光电转换单元的等效电路，Cicm、Cid分别代表运算放大器的共模输入电容和差分输入电容。在光电转换电路中，寄生电容作为自补偿的一部分，可以和补偿电容合并分析。根据图4等效电路得到输出信号Vo3与输入信号IPD1的传递函数H3为

kR11s[R11(Ci+C3)/AOL+R11C3]+1+1/AOL

(4)

式(4)中：Ci=CD+Cicm+Cid，总电容值取30 pF；C3取10 pF；R11取10 kΩ；k为光电转换效率，k的值为0.48；AOL为运放的开环增益。

图4 光电转换等效电路Fig.4 Equivalent circuit of photoelectric conversion

1.5 反馈电路

反馈电路使用一光电转换电路实现信号的检测，其包含一个PD和一个“电流-电压”转换器，反馈电路的传递函数H4为

(5)

1.6 滤波电路

滤波电路可设计为一带通滤波器，该滤波器由R12、R13和C4、C5组成，其上限截止频率fp2和下限截止频率fp1分别为

fp2=1/2πR13C5

(6)

fp1=1/2πR12C4

(7)

滤波电路的通频带fbw为

(8)

为保证行波等高频信号的传输，设置上限截止频率fp2>2 MHz，下限截止频率fp1用于滤除直流量及其他低频成分，用以提高暂态信号的提取效果。

滤波电路的传递函数H5为

(9)

式(9)中：Vout为隔离放大器的输出信号。

隔离放大电路整个系统的传递函数H为

(10)

隔离放大电路元器件参数选定：R1=10 kΩ，R2=1.5 kΩ，R3=R4=10 kΩ，R5=100 Ω，R6=20 kΩ，R7=1 Ω，R8=50 kΩ，R9=50 kΩ，R10=50 Ω，R11=50 Ω，R12=1 kΩ，R13=2 Ω，C1=4.7 μF，C2=0.01 μF，C3=10 pF，C4=12 μF，C5=37.5 nF，C6=10 pF。D1～D4型号均为快恢复二极管SS14。

2 仿真试验及性能分析

为验证隔离放大电路的可行性，利用Multisim对该电路进行仿真，分别输入1 VVP-P工频、2 kHz正弦信号和1 MHz正弦信号。仿真结果如图5所示。

图5 隔离放大电路仿真波形Fig.5 Simulation waveform of isolated amplifier circuit

由图5的仿真结果可以看出，工频信号和2 kHz正弦信号的输出波形无畸变，均能准确反映出输入波形，与输入信号具有很高的线性关系，相位基本无延迟；1 MHz信号的增益明显降低，相位也有了一定的延迟，但仍能够反映出输入信号的波形。

3 实物试验及性能分析

为测试隔离放大器的实际性能，根据以上分析试做了实物样品并搭建了试验平台。电路元器件选用低温漂、噪声小、功率裕量大的精密器件。为方便调节放大倍数，将R6替换为可调电位器。

3.1 频率特性测试

以输入信号的频率作为单一变量，信号发生器提供1 VVP-P的正弦信号，改变输入信号的频率，实测输出与输入信号的波形比较如图6所示。

观察图5和图6可发现，实测结果和仿真结果相吻合，系统对工频信号的传变几乎没有延时，随着信号频率的增大，信号的滞后现象开始显现。在传变1 MHz正弦信号时相位有了明显的滞后，波形出现了轻微的失真现象，但并不影响该高频信号的识别。

图6 隔离放大器实测波形Fig.6 Measured waveform of isolated amplifier

图7所示为根据隔离放大器实测数据所做的波特图，从图7中可以看出该隔离器的带宽可达1 MHz，对低频信号的隔离传变基本无延迟，频率为1 MHz时，相位存在约90°的滞后。

图7 频率特性曲线Fig.7 Frequency characteristic curve

3.2 传输精度测试

使用信号发生器产生不同幅值的工频信号作为隔离放大器输入，传输精度测试试验如图8所示。

图8 传输精度测试Fig.8 Transmission accuracy test

对隔离放大器的输出进行实测，仅提取输出信号中的工频信号，得到工频信号的传输精度与输入信号的关系曲线如图9所示。可以看出，输出信号与输入信号具有很高的线性度，线性光耦HCNR201自身的直流非线性误差为0.01%～0.05%，其工频传输误差依然小于0.2%，并且随着输入信号增大其输出信号精度趋于稳定。

图9 工频传输精度与信号幅值的关系Fig.9 Relationship between power frequency signal transmission accuracy and signal amplitude

当待传输信号的频带在10 kHz以下时，其信号传输增益基本稳定且基本没有相移，该频段信号的传输精度误差依然小于0.5%。随着信号频率的增大，信号传输增益相较工频开始下降，且相移开始增大，因此对电力系统的高频暂态信号传输，需根据系统的频率特性曲线对其信号幅度和相位进行校准以提高传输精度。

3.3 抗扰度测试

为测试该隔离放大器的抗扰度性能，对其进行电快速瞬变脉冲群和雷击浪涌抗扰度试验，图10所示为电快速瞬变脉冲群测试参数设置。

图10 电快速瞬变脉冲群测试参数设置Fig.10 Electrical fast transient burst test parameter setting

隔离放大器脉冲抗扰度试验施加电压峰值为500、1 000、1 500、2 000 V的瞬变脉冲，重复频率为100 kHz。浪涌抗扰度试验采用电流波形为8/20 μs的组合波发生器，开路试验电压分为500、1 000、2 000 V 3个等级，其余参数设置均依据《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB/T 17626.5—2008)。经测试，该隔离放大器可实现在2 000 V脉冲和浪涌冲击下无硬件损坏，传输功能正常。

3.4 温度对传输精度的影响

为验证温度对传输精度的影响，试验中使用高低温交变温热试验箱产生-20～60 ℃的环境进行温度影响测试，如图11所示。

不同温度下针对工频信号传输精度的实测统计结果如表1所示。可以看出，虽然温度升高和降低会影响LED的发光效率，但由于PD具备的宽温度高线性特性，系统的传输精度基本保持不变。

图11 温度影响测试Fig.11 Temperature effect test

表1 温度对传输精度的影响Table 1 Influence of temperature on transmission accuracy

4 结论

通过对宽频光隔离放大器各功能模块的建模分析，得到了反映其频带和传输特征的传递函数，为其工程应用提供了理论依据。宽频光隔离放大器的可传输信号频带达到了1 MHz，远高于磁耦方式隔离放大器，其工频信号的传输误差小于0.2%，使其完全可胜任电力系统稳态测量和暂态保护的要求，抗扰度和温度测试验证了其工程实用性。随着电力行业对人身安全及二次设备可靠性要求的提高，该宽频光隔离放大器也将具有广阔的应用前景。