應(yīng)用于程控電源的高速數(shù)字化光纖隔離傳輸技術(shù)*

作者：李斌1，黨政2，張根苗1（1中電科儀器儀表（安徽）有限公司；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽蚌埠 233010）時(shí)間：2021-04-20 來源：電子產(chǎn)品世界

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

編者按：介紹了一種用于程控高壓直流電源的高速數(shù)字化光纖隔離傳輸技術(shù)，將數(shù)字化與光纖隔離傳輸相結(jié)合，采用SERDES技術(shù)，將低速并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，經(jīng)過光纖信道隔離傳輸，可完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速雙線串行通信，并在接收端將串行信號(hào)解調(diào)成低速并行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)控制信號(hào)雙向?qū)崟r(shí)高速傳輸。驗(yàn)證結(jié)果表明：該方法傳輸速度快，隔離度高，抗干擾性強(qiáng)，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202104/424622.htm

0 引言

在高性能程控高壓直流電源中，為更好地抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，輸入回路與輸出回路之間應(yīng)具有較為嚴(yán)格的電氣隔離性能。同時(shí)，輸入與輸出側(cè)的信號(hào)參與環(huán)路控制，必須進(jìn)行良好的實(shí)時(shí)通信，才能獲得穩(wěn)定的功率回路閉環(huán)調(diào)整性能。因此，為了保證程控高壓電源良好的控制性能，要求傳輸電路具有較高的隔離度和實(shí)時(shí)性，在確保良好的電氣隔離基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速傳輸。傳統(tǒng)的信號(hào)隔離傳輸常采用光耦隔離和磁隔離，這兩種隔離方法都有各自的缺點(diǎn)。光耦器件的輸入和輸出之間沒有直接的電氣關(guān)聯(lián)，具有一定的隔離作用，但由于固有的電流傳輸特性，用于模擬信號(hào)的傳輸時(shí)其線性度和精度都較差，用于數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)響應(yīng)速度較慢，無法實(shí)現(xiàn)高速精密的隔離傳輸；磁隔離電路只能傳輸交流信號(hào)，傳輸率較低，抗干擾性差，無法實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)化的隔離傳輸。

本文提出了一種用于程控高壓直流電源的高速數(shù)字化光纖信號(hào)傳輸方法，將數(shù)字化與光纖隔離傳輸相結(jié)合，采用SERDES 技術(shù)，將低速并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，經(jīng)過光纖信道隔離傳輸，可完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速雙線串行通信，并在接收端將串行信號(hào)解調(diào)成低速并行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)控制信號(hào)雙向?qū)崟r(shí)高速傳輸^[1]。

*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（NO.2017YFF0106703）資助

1 高速數(shù)字化光纖隔離傳輸的設(shè)計(jì)原理

在高性能程控高壓直流電源中，由于輸出電壓為直流高壓，輸出側(cè)的電壓、電流檢測(cè)信號(hào)以及保護(hù)控制信號(hào)較為微弱，且處于懸浮的高電位上，極易受到噪聲雜訊和環(huán)境的干擾，如果信號(hào)傳輸過程中沒有采取適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x措施，就會(huì)將干擾信號(hào)引入測(cè)量和控制部分，從而對(duì)控制電路的正常工作產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)斐蓹z測(cè)和控制電路的損壞，危及周邊設(shè)備和操作人員的安全。此外，高壓輸出側(cè)的電壓、電流等輸出信號(hào)需要發(fā)送到低壓輸入側(cè)參與閉環(huán)控制，各種控制信號(hào)也要由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞，這些信號(hào)能否實(shí)時(shí)快速地傳輸，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，設(shè)計(jì)既能保證高壓側(cè)信號(hào)準(zhǔn)確快速傳輸，又能使輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離的高速傳輸電路，是實(shí)現(xiàn)高性能程控高壓直流電源良好控制性能的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)隔離傳輸性能，將光纖傳輸技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合：利用光纖進(jìn)行傳輸，具有隔離電壓等級(jí)高、抗干擾能力強(qiáng)、輸入動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高電壓與強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下信號(hào)的高速、高精度傳輸；采用高速數(shù)字化串行通信SERDES技術(shù)，在發(fā)送端將低速并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙線數(shù)據(jù)傳輸，在接收端將高速串行信號(hào)還原成并行信號(hào)，可有效提高高速隔離傳輸性能。

1.1 系統(tǒng)總體框架

如圖1 所示，高壓輸出側(cè)的電壓、電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，和保護(hù)控制等信號(hào)復(fù)用為一路并行數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)編碼后，送入SERDES 電路轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，再通過光電轉(zhuǎn)換器調(diào)制為光信號(hào)，以光纖作為介質(zhì)向低壓輸入側(cè)傳輸。低壓側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器將來自高壓測(cè)的光信號(hào)還原為電信號(hào)，再由SERDES 電路轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流檢測(cè)和保護(hù)信號(hào)向低壓側(cè)的傳輸。同樣，低壓輸入側(cè)發(fā)送的檔位和控制等信號(hào)也經(jīng)過相同的方式向高壓側(cè)傳輸。

普通數(shù)字信號(hào)不適合在光纖中直接傳輸，為了便于光纖接收端接收信號(hào)，需要在發(fā)送端定義相應(yīng)的傳輸協(xié)議，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼等處理。由于8B/10B 編解碼方式具有良好的直流平衡特性，可有效消除噪聲累積，提高信號(hào)抗干擾能力，本文對(duì)輸入的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行8B/10B 編碼處理后作為SERDES 電路的輸入，經(jīng)串行化處理后再發(fā)送出去。接收端將接收到的串行數(shù)據(jù)送入解串模塊，串并轉(zhuǎn)換得到的低速并行數(shù)據(jù)再進(jìn)行8B/10B 解碼處理，變成有效的并行數(shù)據(jù)，完成信號(hào)的高速傳輸^[2-3]。

SERDES 電路在發(fā)送端將低速并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速串行的低壓差分信號(hào)，從而將多數(shù)據(jù)并行傳輸縮減為雙線高速串行傳輸，并在接收端將高速串行信號(hào)解碼還原為低速并行信號(hào)。由于采用差分信號(hào)傳輸代替單端信號(hào)進(jìn)行傳輸，增強(qiáng)了抗噪聲干擾能力；為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，采用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)取代了傳統(tǒng)的同步方式，解決了信號(hào)時(shí)鐘偏移問題；采用多路復(fù)用，增加了系統(tǒng)的傳輸帶寬。

光電轉(zhuǎn)換電路通過光纖發(fā)送器與光纖接收器完成電信號(hào)與光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的光傳輸。

其中，光纖發(fā)送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，光纖接收器將接收到的光信號(hào)還原為電信號(hào)。為提高傳輸性能，采用雙光纖完成串行通信，而光纖收發(fā)器（兼有發(fā)送和接收功能）只進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，該過程不改變編碼格式，不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，只用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，從而大大提高了速率。

1.2 編解碼的實(shí)現(xiàn)

圖1 中，數(shù)據(jù)的編解碼功能由高低壓側(cè)的FPGA 完成，采用的是8B/10B 編解碼方式。編碼時(shí)，將16 位的并行數(shù)據(jù)送入輸入寄存器，分兩次映射為10 位編碼，在編碼表中，設(shè)置一些特殊字符（12 個(gè)K 碼）對(duì)數(shù)據(jù)流控制和實(shí)現(xiàn)字節(jié)對(duì)齊，K 碼采用的編碼方式，可以幫助接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，并可用來檢查數(shù)據(jù)流中的傳輸問題，阻斷錯(cuò)誤的持續(xù)產(chǎn)生。為了便于接收端在數(shù)據(jù)流中識(shí)別出10 位編碼的邊界，發(fā)送端首先發(fā)送K 碼作為接收端邊界判定的可靠標(biāo)志，接收端識(shí)別出編碼的邊界后，就可以進(jìn)行8B/10B 解碼工作，如果檢測(cè)到的是10位的無效編碼，則給出相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)示。這樣，使用查找表方式，通過簡(jiǎn)單的查詢操作替換復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)8B/10B 編解碼電路的設(shè)計(jì)。

1.3 SERDES設(shè)計(jì)

使用TI 公司專用控制芯片TLK1201ARCP 來實(shí)現(xiàn)SERDES 功能。它是一種應(yīng)用在極高速雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的兆比特收發(fā)器，支持(0.6~1.3) Gbps 的串行接口速率，支持已經(jīng)定義好的10 位并行數(shù)據(jù)接口，具有雙工功能，可以同時(shí)進(jìn)行串化和解串處理。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

高壓側(cè)FPGA 按照8B/10B 格式將16 位并行數(shù)據(jù)編碼為10 位并行數(shù)據(jù)，由TLK1201ARCP 的發(fā)送部分根據(jù)參考時(shí)鐘(REFCLK，78 MHz) 將并行數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，該10 位數(shù)據(jù)將以10 倍參考時(shí)鐘的速率(780 MHz) 以串行方式發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換電路。低壓側(cè)的TLK1201ARCP接收串行數(shù)據(jù)，根據(jù)提取時(shí)鐘(RX_CLK) 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)化后得到10 位寬的并行數(shù)據(jù)，再送入低壓側(cè)FPGA 中，并按照8B/10B 格式進(jìn)行解碼，最終還原為16 位的并行數(shù)據(jù)。

圖2 TLK1201ARCP結(jié)構(gòu)框圖

1.4 光電轉(zhuǎn)換

采用 AVAGO 公司的光電收發(fā)與轉(zhuǎn)換模塊AFBR-57R5APZ 來實(shí)現(xiàn)雙線光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸。AFBR-57R5APZ 是一種高性能的串行光數(shù)據(jù)交換器，傳輸速率最高可達(dá)4.25 Gb/s，支持（500 m，50 μm）和（300 m，62.5 μm）的MMF光纜（@1.062 5 Gbd），內(nèi)置850 nm 的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。AFBR-57R5APZ 的結(jié)構(gòu)框圖如圖3，主要包括：光纖接口、電器接口、發(fā)送和接收共四個(gè)部分。對(duì)于發(fā)送部分，首先從 TD+ 和TD- 接收兩路差分的電信號(hào)，經(jīng)激光驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)制與控制后送入激光發(fā)射器，最后激光發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成承載相應(yīng)信息的光信號(hào)，并發(fā)送到光纖進(jìn)行傳輸。此外，在驅(qū)動(dòng)電路部分還包含其他的輔助電路，它們的作用是保證光信號(hào)的輸出功率；對(duì)于接收部分，首先從光纖接收光信號(hào)，通過光檢測(cè)器將光信號(hào)承載的電信號(hào)信息提取出來，再經(jīng)過放大、去噪等處理還原出原電信號(hào)，最后通過RD+ 和 RD- 接口將兩路差分的電信號(hào)發(fā)送出去。RX_LOS 用于接收信號(hào)的檢測(cè)，當(dāng)接收光信號(hào)正常時(shí)，輸出低電平，異常時(shí)則輸出高電平?？刂坪痛鎯?chǔ)電路用于完成器件錯(cuò)誤信息診斷和故障的檢測(cè)、識(shí)別、隔離等功能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用該方法設(shè)計(jì)了一款程控高壓直流電源，輸出為3 000 V/1 A，在高電壓輸出狀態(tài)下，可獲得0.1% 的輸出精度。為了測(cè)試輸入和輸出信號(hào)的快速傳輸能力，進(jìn)行了向上編程時(shí)間、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試，圖4 是滿載條件下電源的向上編程時(shí)間測(cè)試結(jié)果，由圖可見，向上編程時(shí)間小于1.2 ms；圖5 是空滿載條件下負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果( 通道1 為負(fù)載電流波形，通道2 為輸出電壓波形)，由圖可見，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于5 μs，偏離電平低于200 mV，可見電源具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)和抗干擾性能。