應用于程控電源的高速數字化光纖隔離傳輸技術(shù)*

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，提高系統的電磁兼容性，輸入回路與輸出回路之間應具有較為嚴格的電氣隔離性能。同時(shí)，輸入與輸出側的信號參與環(huán)路控制，必須進(jìn)行良好的實(shí)時(shí)通信，才能獲得穩定的功率回路閉環(huán)調整性能。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上，實(shí)現信號的高速傳輸。傳統的信號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(méi)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，用于模擬信號的傳輸時(shí)其線(xiàn)性度和精度都較差，用于數字信號傳輸時(shí)響應速度較慢，無(wú)法實(shí)現高速精密的隔離傳輸；磁隔離電路只能傳輸交流信號，傳輸率較低，抗干擾性差，無(wú)法實(shí)現高速實(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字化光纖信號傳輸方法，將數字化與光纖隔離傳輸相結合，采用SERDES 技術(shù)，將低速并行信號轉換成高速串行信號，經(jīng)過(guò)光纖信道隔離傳輸，可完成點(diǎn)對點(diǎn)的高速雙線(xiàn)串行通信，并在接收端將串行信號解調成低速并行信號，實(shí)現高低壓側控制信號雙向實(shí)時(shí)高速傳輸^[1]。

*國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重大科學(xué)儀器設備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項（NO.2017YFF0106703）資助

1   高速數字化光纖隔離傳輸的設計原理

在高性能程控高壓直流電源中，由于輸出電壓為直流高壓，輸出側的電壓、電流檢測信號以及保護控制信號較為微弱，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，如果信號傳輸過(guò)程中沒(méi)有采取適當的電氣隔離措施，就會(huì )將干擾信號引入測量和控制部分，從而對控制電路的正常工作產(chǎn)生較大影響，甚至會(huì )造成檢測和控制電路的損壞，危及周邊設備和操作人員的安全。此外，高壓輸出側的電壓、電流等輸出信號需要發(fā)送到低壓輸入側參與閉環(huán)控制，各種控制信號也要由低壓側向高壓側傳遞，這些信號能否實(shí)時(shí)快速地傳輸，決定了整個(gè)系統的性能。因此，設計既能保證高壓側信號準確快速傳輸，又能使輸入側和輸出側在電氣上完全隔離的高速傳輸電路，是實(shí)現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)現良好的數據隔離傳輸性能，將光纖傳輸技術(shù)和數字化技術(shù)相結合：利用光纖進(jìn)行傳輸，具有隔離電壓等級高、抗干擾能力強、輸入動(dòng)態(tài)范圍大、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現高電壓與強電磁干擾環(huán)境下信號的高速、高精度傳輸；采用高速數字化串行通信SERDES技術(shù)，在發(fā)送端將低速并行信號轉換成高速串行信號，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的雙線(xiàn)數據傳輸，在接收端將高速串行信號還原成并行信號，可有效提高高速隔離傳輸性能。

1.1 系統總體框架

如圖1 所示，高壓輸出側的電壓、電流檢測信號經(jīng)A/D 轉換為數字信號，和保護控制等信號復用為一路并行數據，經(jīng)數據編碼后，送入SERDES 電路轉換成高速串行信號，再通過(guò)光電轉換器調制為光信號，以光纖作為介質(zhì)向低壓輸入側傳輸。低壓側的光電轉換器將來(lái)自高壓測的光信號還原為電信號，再由SERDES 電路轉換成并行數據，從而實(shí)現高壓側電流檢測和保護信號向低壓側的傳輸。同樣，低壓輸入側發(fā)送的檔位和控制等信號也經(jīng)過(guò)相同的方式向高壓側傳輸。

普通數字信號不適合在光纖中直接傳輸，為了便于光纖接收端接收信號，需要在發(fā)送端定義相應的傳輸協(xié)議，對數字信號進(jìn)行數據編碼等處理。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，提高信號抗干擾能力，本文對輸入的并行數據進(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據送入解串模塊，串并轉換得到的低速并行數據再進(jìn)行8B/10B 解碼處理，變成有效的并行數據，完成信號的高速傳輸^[2-3]。

SERDES 電路在發(fā)送端將低速并行信號轉換為高速串行的低壓差分信號，從而將多數據并行傳輸縮減為雙線(xiàn)高速串行傳輸，并在接收端將高速串行信號解碼還原為低速并行信號。由于采用差分信號傳輸代替單端信號進(jìn)行傳輸，增強了抗噪聲干擾能力；為提高數據傳輸速率，采用時(shí)鐘和數據恢復技術(shù)取代了傳統的同步方式，解決了信號時(shí)鐘偏移問(wèn)題；采用多路復用，增加了系統的傳輸帶寬。

光電轉換電路通過(guò)光纖發(fā)送器與光纖接收器完成電信號與光信號之間的相互轉換，實(shí)現電信號的光傳輸。

其中，光纖發(fā)送器將電信號轉換為光信號進(jìn)行發(fā)送，光纖接收器將接收到的光信號還原為電信號。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)行光電信號轉換，該過(guò)程不改變編碼格式，不進(jìn)行數據處理，只用于點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸，從而大大提高了速率。

1.2 編解碼的實(shí)現

圖1 中，數據的編解碼功能由高低壓側的FPGA 完成，采用的是8B/10B 編解碼方式。編碼時(shí)，將16 位的并行數據送入輸入寄存器，分兩次映射為10 位編碼，在編碼表中，設置一些特殊字符（12 個(gè)K 碼）對數據流控制和實(shí)現字節對齊，K 碼采用的編碼方式，可以幫助接收端進(jìn)行數據還原，并可用來(lái)檢查數據流中的傳輸問(wèn)題，阻斷錯誤的持續產(chǎn)生。為了便于接收端在數據流中識別出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志，接收端識別出編碼的邊界后，就可以進(jìn)行8B/10B 解碼工作，如果檢測到的是10位的無(wú)效編碼，則給出相應的錯誤標示。這樣，使用查找表方式，通過(guò)簡(jiǎn)單的查詢(xún)操作替換復雜的數據計算，可實(shí)現8B/10B 編解碼電路的設計。

1.3 SERDES設計

使用TI 公司專(zhuān)用控制芯片TLK1201ARCP 來(lái)實(shí)現SERDES 功能。它是一種應用在極高速雙向點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸系統中的兆比特收發(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 位并行數據接口，具有雙工功能，可以同時(shí)進(jìn)行串化和解串處理。其結構框圖如圖2 所示。

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

圖2 TLK1201ARCP結構框圖

1.4 光電轉換

采用 AVAGO 公司的光電收發(fā)與轉換模塊AFBR-57R5APZ 來(lái)實(shí)現雙線(xiàn)光電信號的轉換與傳輸。AFBR-57R5APZ 是一種高性能的串行光數據交換器，傳輸速率最高可達4.25 Gb/s， 支持（500 m，50 μm） 和（300 m，62.5 μm） 的MMF光纜（@1.062 5 Gbd）， 內置850 nm 的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。AFBR-57R5APZ 的結構框圖如圖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。對于發(fā)送部分，首先從 TD+ 和TD- 接收兩路差分的電信號，經(jīng)激光驅動(dòng)電路的調制與控制后送入激光發(fā)射器，最后激光發(fā)射器將電信號轉換成承載相應信息的光信號，并發(fā)送到光纖進(jìn)行傳輸。此外，在驅動(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的輸出功率；對于接收部分，首先從光纖接收光信號，通過(guò)光檢測器將光信號承載的電信號信息提取出來(lái)，再經(jīng)過(guò)放大、去噪等處理還原出原電信號，最后通過(guò)RD+ 和 RD- 接口將兩路差分的電信號發(fā)送出去。RX_LOS 用于接收信號的檢測，當接收光信號正常時(shí)，輸出低電平，異常時(shí)則輸出高電平?？刂坪痛鎯﹄娐酚糜谕瓿善骷e誤信息診斷和故障的檢測、識別、隔離等功能。

2   實(shí)驗結果

采用該方法設計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。為了測試輸入和輸出信號的快速傳輸能力，進(jìn)行了向上編程時(shí)間、負載瞬態(tài)響應等動(dòng)態(tài)性能的測試，圖4 是滿(mǎn)載條件下電源的向上編程時(shí)間測試結果，由圖可見(jiàn)，向上編程時(shí)間小于1.2 ms；圖5 是空滿(mǎn)載條件下負載瞬態(tài)響應時(shí)間的測試結果( 通道1 為負載電流波形，通道2 為輸出電壓波形)，由圖可見(jiàn)，瞬態(tài)響應時(shí)間小于5 μs，偏離電平低于200 mV，可見(jiàn)電源具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應和抗干擾性能。

圖4 向上編程時(shí)間測試結果

圖5 負載瞬態(tài)響應時(shí)間測試結果

3   結論

本文采用數字編解碼和SERDES 技術(shù)，將低速并行信號轉換成高速串行信號，經(jīng)過(guò)雙光纖完成信號雙向高速隔離傳輸，實(shí)現了程控高壓直流電源優(yōu)異的控制性能。

該電路傳輸速度快，隔離度高，抗干擾性強，具有良好的瞬態(tài)響應，在程控高壓直流電源、強絕緣微弱信號快速檢測等相關(guān)領(lǐng)域中具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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[2] 唐李紅.5Gbps高速串行接口電路的研究與設計[D].長(cháng)沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[3] 李永乾.基于8b10b編碼技術(shù)的SerDes接口電路設計:[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）