一种用于程控高压直流电源的高速数字化光纤信号传输方法

0 引言

在高性能程控高压直流电源中，为更好地抑制噪声干扰，提高系统的电磁兼容性，输入回路与输出回路之间应具有较为严格的电气隔离性能。同时，输入与输出侧的信号参与环路控制，必须进行良好的实时通信，才能获得稳定的功率回路闭环调整性能。因此，为了保证程控高压电源良好的控制性能，要求传输电路具有较高的隔离度和实时性，在确保良好的电气隔离基础上，实现信号的高速传输。传统的信号隔离传输常采用光耦隔离和磁隔离，这两种隔离方法都有各自的缺点。光耦器件的输入和输出之间没有直接的电气关联，具有一定的隔离作用，但由于固有的电流传输特性，用于模拟信号的传输时其线性度和精度都较差，用于数字信号传输时响应速度较慢，无法实现高速精密的隔离传输；磁隔离电路只能传输交流信号，传输率较低，抗干扰性差，无法实现高速实时化的隔离传输。

本文提出了一种用于程控高压直流电源的高速数字化光纤信号传输方法，将数字化与光纤隔离传输相结合，采用SERDES 技术，将低速并行信号转换成高速串行信号，经过光纤信道隔离传输，可完成点对点的高速双线串行通信，并在接收端将串行信号解调成低速并行信号，实现高低压侧控制信号双向实时高速传输。

1 高速数字化光纤隔离传输的设计原理

在高性能程控高压直流电源中，由于输出电压为直流高压，输出侧的电压、电流检测信号以及保护控制信号较为微弱，且处于悬浮的高电位上，极易受到噪声杂讯和环境的干扰，如果信号传输过程中没有采取适当的电气隔离措施，就会将干扰信号引入测量和控制部分，从而对控制电路的正常工作产生较大影响，甚至会造成检测和控制电路的损坏，危及周边设备和操作人员的安全。此外，高压输出侧的电压、电流等输出信号需要发送到低压输入侧参与闭环控制，各种控制信号也要由低压侧向高压侧传递，这些信号能否实时快速地传输，决定了整个系统的性能。因此，设计既能保证高压侧信号准确快速传输，又能使输入侧和输出侧在电气上完全隔离的高速传输电路，是实现高性能程控高压直流电源良好控制性能的关键。

为了实现良好的数据隔离传输性能，将光纤传输技术和数字化技术相结合：利用光纤进行传输，具有隔离电压等级高、抗干扰能力强、输入动态范围大、响应速度快等优点，可实现高电压与强电磁干扰环境下信号的高速、高精度传输；采用高速数字化串行通信SERDES技术，在发送端将低速并行信号转换成高速串行信号，实现点对点的双线数据传输，在接收端将高速串行信号还原成并行信号，可有效提高高速隔离传输性能。

1.1 系统总体框架

如图1 所示，高压输出侧的电压、电流检测信号经A/D 转换为数字信号，和保护控制等信号复用为一路并行数据，经数据编码后，送入SERDES 电路转换成高速串行信号，再通过光电转换器调制为光信号，以光纤作为介质向低压输入侧传输。低压侧的光电转换器将来自高压测的光信号还原为电信号，再由SERDES 电路转换成并行数据，从而实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输。同样，低压输入侧发送的档位和控制等信号也经过相同的方式向高压侧传输。

普通数字信号不适合在光纤中直接传输，为了便于光纤接收端接收信号，需要在发送端定义相应的传输协议，对数字信号进行数据编码等处理。由于8B/10B 编解码方式具有良好的直流平衡特性，可有效消除噪声累积，提高信号抗干扰能力，本文对输入的并行数据进行8B/10B 编码处理后作为SERDES 电路的输入，经串行化处理后再发送出去。接收端将接收到的串行数据送入解串模块，串并转换得到的低速并行数据再进行8B/10B 解码处理，变成有效的并行数据，完成信号的高速传输。

SERDES 电路在发送端将低速并行信号转换为高速串行的低压差分信号，从而将多数据并行传输缩减为双线高速串行传输，并在接收端将高速串行信号解码还原为低速并行信号。由于采用差分信号传输代替单端信号进行传输，增强了抗噪声干扰能力；为提高数据传输速率，采用时钟和数据恢复技术取代了传统的同步方式，解决了信号时钟偏移问题；采用多路复用，增加了系统的传输带宽。

光电转换电路通过光纤发送器与光纤接收器完成电信号与光信号之间的相互转换，实现电信号的光传输。

其中，光纤发送器将电信号转换为光信号进行发送，光纤接收器将接收到的光信号还原为电信号。为提高传输性能，采用双光纤完成串行通信，而光纤收发器（兼有发送和接收功能）只进行光电信号转换，该过程不改变编码格式，不进行数据处理，只用于点对点的数据传输，从而大大提高了速率。

1.2 编解码的实现

图1 中，数据的编解码功能由高低压侧的FPGA 完成，采用的是8B/10B 编解码方式。编码时，将16 位的并行数据送入输入寄存器，分两次映射为10 位编码，在编码表中，设置一些特殊字符（12 个K 码）对数据流控制和实现字节对齐，K 码采用的编码方式，可以帮助接收端进行数据还原，并可用来检查数据流中的传输问题，阻断错误的持续产生。为了便于接收端在数据流中识别出10 位编码的边界，发送端首先发送K 码作为接收端边界判定的可靠标志，接收端识别出编码的边界后，就可以进行8B/10B 解码工作，如果检测到的是10位的无效编码，则给出相应的错误标示。这样，使用查找表方式，通过简单的查询操作替换复杂的数据计算，可实现8B/10B 编解码电路的设计。

1.3 SERDES设计

使用TI 公司专用控制芯片TLK1201ARCP 来实现SERDES 功能。它是一种应用在极高速双向点对点数据传输系统中的兆比特收发器，支持（0.6~1.3） Gbps 的串行接口速率，支持已经定义好的10 位并行数据接口，具有双工功能，可以同时进行串化和解串处理。其结构框图如图2 所示。

高压侧FPGA 按照8B/10B 格式将16 位并行数据编码为10 位并行数据，由TLK1201ARCP 的发送部分根据参考时钟（REFCLK，78 MHz） 将并行数据进行锁存，该10 位数据将以10 倍参考时钟的速率（780 MHz） 以串行方式发送给光电转换电路。低压侧的TLK1201ARCP接收串行数据，根据提取时钟（RX_CLK） 进行串并转化后得到10 位宽的并行数据，再送入低压侧FPGA 中，并按照8B/10B 格式进行解码，最终还原为16 位的并行数据。

图2 TLK1201ARCP结构框图

1.4 光电转换

采用 AVAGO 公司的光电收发与转换模块AFBR-57R5APZ 来实现双线光电信号的转换与传输。AFBR-57R5APZ 是一种高性能的串行光数据交换器，传输速率最高可达4.25 Gb/s， 支持（500 m，50 μm） 和（300 m，62.5 μm） 的MMF光缆（@1.062 5 Gbd）， 内置850 nm 的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。AFBR-57R5APZ 的结构框图如图3，主要包括：光纤接口、电器接口、发送和接收共四个部分。对于发送部分，首先从 TD+ 和TD- 接收两路差分的电信号，经激光驱动电路的调制与控制后送入激光发射器，最后激光发射器将电信号转换成承载相应信息的光信号，并发送到光纤进行传输。此外，在驱动电路部分还包含其他的辅助电路，它们的作用是保证光信号的输出功率；对于接收部分，首先从光纤接收光信号，通过光检测器将光信号承载的电信号信息提取出来，再经过放大、去噪等处理还原出原电信号，最后通过RD+ 和 RD- 接口将两路差分的电信号发送出去。RX_LOS 用于接收信号的检测，当接收光信号正常时，输出低电平，异常时则输出高电平。控制和存储电路用于完成器件错误信息诊断和故障的检测、识别、隔离等功能。

2 实验结果

采用该方法设计了一款程控高压直流电源，输出为3 000 V/1 A，在高电压输出状态下，可获得0.1% 的输出精度。为了测试输入和输出信号的快速传输能力，进行了向上编程时间、负载瞬态响应等动态性能的测试，图4 是满载条件下电源的向上编程时间测试结果，由图可见，向上编程时间小于1.2 ms；图5 是空满载条件下负载瞬态响应时间的测试结果（ 通道1 为负载电流波形，通道2 为输出电压波形），由图可见，瞬态响应时间小于5 μs，偏离电平低于200 mV，可见电源具有优异的瞬态响应和抗干扰性能。

图4 向上编程时间测试结果

图5 负载瞬态响应时间测试结果

3 结论

本文采用数字编解码和SERDES 技术，将低速并行信号转换成高速串行信号，经过双光纤完成信号双向高速隔离传输，实现了程控高压直流电源优异的控制性能。

该电路传输速度快，隔离度高，抗干扰性强，具有良好的瞬态响应，在程控高压直流电源、强绝缘微弱信号快速检测等相关领域中具有广泛的应用前景。
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