基于塑料光纖的高壓隔離通信接口設計

電力輸配電現場存在各種各樣的干擾，電力儀表的傳感器部分往往處于高電位，所以，高壓隔離通信是電力電子設計中經常遇到的課題。根據隔離信號種類的不同，分為模擬信號隔離和數字信號隔離；根據隔離介質的不同，又分為變壓器隔離、運放隔離、光耦隔離、紅外隔離、光纖隔離、無線隔離等。模擬信號的隔離常用隔離運放，這種方法存在隔離過程中可能引入新的量化誤差。輸入信號頻率不能太高等問題。而數字信號隔離則沒有上述問題。因此，數字信號隔離應用廣泛。特別是塑料光纖隔離具有隔離電壓高，工作頻率比較寬，也無需進行信號調制解調，隔離距離較遠，不易被干擾，可靠性高，硬件接口簡單，成本比較低的優點。因此，塑料光纖隔離傳輸在電力系統中具有廣闊的應用前景。

1 塑料光纖
與電纜相比，塑料光纖POF(Plastic Optical Fiber)不受電磁干擾、無電磁輻射。與玻璃光纖相比，塑料光纖成本低，較柔軟、容易安裝和維護，POF芯徑通常為0．3～1mm，而玻璃光纖芯徑為62．5μm或50μm，芯徑大10倍左右的POF連接對準容易，連接中即使有30μm的偏移，也不嚴重影響耦合損耗(約增加損耗0．03 dB)，使用廉價的注塑連接器，從而顯著降低系統的總成本。
塑料光纖的連接器可以根據應用的不同可自行設計。在高壓隔離通信中，常用的軟件協議有RS232總線，SPI總線，CAN總線等，這些接口的信號頻率小于10 MHz，這與光學數字音頻接口(TOSLINK)的頻段相同，使用標準的TOSLINK接口可以進一步降低成本，提高可靠性。
TOSLINK是東芝連接(Toshiba Link)的縮寫，也是一種標準光學數字音頻接口，可用于在各種器材之間，通過一種光導體，利用光作載體傳送數字音頻信號(左右聲道或多聲道)。TOSLINK可以使用塑料光纖做塑料光纖音頻跳線。TOSLINK接口是一個光收發器，將數字電信號轉化為光信號并傳輸數據。它通過光發送模塊將數字電信號轉換為數字光信號，轉化后的光信號通過塑料光纖到達光接收模塊。光接收模塊將光信號轉換回數字電信號。光發送模塊主要元件是LED，它是一個光發射元件，通過驅動電路來驅動。光接收模塊由感光元件和波形修整電路組成。電路使用標準的TTL電平或者ECL電平，它們能夠很容易與外圍電路相配合。
塑料光纖隔離通信系統的核心元件是光發送器和光接收器。其中，光發送器是由發光二極管及光纖連接器構成。發光二極管使用高亮度、大小為1 mmx1 mm表面貼片封裝的發光二極管，這種發光管具有驅動電流小、價格便宜的優點，發光面大小與塑料光纖的直徑相當，容易將光信號與塑料光纖耦合。發光二極管的工作波長也要與塑料光纖的工作波長相配合。光纖連接器是將發光二極管與塑料光纖進行有效對接的機械結構。光纖連接器一般采用槽形結構，易于快速正確插撥。光接收器是由光敏二極管及光纖連接器構成。光接收器收到的信號經放大、濾波后，輸出TTL兼容信號。其光纖連接器與光發送器中的連接器完全相同。

2 硬件電路設計
基于TOSLINK接口的光收發模塊很多，其硬件接口是類似的，光和電參數根據應用不同而不同。市場上有很多相關的生產廠家。這里以DLRllll和DLTllll對管為例，說明塑料光纖的接口電路設計方法。DLRllll和DLTllll的外形和封裝形式完全一樣，如圖l所示。

DLRllll主要參數如下：工作電壓為2．7～5 V；工作電流為6．5 mA；工作波長為700 nm；工作頻率小于16 Mb／s；傳輸距離小于20m。
從以上參數來看，該器件可以滿足各種常見的高壓隔離通信的要求。