i耦合器隔離通信解決方案用于太陽(yáng)能光伏和儲(chǔ)能的基本監(jiān)控

作者：Richard Anslow and Martin Murnane

新的政府政策與新的法規(guī)相結(jié)合，正在推動(dòng)可再生能源發(fā)電，預(yù)計(jì)未來(lái)太陽(yáng)能市場(chǎng)將有強(qiáng)勁的增長(zhǎng)。由于當(dāng)前太陽(yáng)能逆變器中功率密度的增加以及對(duì)儲(chǔ)能平衡的需求，這種太陽(yáng)能發(fā)電導(dǎo)致需要顯著監(jiān)控太陽(yáng)能系統(tǒng)的所有元素。對(duì)于太陽(yáng)能光伏應(yīng)用，由于固有的抗噪性，使用RS-485通信。添加i耦合器隔離式RS-485收發(fā)器可為太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供安全、可靠且可靠的EMC穩(wěn)健解決方案。?

RS-485有多種用途，主要用途是遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)電、電源點(diǎn)跟蹤器和儲(chǔ)能狀態(tài)（電池存儲(chǔ)）。

對(duì)于儲(chǔ)能等太陽(yáng)能應(yīng)用，通信至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)提醒用戶其太陽(yáng)能裝置中的發(fā)電和消費(fèi)活動(dòng)。可以安裝多種系統(tǒng)策略，例如賬單管理、光伏自用、減少需求電荷和備用電源。備用電源是最受歡迎的，尤其是在美國(guó)，因?yàn)楦鞣N颶風(fēng)在德克薩斯州和佛羅里達(dá)州造成了嚴(yán)重破壞。

典型的24小時(shí)太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能和家庭消費(fèi)如圖1所示。圖1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于太陽(yáng)能系統(tǒng)中賬單管理的主要原因。在夜間，當(dāng)太陽(yáng)能電池板沒(méi)有輻射時(shí)，消耗的能量將從電網(wǎng)最低的電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)。一旦太陽(yáng)升起，太陽(yáng)能電池板上就會(huì)出現(xiàn)輻射，就會(huì)產(chǎn)生電力，家庭自我消費(fèi)就開(kāi)始了，任何太陽(yáng)能發(fā)電要么用于家庭，要么被轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能單元充電。這允許通過(guò)減少?gòu)碾娋W(wǎng)獲取的能源和使用太陽(yáng)能來(lái)控制賬單成本，其中公用事業(yè)公司提供低上網(wǎng)電價(jià)。

圖1.太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能和家庭消費(fèi)在典型的一天 24 小時(shí)內(nèi)。

RS-485是PC屏幕數(shù)據(jù)更新的首選通信應(yīng)用，例如當(dāng)前功率，最大功率點(diǎn)跟蹤器中的電流消耗，電池充電和健康狀況以及CO2減少等可用，如圖 2 所示。

圖2.來(lái)自光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)的典型光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

圖3顯示了具有輸入對(duì)輸入直流串、直流到交流轉(zhuǎn)換、能量充電和存儲(chǔ)以及電池管理和通信的典型太陽(yáng)能系統(tǒng)。ADI公司為太陽(yáng)能光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用提供完整的電源、通信和控制接口信號(hào)鏈解決方案。i耦合器隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223;i耦合器隔離通信端口解決方案包括ADM2795E、ADM2867E和ADM3054;混合信號(hào)處理器解決方案包括ADSP-CM40x。

圖3.帶存儲(chǔ)的典型太陽(yáng)系的框圖。

為什么使用帶耦合器隔離的RS-485收發(fā)器？

i耦合器隔離為太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供了安全、可靠且 EMC 穩(wěn)健的解決方案。

對(duì)于太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)，RS-485或CAN通信接口通常在電氣噪聲環(huán)境中通過(guò)長(zhǎng)電纜運(yùn)行。RS-485通信本質(zhì)上是差分的，并且具有固有的抗噪聲性。添加i耦合器隔離可提高抗噪性。

i耦合器系列數(shù)字隔離產(chǎn)品已通過(guò)各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)的測(cè)試和批準(zhǔn)，包括UL、CSA、VDE、TüV、CQC、ATEX和IECEx。該監(jiān)管機(jī)構(gòu)測(cè)試在電氣惡劣的太陽(yáng)能光伏環(huán)境中可能發(fā)生的高壓瞬變和電涌的情況下提供了經(jīng)過(guò)認(rèn)證的安全水平。

太陽(yáng)能光伏通信接口通常以低于500 kbps的低數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，這是RS-485通信的理想工作范圍。以太網(wǎng)等替代實(shí)現(xiàn)以 10 Mbps/100 Mbps 或 1 Gbps 的固定數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，這顯然是針對(duì)應(yīng)用要求過(guò)度設(shè)計(jì)的。

i耦合器隔離已證明具有EMC魯棒性，可減少現(xiàn)場(chǎng)故障。增加的EMC魯棒性減少了接口電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)間，從而加快了太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)的上市時(shí)間。

適用于現(xiàn)有太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)的嵌入式i耦合器隔離解決方案

對(duì)于現(xiàn)有的太陽(yáng)能逆變器安裝，其中不包括通信端口上的i耦合器隔離魯棒性，i耦合器隔離RS-485中繼器是一種強(qiáng)大的插入式解決方案。緊湊的信號(hào)和電源i耦合器隔離RS-485中繼器在電磁能力（EMC）惡劣的太陽(yáng)能環(huán)境中提供強(qiáng)大的電氣噪聲隔離保護(hù)。

圖4.信號(hào)和電源iCoupler隔離RS-485中繼器。

i耦合器隔離式RS-485中繼器設(shè)計(jì)由兩個(gè)RS-485收發(fā)器和兩個(gè)高速ADCMP600比較器組成。ADM2867E是一款完全集成的信號(hào)和電源隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，具有±15 kV ESD保護(hù)，適合多點(diǎn)傳輸線路上的高速通信。ADM2867E內(nèi)置一個(gè)集成式隔離式DC-DC電源，無(wú)需外部DC-DC隔離模塊。RS-485中繼器需要流量控制，這對(duì)于控制RS-485總線上的通信方向至關(guān)重要。使用ADCMP600高速比較器可在ADM2867E邏輯引腳上實(shí)現(xiàn)高速流量控制和方向性，從而形成可靠的通信系統(tǒng)。有關(guān)完整的設(shè)計(jì)指南，請(qǐng)參閱AN-1458應(yīng)用筆記具有自動(dòng)方向控制的隔離式RS-485中繼器。

i耦合器信號(hào)隔離RS-485，具有額外的EMC魯棒性

在設(shè)計(jì)EMC通信接口時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨設(shè)計(jì)和測(cè)試迭代周期。該電路的設(shè)計(jì)需要滿足系統(tǒng)級(jí)EMC標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。系統(tǒng)級(jí) IEC 標(biāo)準(zhǔn)（如用于工業(yè)自動(dòng)化的 IEC 61131-2）規(guī)定了不同級(jí)別的 IEC ESD、EFT 和浪涌保護(hù)，以及對(duì)輻射、傳導(dǎo)和磁干擾的抗擾度。

ADI公司的耦合器信號(hào)隔離RS-485包括額外的經(jīng)認(rèn)證的EMC保護(hù)，可防止這些明顯的干擾，從而縮短需要滿足嚴(yán)格監(jiān)管目標(biāo)的設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。

特別是，ADM2795E RS-485收發(fā)器集成了隔離魯棒性和EMC保護(hù)功能，可為太陽(yáng)能光伏通信端口接口節(jié)省大量印刷電路板（PCB）板空間。

ADM2795E是一款5 kV rms信號(hào)隔離式RS-485收發(fā)器，在RS-485總線引腳上提供高達(dá)±42 V的交流-直流峰值總線過(guò)壓故障保護(hù)。該器件集成了ADI公司的i耦合器技術(shù)，將3通道隔離器、RS-485收發(fā)器和IEC電磁兼容性（EMC）瞬態(tài)保護(hù)集成在單個(gè)封裝中。

ADM2795E集成式耦合器技術(shù)已通過(guò)VDE0884-10、UL 1577、CSA和CQC（申請(qǐng)中）認(rèn)證。

工作電壓：849 V峰（600 V rms） 通過(guò) VDE 0884-10 認(rèn)證

耐壓：5000 V rms通過(guò) UL1577 認(rèn)證

ADM2795E在多個(gè)系統(tǒng)級(jí)EMC測(cè)試中表現(xiàn)可靠，這些測(cè)試由EMC一致性測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)證（可根據(jù)要求提供認(rèn)證）：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 電子轉(zhuǎn)帳

IEC 61000-4-2 靜電放電

IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)射頻抗擾度

IEC 61000-4-3 輻射射頻抗擾度

IEC 61000-4-8 磁抗擾度

圖5.iCoupler 隔離式 RS-485 收發(fā)器，在 A 和 B 總線引腳上增加了 IEC 61000-4-5 浪涌魯棒性。

結(jié)論

ADI公司為太陽(yáng)能光伏和儲(chǔ)能應(yīng)用提供完整的信號(hào)鏈解決方案。我耦合器隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案包括ADuM4135和ADuM4223/ADuM3223，而i耦合器隔離式通信端口解決方案包括ADM2795E和ADM2867E，ADSP-CM40x混合信號(hào)控制處理器提供電源通信和控制接口。i耦合器隔離為太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò)通信接口提供了安全、可靠且 EMC 穩(wěn)健的解決方案。

ADI公司的接口和隔離產(chǎn)品組合提供多種隔離RS-485接口的選項(xiàng)。ADM2795E提供完整的系統(tǒng)級(jí)EMC解決方案，符合IEC 61000浪涌、EFT和ESD標(biāo)準(zhǔn)，并且不受傳導(dǎo)、輻射和磁干擾，這些干擾在惡劣的太陽(yáng)能光伏環(huán)境中很常見(jiàn)。ADM2795E縮短了需要滿足嚴(yán)格監(jiān)管目標(biāo)的設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。

信號(hào)和電源隔離RS-485收發(fā)器（如ADM2867E）提供了當(dāng)今市場(chǎng)上集成度最高的信號(hào)和電源隔離解決方案。ADM2867E可用于RS-485中繼器設(shè)計(jì)，為在已完成的設(shè)計(jì)中增加耦合器隔離魯棒性提供途徑。

審核編輯：郭婷