一種高壓直流母線電壓的采樣電路(二)

目前，在電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域、新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域以及高壓儲(chǔ)能領(lǐng)域，經(jīng)常需要采樣、檢測(cè)高壓直流母線電壓，一般直流高壓可能達(dá)到100Vdc～1000Vdc，結(jié)合電路成本和采樣精度，我們?cè)O(shè)計(jì)人員就需要選擇合適的采樣電路方案。昨天，我講解了一種采用電阻分壓法來(lái)檢測(cè)高壓直流母線電壓的方法，這種方法具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中卻也存在一定的缺陷(詳見(jiàn)上一篇文章)。今天，我再講解另外一種高壓直流母線電壓的采樣電路，它可以做到強(qiáng)電和弱電完全隔離、絕緣，降低高壓部分對(duì)低壓部分的電磁干擾，能夠極大提高高壓直流母線電壓采樣精度，詳細(xì)電路原理如圖1所示。

圖1 采用線性光電耦合器HCNR200實(shí)現(xiàn)高壓直流母線電壓的精確采樣

信號(hào)隔離的方法一般分為磁耦隔離和光耦隔離，光耦隔離使用光電耦合器件，把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。光耦隔離是一種簡(jiǎn)單有效的隔離技術(shù)，切斷了“地”干擾的傳播途徑，有效地抑制了尖峰脈沖和各種噪聲干擾。HCNR200屬于電流型光耦隔離器件，與普通非線性光耦不同，它具有更高的線性度，更高的精度和穩(wěn)定性。

圖1所示高壓直流母線電壓檢測(cè)電路由運(yùn)放U1～U3、線性光電耦合器U4、電阻R1～R10、電容C1～C7以及TVS管VD1組成，Vbus+和Vbus-分別為高壓直流母線正極和負(fù)極，Vout+和Vout-分別為電壓檢測(cè)電路輸出正、負(fù)極，Vout+/Vout-可以直接接入A/D轉(zhuǎn)換器或CPU的A/D管腳進(jìn)行運(yùn)算處理。

線性光電耦合器HCNR200(廠家：AVAGO)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由發(fā)光二極管D1、反饋光電二極管D2和輸出光電二極管D3組成，其工作原理為：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流IF通過(guò)發(fā)光二極管D1時(shí)，D1發(fā)出紅外光(伺服光通量)，該光分別照射在D2、D3上，反饋光電二極管D2吸收D1的一部分光通量，從而產(chǎn)生控制電流IPD1，該電流用來(lái)調(diào)節(jié)IF以補(bǔ)償D1的非線性和漂移特性。同時(shí)，輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流IPD2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。由芯片規(guī)格書(shū)可知，輸入光敏二極管電流傳輸比K1 = IPD1 / IF = 0.5%(典型值)，傳輸增益K3 = IPD2 / IPD1 = 1(典型值)。

圖2 線性光電耦合器HCNR200內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

詳細(xì)工作原理分析：電阻R1～R7、運(yùn)放U1、線性光電耦合器U4中的D1、D2以及電容C1、C2共同構(gòu)成輸入電壓電流轉(zhuǎn)換電路，電阻R1～R6的作用是將輸入的高壓直流母線電壓轉(zhuǎn)換為輸入電流，采用多個(gè)電阻進(jìn)行串并聯(lián)是為了增大電氣安全距離以及電阻耐受功率，電容C2可以防止電路產(chǎn)生振蕩，濾除電路中的毛刺，R7為發(fā)光二極管D1的限流電阻，C1為電源濾波電容。

根據(jù)理想運(yùn)放“虛短”和“虛斷”的概念，有關(guān)系式：VU1- = VU1+ = 0，IU1-=0，因此流經(jīng)電阻R1～R6的電流會(huì)直接流向線性光電耦合器U4中的反饋光電二極管D2，即IPD1=[(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6);IPD1反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)放U1輸出及驅(qū)動(dòng)電流IF，使VU1-維持在參考電壓0V，運(yùn)放U1及其周邊器件實(shí)質(zhì)上構(gòu)成了一個(gè)電流并聯(lián)負(fù)反饋電路。

電阻R8～R10、運(yùn)放U2～U3、線性光電耦合器U4中的D3以及電容C3～C7共同構(gòu)成輸出電流電壓轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)檩敵龉怆姸O管D3受到發(fā)光二極管D1的光照，輸出電流IPD2也跟著穩(wěn)定線性變化，運(yùn)放U2和電阻R8組成電流電壓轉(zhuǎn)換器，將D3電流IPD2轉(zhuǎn)換成電壓VU2OUT,且VU2OUT = R8 * IPD2;電容C3與電阻R8并聯(lián)構(gòu)成低通濾波器，以濾除線性光電耦合器U4產(chǎn)生的高頻噪聲;運(yùn)放U3構(gòu)成射極跟隨器，用來(lái)提高檢測(cè)電路的輸出帶載能力，隔離前級(jí)輸出電路和后級(jí)處理電路，最終達(dá)到提升電壓采樣精度的目的;電阻R9、電容C5以及電阻R10、電容C7為傳輸線路上的濾波電路，用于濾除高頻噪聲和干擾;VD1是TVS管，用于后端芯片的過(guò)電壓保護(hù)。

因此，圖1所示電路輸出電壓和輸入電壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：[(Vout+) - (Vout-)]=VU2OUT = R8 * IPD2=R8 * IPD1 = R8 * [(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6);把這個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系通過(guò)反推并轉(zhuǎn)換為程序語(yǔ)言，便可計(jì)算出輸入端的直流高壓。

輸入電壓電流轉(zhuǎn)換電路與輸出電流電壓轉(zhuǎn)換電路，即線性光電耦合器U4兩邊供電電源電氣隔離，分開(kāi)不共地，以達(dá)到強(qiáng)電和弱電完全隔離絕緣，減小高壓部分對(duì)低壓部分的電磁干擾，另外，為了提高信號(hào)分辨率和抗干擾能力，兩邊供電均采取12Vdc電源。

圖1直流母線電壓檢測(cè)電路所有電子元器件的參數(shù)如表1所示，為了提高電壓采樣精度，部分關(guān)鍵電子元器件的參數(shù)計(jì)算如下(*非常重要*)：

(1)確定最大驅(qū)動(dòng)電流IF值：HCNR200規(guī)格書(shū)中給出的輸入光敏二極管電流傳輸比K1= IPD1/IF = 0.5%(典型值)，傳輸增益K3 = IPD2 / IPD1 = 1(典型值)，而測(cè)試IPD2、IPD1的電流范圍是5nA～50uA，如圖3所示;顯然在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，IPD2和IPD1是高度一致的，該區(qū)間段對(duì)應(yīng)的IF = 1uA～10mA，所以取最大的IF為10mA;

圖3 線性光電耦合器HCNR200規(guī)格書(shū)中主要參數(shù)(a)

(2)電阻R1～R6計(jì)算：如前所述，IPD1能取的最大值為50uA，這也就是被測(cè)輸入電壓最大時(shí)的IPD1，電動(dòng)汽車高壓直流母線最高電壓一般不超過(guò)750Vdc，所以R1～R6總電阻R1-6的計(jì)算公式為：R1-6≥750Vdc/50uA=15MΩ，因此R1～R6選取相同規(guī)格電阻，阻值/功率/精度為10MΩ/1W/1%;

(3)電阻R7計(jì)算：HCNR200規(guī)格書(shū)中給出的LED正向壓降VF=1.6Vdc(典型值，如圖4所示)，當(dāng)運(yùn)放U1輸出電壓為0V時(shí)，IF取最大值10mA，所以R7的計(jì)算公式為：R7≥(12Vdc-1.6Vdc)/10mA=1.04KΩ，因此R7阻值/功率/精度選用1KΩ/0.25W/5%;

圖4 線性光電耦合器HCNR200規(guī)格書(shū)中主要參數(shù)(b)

(4)電阻R8計(jì)算：因?yàn)閂out+/Vout-會(huì)直接接入A/D轉(zhuǎn)換器或CPU的A/D管腳進(jìn)行運(yùn)算處理，假如后端選擇CPU型號(hào)為：STM32F107VCT6，其內(nèi)部ADC基準(zhǔn)電平VREF擬定為3.3Vdc，為了使檢測(cè)電路輸出不越限，應(yīng)控制VU2OUT ≤3.3Vdc，即R8≤3.3Vdc / IPD2 = 3.3Vdc / 50uA = 66 KΩ，因此R8阻值/功率/精度選用64.9KΩ/0.1W/1%;

(5)運(yùn)放U1～U3：如果輸入直流母線電壓較低，經(jīng)過(guò)電流傳輸、光電感應(yīng)和電流電壓變換后，最后的輸出電壓幅度可能會(huì)比較小，在運(yùn)放端甚至?xí)霈F(xiàn)截止失真(下限截止)，同時(shí)，運(yùn)放的失調(diào)電壓、偏置電流對(duì)電壓采樣精度也有很大影響，因此，選擇運(yùn)放型號(hào)為：OPA2171AIDR，該運(yùn)放屬于高精度型，輸入失調(diào)電壓典型值為0.25mV，輸入偏置電流小于15pA，基本可以滿足采樣精度的要求。

表1 本文提出的直流母線電壓檢測(cè)電路所有電子元器件參數(shù)規(guī)格表

利用圖1電路及表1參數(shù)設(shè)計(jì)的高壓直流母線電壓檢測(cè)電路，通過(guò)高壓直流電源模擬輸入，實(shí)測(cè)0～500Vdc電壓范圍的采樣精度如表2所示，可見(jiàn)該采樣電路能實(shí)現(xiàn)較高精度的高壓直流檢測(cè)。

表2 按照?qǐng)D1電路及表1參數(shù)設(shè)計(jì)的高壓直流母線電壓檢測(cè)電路實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在設(shè)計(jì)電路時(shí)還需要注意以下幾點(diǎn)：其一，雖然我將線性光電耦合器HCNR200的特性講解的比較清楚了，但大家在應(yīng)用該電路時(shí)還是需要詳細(xì)閱讀一下芯片HCNR200的規(guī)格書(shū);其二，大家要根據(jù)具體直流總壓檢測(cè)范圍來(lái)選擇電阻R1～R6的值，也不限定只使用6只電阻，可以多也可以少(但要滿足爬電距離要求)，如果選擇阻值過(guò)大會(huì)影響電壓低端檢測(cè)精度，如果選擇阻值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電阻發(fā)熱，甚至使IPD1值越限;其三，運(yùn)放的選擇要特別注意，注意運(yùn)放的失調(diào)電壓、偏置電流不能過(guò)大，另外很多高精度運(yùn)放是需要雙電源供電(即正、負(fù)電源)，如果運(yùn)放規(guī)格書(shū)沒(méi)有指出可支持單電源供電，千萬(wàn)不要將雙電源運(yùn)放采取單電源供電，不然的話，輕則影響精度，重則運(yùn)放不能正常工作。

最后我想告訴大家：其實(shí)圖1所示高壓直流檢測(cè)電路就是目前市場(chǎng)上可以買到的“直流電壓變換器”或者叫“直流電壓傳感器”的內(nèi)部電路原理圖，單價(jià)在200元左右，如果大家掌握了該電路即可巧妙的應(yīng)用在各種控制器中。本文通過(guò)使用線性光電耦合器HCNR200可以實(shí)現(xiàn)高壓直流母線電壓的精確檢測(cè)，以及系統(tǒng)高壓部分和低壓部分的電氣隔離，有效降低了高壓強(qiáng)電對(duì)低壓弱電的電磁干擾，同時(shí)，因?yàn)镠CNR200中間傳輸?shù)氖请娏餍盘?hào)而非電壓信號(hào)，消除了大部分電壓噪聲的影響，極大地提高了電壓采樣精度。