直流高电压（100Vdc～1000Vdc）检测的采样电路（隔离方案）

在电力系统自动化、新能源电动汽车及高压储能领域常需采样检测 100Vdc1000Vdc 的高压直流母线电压。设计人员需结合成本与精度选择合适的采样方案。本文分享一种强电与弱电完全隔离的高压直流母线电压采样电路可有效抑制高压侧对低压侧的电磁干扰显著提高采样精度。电路原理如图1所示。图1 采用线性光 电耦合器HCNR200实现高压直流母线电压的精确采样信号隔离分为磁耦隔离和光耦隔离两类。光耦隔离以光为媒介通过光电耦合器件实现输入与输出的电气隔离能有效切断地环路干扰抑制尖峰脉冲和噪声。HCNR200 属于电流型光耦相比普通非线性光耦具有更高的线性度、精度和稳定性。图1所示检测电路由运放U1U3、线性光耦U4、电阻R1R10、电容C1C7及TVS管VD1组成。Vbus/Vbus- 为高压母线正/负极输入Vout/Vout- 为检测输出可直接接入 A/D 转换器或 CPU 的 A/D 引脚进行运算处理。线性光耦 HCNR200AVAGO内部集成发光二极管 D1、反馈光敏二极管 D2 和输出光敏二极管 D3。工作时驱动电流 IF 使 D1 发出红外光分别照射 D2 和 D3D2 吸收部分光通量产生控制电流 IPD1用于调节 IF 以补偿 D1 的非线性和漂移D3 产生的输出电流 IPD2 与光通量呈线性比例。根据规格书K1 IPD1/IF 0.5%典型值K3 IPD2/IPD1 1典型值。图2 线性光电耦合器HCNR200内部结构示意图详细工作原理分析电阻R1R7、运放U1、线性光电耦合器U4中的D1、D2以及电容C1、C2共同构成输入电压电流转换电路电阻R1R6的作用是将输入的高压直流母线电压转换为输入电流采用多个电阻进行串并联是为了增大电气安全距离以及电阻耐受功率电容C2可以防止电路产生振荡滤除电路中的毛刺R7为发光二极管D1的限流电阻C1为电源滤波电容。根据理想运放虚短虚断概念VU1- VU1 0IU1- 0故 R1R6 电流全部流向 U4 的反馈光敏二极管 D2即IPD1 [(Vbus) - (Vbus-)] / (R1//R2 R3//R4 R5//R6)。IPD1 反向调节 U1 输出及驱动电流 IF使 VU1- 维持在 0V 参考电位。U1 及周边器件实质构成电流并联负反馈电路。R8R10、U2U3、U4 中的 D3 及 C3C7 构成输出电流-电压转换电路。D3 受 D1 光照输出电流 IPD2 随之稳定线性变化U2 R8电流-电压转换器VU2OUT R8 × IPD2C3 与 R8 并联构成低通滤波器滤除 U4 产生的高频噪声。U3射极跟随器提高输出带载能力隔离前后级电路提升采样精度。R9/C5、R10/C7传输线路滤波滤除高频噪声与干扰。VD1TVS管后端芯片过电压保护。因此电路输入与输出电压的转换关系为(Vout) - (Vout-) VU2OUT R8 × IPD2 R8 × IPD1 R8 × [(Vbus) - (Vbus-)] / (R1//R2 R3//R4 R5//R6)将该关系式反推并转换为程序语言即可计算出输入端的直流高压。输入端的电压-电流转换电路与输出端的电流-电压转换电路供电电气隔离、互不共地从而实现强电与弱电的完全隔离减小高压部分对低压部分的电磁干扰。此外为提高信号分辨率和抗干扰能力两侧供电均采用 12Vdc。图1 电路所有元器件参数如表1所示。为提高采样精度部分关键器件参数计算如下非常重要(1) 确定最大驱动电流 IFHCNR200 规格书中K1 IPD1/IF 0.5%典型值K3 IPD2/IPD1 1典型值IPD2、IPD1 的测试电流范围为 5nA50μA如图3所示。在此区间内 IPD2 与 IPD1 高度一致对应 IF 1μA10mA故取 IF 最大值为 10mA。图3 线性光电耦合器HCNR200规格书中主要参数(a)2电阻R1R6计算如前所述IPD1能取的最大值 为50uA这也就是被测输入电压最大时的IPD1电动汽车高压直流母线最高电压一般不超过750Vdc所以R1R6总电阻R1-6的计算公式为R1-6≥750Vdc/50uA15MΩ因此R1R6选取相同规格电阻阻值/功率/精度为10MΩ/1W/1%3电阻R7计算HCNR200规格书中给出的LED 正向压降VF1.6Vdc典型值如图4所示当运放U1输出电压为0V时IF取最大值10mA所以R7的计算公式为R7≥12Vdc-1.6Vdc/10mA1.04KΩ因此R7阻值/功率/精度选用1KΩ/0.25W/5%图4 线性光电耦合器HCNR200规格书中主要参数(b)4电阻R8计算因为Vout/Vout-会直接接入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行运算处理假如后端选择CPU型号为STM32F107VCT6其内部ADC 基准电平VREF拟定为3.3Vdc为了使检测电路输出不越限应控制VU2OUT ≤3.3Vdc即R8≤3.3Vdc / IPD2 3.3Vdc / 50uA 66 KΩ因此R8阻值/功率/精度选用64.9KΩ/0.1W/1%5运放U1U3如果输入直流母线电压较低经过电流传输、光电感应和电流电压变换后最后的输出电压幅度可能会比较小在运放端甚至会出现截止失真下限截止同时运放的失调电压、偏置电流对电压采样精度也有很大影响因此选择运放型号为OPA2171AIDR该运放属于高精度型输入失调电压典型值为0.25mV输入偏置电流小于15pA基本可以满足采样精度的要求。表1 本文提出的直流母线电压检测电路所有电子元器件参数规格表利用图1电路及表1参数设计的高压直流母线电压检测电路通过高压直流电源模拟输入实测0500Vdc电压范围的采样精度如表2所示可见该采样电路能实现较高精度的高压直流检测。表2 按照图1电路及表1参数设计的高压直流母线电压检测电路实测结果对比设计时需注意以下几点其一应用该电路前请详细阅读 HCNR200 规格书其二R1R6 的阻值需根据直流总压检测范围确定数量可增减但须满足爬电距离要求——阻值过大影响低端检测精度过小则电阻发热甚至致 IPD1 越限其三运放选型需注意失调电压、偏置电流不宜过大且多数高精度运放需双电源供电若规格书未注明支持单电源切勿以单电源方式使用否则轻则影响精度重则无法正常工作。图1 所示电路即市面上可购的直流电压变换器/传感器的内部原理单价约 200 元掌握后便可灵活应用于各类控制器。本文借助线性光耦 HCNR200 实现了高压直流母线的精确检测及强弱电隔离有效抑制了电磁干扰同时因中间传输为电流信号而非电压信号消除了大部分电压噪声显著提高了采样精度。