一种高压直流母线电压的采样电路(二)

目前，在电力系统自动化领域、新能源电动汽车领域以及高压储能领域，经常需要采样、检测高压直流母线电压，一般直流高压可能达到100Vdc～1000Vdc，结合电路成本和采样精度，我们设计人员就需要选择合适的采样电路方案。昨天，我讲解了一种采用电阻分压法来检测高压直流母线电压的方法，这种方法具有电路结构简单、成本低的优势，但在实际应用中却也存在一定的缺陷(详见上一篇文章)。今天，我再讲解另外一种高压直流母线电压的采样电路，它可以做到强电和弱电完全隔离、绝缘，降低高压部分对低压部分的电磁干扰，能够极大提高高压直流母线电压采样精度，详细电路原理如图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

信号隔离的方法一般分为磁耦隔离和光耦隔离，光耦隔离使用光电耦合器件，把发光器件和光敏器件组装在一起，以光为媒介，实现输入和输出之间的电气隔离。光耦隔离是一种简单有效的隔离技术，切断了“地”干扰的传播途径，有效地抑制了尖峰脉冲和各种噪声干扰。HCNR200属于电流型光耦隔离器件，与普通非线性光耦不同，它具有更高的线性度，更高的精度和稳定性。

图1所示高压直流母线电压检测电路由运放U1～U3、线性光电耦合器U4、电阻R1～R10、电容C1～C7以及TVS管VD1组成，Vbus+和Vbus-分别为高压直流母线正极和负极，Vout+和Vout-分别为电压检测电路输出正、负极，Vout+/Vout-可以直接接入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行运算处理。

线性光电耦合器HCNR200(厂家：AVAGO)内部结构如图2所示，它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2和输出光电二极管D3组成，其工作原理为：当驱动电流IF通过发光二极管D1时，D1发出红外光(伺服光通量)，该光分别照射在D2、D3上，反馈光电二极管D2吸收D1的一部分光通量，从而产生控制电流IPD1，该电流用来调节IF以补偿D1的非线性和漂移特性。同时，输出光电二极管D3产生的输出电流IPD2与D1发出的伺服光通量成线性比例。由芯片规格书可知，输入光敏二极管电流传输比K1 = IPD1 / IF = 0.5%(典型值)，传输增益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R1～R7、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R1～R6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”和“虚断”的概念，有关系式：VU1- = VU1+ = 0，IU1-=0，因此流经电阻R1～R6的电流会直接流向线性光电耦合器U4中的反馈光电二极管D2，即IPD1=[(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6);IPD1反过来调节运放U1输出及驱动电流IF，使VU1-维持在参考电压0V，运放U1及其周边器件实质上构成了一个电流并联负反馈电路。

电阻R8～R10、运放U2～U3、线性光电耦合器U4中的D3以及电容C3～C7共同构成输出电流电压转换电路，因为输出光电二极管D3受到发光二极管D1的光照，输出电流IPD2也跟着稳定线性变化，运放U2和电阻R8组成电流电压转换器，将D3电流IPD2转换成电压VU2OUT,且VU2OUT = R8 * IPD2;电容C3与电阻R8并联构成低通滤波器，以滤除线性光电耦合器U4产生的高频噪声;运放U3构成射极跟随器，用来提高检测电路的输出带载能力，隔离前级输出电路和后级处理电路，最终达到提升电压采样精度的目的;电阻R9、电容C5以及电阻R10、电容C7为传输线路上的滤波电路，用于滤除高频噪声和干扰;VD1是TVS管，用于后端芯片的过电压保护。

因此，图1所示电路输出电压和输入电压之间的转换关系为：[(Vout+) - (Vout-)]=VU2OUT = R8 * IPD2=R8 * IPD1 = R8 * [(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6);把这个数学表达关系通过反推并转换为程序语言，便可计算出输入端的直流高压。

输入电压电流转换电路与输出电流电压转换电路，即线性光电耦合器U4两边供电电源电气隔离，分开不共地，以达到强电和弱电完全隔离绝缘，减小高压部分对低压部分的电磁干扰，另外，为了提高信号分辨率和抗干扰能力，两边供电均采取12Vdc电源。

图1直流母线电压检测电路所有电子元器件的参数如表1所示，为了提高电压采样精度，部分关键电子元器件的参数计算如下(*非常重要*)：

(1)确定最大驱动电流IF值：HCNR200规格书中给出的输入光敏二极管电流传输比K1= IPD1/IF = 0.5%(典型值)，传输增益K3 = IPD2 / IPD1 = 1(典型值)，而测试IPD2、IPD1的电流范围是5nA～50uA，如图3所示;显然在这个区间内，IPD2和IPD1是高度一致的，该区间段对应的IF = 1uA～10mA，所以取最大的IF为10mA;

图3 线性光电耦合器HCNR200规格书中主要参数(a)

(2)电阻R1～R6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R1～R6总电阻R1-6的计算公式为：R1-6≥750Vdc/50uA=15MΩ，因此R1～R6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VF=1.6Vdc(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)/10mA=1.04KΩ，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U1～U3：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0～500Vdc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

在设计电路时还需要注意以下几点：其一，虽然我将线性光电耦合器HCNR200的特性讲解的比较清楚了，但大家在应用该电路时还是需要详细阅读一下芯片HCNR200的规格书;其二，大家要根据具体直流总压检测范围来选择电阻R1～R6的值，也不限定只使用6只电阻，可以多也可以少(但要满足爬电距离要求)，如果选择阻值过大会影响电压低端检测精度，如果选择阻值过小会导致电阻发热，甚至使IPD1值越限;其三，运放的选择要特别注意，注意运放的失调电压、偏置电流不能过大，另外很多高精度运放是需要双电源供电(即正、负电源)，如果运放规格书没有指出可支持单电源供电，千万不要将双电源运放采取单电源供电，不然的话，轻则影响精度，重则运放不能正常工作。

最后我想告诉大家：其实图1所示高压直流检测电路就是目前市场上可以买到的“直流电压变换器”或者叫“直流电压传感器”的内部电路原理图，单价在200元左右，如果大家掌握了该电路即可巧妙的应用在各种控制器中。本文通过使用线性光电耦合器HCNR200可以实现高压直流母线电压的精确检测，以及系统高压部分和低压部分的电气隔离，有效降低了高压强电对低压弱电的电磁干扰，同时，因为HCNR200中间传输的是电流信号而非电压信号，消除了大部分电压噪声的影响，极大地提高了电压采样精度。