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CN102230945B - 一种高压隔离直流电压采集电路 - Google Patents

一种高压隔离直流电压采集电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高压隔离直流电压采集电路，包括：输入分压模块，其并联在被测高压的正极和负极之间，用于将所述被测高压转换为低电压信号；模数隔离转换模块，其用于将通过输入分压模块转换的低电压信号转换为数字量电压信号；和信号积分模块，其用于将通过模数隔离转换模块转换的数字量信号处理为模拟量电压信号。本发明的直流电压采集电路以低成本实现高压采集物理隔离，抗干扰能力强、可靠性高、采集电压量程范围可调节。

Description

一种高压隔离直流电压采集电路
技术领域
本发明涉及电压采集技术领域，尤其涉及一种高压隔离直流电压采集电路。
背景技术
在许多系统中都需要采集高压直流电压，但是目前的高压直流电压采集电路大部分都存在着可靠性和精度低或者成本高的问题。
例如，以混合动力汽车电机控制器和纯电动汽车电机控制器上的高压直流电压采集为例来进行说明。混合动力汽车和纯电动汽车采用的驱动电机80％以上为永磁同步电机，而电机控制器上的直流母线电压采集技术是实现永磁同步电机低速矢量控制和高速弱磁控制算法的必要条件之一。传统上的直流母线电压采集一般采用电阻分压、电容分压和电压霍尔采集等措施。电阻分压和电容分压的特点是结构简单，造价低廉，缺点是直接将高电位无隔离地引入采集系统，安全性能差且对电机驱动系统会造成传导干扰；电压霍尔采集的优点是采集响应快、精度高、高压隔离，但造价高且还需额外提供双电源供电。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可靠性好、精度高、成本低的高压隔离直流电压采集电路。
为了实现以上目的，本发明提供的高压隔离直流电压采集电路包括：输入分压模块，其并联在被测高压的正极和负极之间，用于将所述被测高压转换为低电压信号；模数隔离转换模块，其用于将通过输入分压模块转换的低电压信号转换为数字量电压信号；和信号积分模块，其用于将通过模数隔离转换模块转换的数字量信号处理为模拟量电压信号。
优选地，所述输入分压模块为由多个电阻构成的电阻分压电路。
优选地，所述模数隔离转换模块包括磁隔离运算放大器或者光偶隔离运算放大器。
优选地，所述信号积分模块为由电阻和电容构成的积分电路。
优选地，所述电路还包括：滤波限流模块，其用于对通过输入分压模块转换的低电压信号进行滤波限流；和过压保护模块，其用于防止输入到模数隔离转换模块的电压高于预定值。
优选地，所述滤波限流模块为由电阻和电容构成的π型滤波电路。
优选地，所述过压保护模块为瞬态电压抑制二极管。
优选地，所述电路还包括：输出比例调节模块，其用于对通过信号积分模块处理的模拟量电压信号作电压跟随、比例运算和滤波处理。
优选地，所述输出比例调节模块包括由运算放大器、电阻和电容构成的减法和比例运算电路。
本发明的高压直流电压采集电路以低成本实现高压采集物理隔离，抗干扰能力强、可靠性高、采集电压量程范围可调节。
附图说明
图1是本发明的高压隔离直流电压采集电路的结构示意图；
图2是本发明的高压隔离直流电压采集电路的优选结构示意图；
图3是本发明的一个实施例的高压隔离直流电压采集电路的部分电路图；
图4是图3所示高压隔离直流电压采集电路的另一部分电路图。
具体实施方式
以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。
图1是本发明的高压隔离直流电压采集电路的结构示意图。如图1所示，该高压隔离直流电压采集电路包括输入分压模块10、模数隔离转换模块20和信号积分模块30。其中，输入分压模块10并联在被测高压(POWER_VCC)的正极和负极之间，用于将被测高压转换为低电压信号。输入分压模块10可以是例如由多个电阻构成的电阻分压电路。模数隔离转换模块20用于将通过输入分压模块10转换的低电压信号转换为数字量电压信号。模数隔离转换模块20可包括例如磁隔离运算放大器或者光偶隔离运算放大器。信号积分模块30用于将通过模数隔离转换模块20转换的数字量电压信号处理为模拟量电压信号。信号积分模块30可以是例如由电阻和电容构成的积分电路。通过这种电路结构，即可实现高压采集物理隔离，而且，这些模块均可采用通用的元器件(电阻和电容)来实现，因此，造价低廉。
此外，为了实现高压采集电路的高可靠性，如图2所示，本发明的高压隔离直流电压采集电路还可包括连接在输入分压模块10和模数隔离转换模块20之间的滤波限流模块40和过压保护模块50，其中，滤波限流模块40用于对通过输入分压模块10转换的低电压信号进行滤波限流，可以是例如由电阻和电容构成的π型滤波电路；过压保护模块50用于防止输入到模数隔离转换模块20的电压高于预定值，可以是例如瞬态电压抑制(TVS)二极管。
此外，为了实现输出电压范围可调节的功能，如图2所示，本发明的高压隔离直流电压采集电路还可包括与信号积分模块30连接的输出比例调节模块60，用于对通过信号积分模块30处理的模拟量电压信号作电压跟随、比例运算和滤波处理。输出比例调节模块60可包括由运算放大器、电阻和电容构成的减法和比例运算电路。
图3是本发明的一个实施例的高压隔离直流电压采集电路的部分电路图，图4是图3所示高压隔离直流电压采集电路的另一部分电路图。
如图3所示，输入分压模块10为由精密电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8构成的电阻分压电路，用于将被测高压POWER VCC转换为低电压信号。
滤波限流模块40为由R9、R10、R11、C1、C2构成的π型滤波电路，用于对通过输入分压模块10转换的低电压信号进行滤波和限流。
过压保护模块50为一TVS二极管D1，用于防止输入到模数隔离转换模块20的电压高于预定值，例如5V。
模数隔离转换模块20包括U1(即AD7400，芯片DATASHEET详情可见www.analog.com)、C3、C4，其中，U1为AD7400，具有磁隔离方式的模数隔离转换功能，具体来讲，其用于将高压侧的电压信号通过其芯片内部的磁隔离方式转换为一个16位的数字量电压信号输出，从而达到高压隔离检测的目的。
如图4所示，信号积分模块30为由R12、C5构成的积分电路，用于将通过模数隔离转换模块20转换的数字量电压信号处理为一线性的模拟量电压信号。这里指出，R12的右侧端子连接图3中的U1的11引脚(MDAT)。
输出比例调节模块60包括R13、R14、R15、R16、R17、R18、C6、C7、C8、U2(即AD8552，芯片DATASHEET详情可见www.analog.com)，其中，R13、R16、R17、R18、U2组成比例运算电路，将输出信号调节到需要范围；R14、R15、U2组成电压跟随电路，确定输出信号的电压基准；C6和C7用作信号滤波，C8用作芯片供电电源去耦。
输出比例调节模块60的输出调节范围为0至
Figure BSA00000477442900041
其中，V2为信号积分模块30的输出。一旦数模隔离转换模块20和信号积分模块30确定，V2值就可确定。
图3和图4所示电路的工作原理如下：被测高压POWER VCC通过输入分压模块10转换为一低电压信号，该电压信号经过滤波限流模块40和过压保护模块50输入到U1的VIN+和VIN-引脚，通过该芯片的模数隔离转换功能由MDAT引脚输出一16位的数字量信号，该数字量信号由信号积分模块30处理为一线性的模拟量信号，然后由输出比例调节模块60对该信号作电压跟随、比例运算和滤波处理，最后得到VDO输出。这样该电路就完成了高压输入(POWER VCC)与低压输出(VDO)的线性隔离。
在该电路中，可通过改变R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8的阻值，在不对电路的整体结构作任何改变的情况下，使其适用于不同的高压测量等级，即，可调节采集电压量程范围。
具体来讲，输入分压模块10的电压量程范围为0至
Figure BSA00000477442900051
其中，V1为数模隔离转换模块20的输入满量程值。一旦数模隔离转换模块20确定，V1值就确定。
从图3和图4所示电路可看出，本发明的高压隔离直流电压采集电路中的所有模块均可采用通用的元器件来实现，从而可以以低成本实现高压输入与低压输出的线性隔离，抗干扰能力强、可靠性高，而且还具有自保护功能和输出信号比例调节等优点。
这里指出，如上所述，滤波限流模块40、过压保护模块50和输出比例调节模块60是可选的模块，在没有这些模块的情况下，本发明的直流电压采集电路即可实现高压采集物理隔离功能。
以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明的高压隔离直流电压采集电路并不限于以上所公开的具体实施例，任何基于本说明书所公开的技术方案的变型都应包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高压隔离直流电压采集电路，包括：
输入分压模块，其并联在被测高压的正极和负极之间，用于将所述被测高压转换为低电压信号；
模数隔离转换模块，其用于将通过输入分压模块转换的低电压信号转换为数字量电压信号；
信号积分模块，其用于将通过模数隔离转换模块转换的数字量电压信号处理为模拟量电压信号；和
输出比例调节模块，其用于对通过信号积分模块处理的模拟量电压信号作电压跟随、比例运算和滤波处理；
所述输出比例调节模块包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C6、电容C7、电容C8、运算放大器U2，其中，电阻R13、电阻R16、电阻R17、电阻R18、运算放大器U2组成比例运算电路，将输出信号调节到需要范围，所述电阻R13连接运算放大器U2的引脚3，所述电阻R16的两端分别连接运算放大器U2的引脚3和地，所述电阻R17的两端分别连接运算放大器U2的引脚1和引脚2，所述电阻R18的两端分别连接运算放大器U2的引脚7和引脚2，所述运算放大器U2采用AD8552；电阻R14、电阻R15、所述运算放大器U2组成电压跟随电路，确定输出信号的电压基准，所述电阻R14和电阻R15串联，且其串联节点连接运算放大器U2的引脚5，所述电阻R14的非串联节点一端连接5V电压，所述电阻R15的非串联节点一端接地；电容C6和电容C7用作信号滤波，电容C8用作芯片供电电源去耦；
所述输出比例调节模块的输出信号调节范围为0至
Figure FSB0000121662950000011
其中，V2为信号积分模块的输出电压，5为所述电阻R14的非串联节点一端连接的5V电压。
2.根据权利要求1所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述输入分压模块为由多个电阻构成的电阻分压电路。
3.根据权利要求1所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述模数隔离转换模块包括磁隔离运算放大器或者光偶隔离运算放大器。
4.根据权利要求1所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述信号积分模块为由电阻和电容构成的积分电路。
5.根据权利要求1所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述电路还包括：
滤波限流模块，其用于对通过输入分压模块转换的低电压信号进行滤波限流；和
过压保护模块，其用于防止输入到模数隔离转换模块的电压高于预定值。
6.根据权利要求5所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述滤波限流模块为由电阻和电容构成的π型滤波电路。
7.根据权利要求5所述的高压隔离直流电压采集电路，其特征在于，所述过压保护模块为瞬态电压抑制二极管。
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