一種新型電流隔離檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

1 前 言

電流隔離是指在主源體和接受體之間沒有電藕合(即不用導(dǎo)線連接)的情況下從主源體向接受體傳遞信號(hào)。為了在電流隔離電路之間傳遞電信號(hào)往往利用磁場(chǎng)能量變壓器隔離或光能(光導(dǎo)發(fā)光元件隔離)。

近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和集成控制電路的大量使用，快速、準(zhǔn)確和安全地檢測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)電參數(shù)顯得尤為重要。主電路電流的檢測(cè)和保護(hù)電路是影響系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。一般主電路電參數(shù)的檢測(cè)電路需滿足如下兩方面的要求，①高精度和高線性度;②具有電氣隔離功能

目前，市場(chǎng)上有許多電流隔離傳感器供用戶使用，如隔離放大器TPS5904、電流霍爾傳感器等?；魻杺鞲衅饔行阅芨摺⒖煽啃院?、測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍比較廣，但是價(jià)格相對(duì)較貴。IR公司推出的IR2175線性電流傳感器，可以精確地檢測(cè)電流信號(hào)，隔離效果好，價(jià)格又便宜。本文采用Ir2175來實(shí)現(xiàn)主電路中電流檢測(cè)和過流保護(hù)功能的設(shè)計(jì)。

2 IR2175簡(jiǎn)介

IR2175 ：?jiǎn)纹娏鱾鞲蠭C，最大耐壓600V，通過外接并聯(lián)電阻來感應(yīng)馬達(dá)的相位電流，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在把信號(hào)傳輸?shù)降瓦?，輸出格式是分立的PWM，3.3V-15V，不需要A/D輸入接口，輸入電壓+/-260mV，130kHz的增益溫度漂移20ppm/度C，IGBT短路時(shí)有輸入過壓保護(hù)，共模噪音免疫性能高，漏極開路輸出，過流關(guān)斷時(shí)間2us，8引腳PDIP或SOIC封裝，可用在伺服馬達(dá)，如高速打印機(jī)，包裝機(jī)械和工具，機(jī)器人等自動(dòng)化。

線性電流傳感器IR2175包括電流檢測(cè)和保護(hù)電路，可通過串聯(lián)在主電路中的檢流電阻對(duì)回路電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，不需要A/D轉(zhuǎn)換芯片就能自動(dòng)將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字PWM信號(hào)輸出，其頻率典型值為130kHz，可以直接與處理器相連。同傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器相比，IR2175具有溫漂低、數(shù)字PWM輸出、接口電路簡(jiǎn)單、無需線性隔離光耦及A/D轉(zhuǎn)換器、8腳PDIP或SOIC封裝等優(yōu)點(diǎn)。

Ir2175的外形見圖1，其引腳定義如下，其中，高壓端與主電路相連，低壓端與控制電路相連。

IR2175的推薦工作參數(shù)如表1所列：

IR2175的輸入信號(hào)是回路中檢流電阻上的壓降信號(hào)。IR2175的輸出信號(hào)是頻率為130kHz、占空比隨電流大小變化的PWM信號(hào)。輸出占空比范圍為9%～91%;當(dāng)檢流電阻上的壓降為0時(shí)，輸出信號(hào)的占空比為50%;當(dāng)輸入電壓的變化范圍為-260mV～+260mV時(shí)，對(duì)應(yīng)于輸出電壓的變化范圍為9%～91%。當(dāng)檢流電阻上的壓降大于260mV時(shí)，輸出信號(hào)的占空比保持最大值91%;輸入小于-260mV時(shí)，輸出占空比保持最小值9%。因此，當(dāng)檢流電阻上的壓降超過-260mV～+260mV時(shí)，輸出信號(hào)就不能反映電流的變化了。

IR2175的主要特點(diǎn)如下：

(1)具有寬度為2μs的過電流關(guān)斷信號(hào)輸出，可以直接與微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行連接;

(2)IR2175采用PWM數(shù)字信號(hào)輸出，并且可以采用自舉電源取代專用輔助電源，從而可以有效減小器件尺寸，減少元件數(shù)目;

(3)隔離耐壓較高，可以直接與600V電壓的主電路連接。

(4)頻帶較寬，當(dāng)輸入在100mV之內(nèi)時(shí)，帶寬典型值為15kHz。

3 應(yīng)用電路原理及設(shè)計(jì)

3.1 工程背景

基于TR2175的電流傳感器，可應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)、三相逆變器、PWM整流器等場(chǎng)合，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。圖中，由一個(gè)二極管Dbs1和一個(gè)電容器Cbs組成自舉電源。圖中從COM腳到VS腳連接有一個(gè)二極管Dbs2，因此VS腳最多可以較COM腳低一個(gè)二極管的壓降。

IR2175的模擬輸入信號(hào)為采樣電阻R2兩端的壓降ui，可以對(duì)回路中電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并根據(jù)采樣值判斷是否過流。當(dāng)采樣電壓VIN+超過-260mV～+260mV范圍時(shí)，OC端輸出一個(gè)典型寬度為2μs、低電平有效的過流信號(hào)。IR2175的PO端輸出的是一個(gè)占空比隨電壓變化的PWM波形。

當(dāng)過流時(shí)，OC端輸出一個(gè)低電平脈沖?？衫面i存電路將2μs的低電平信號(hào)持續(xù)保持在低電平，原理圖如圖3所示。

由于OC端是開漏輸出，需要接上拉電阻R1。當(dāng)采樣電壓在-260mV～+260mV范圍內(nèi)時(shí)，鎖存電路輸出喲高電平(15V);當(dāng)采樣電壓超過-260mV～+260mV范圍時(shí)，OC端輸出2μs的低電平。當(dāng)OC端的2μs低電平過后，輸出端V持低電平。圖中S為復(fù)位按鈕，選擇R3≤R4/2，可通過S使輸出V乏位為高電平，取R3=4.7kΩ。

3.3濾波及運(yùn)算電路的原理

IR2175的PO端輸出一個(gè)占空比可調(diào)的單極性的PWM波形，對(duì)于輸出信號(hào)的處理本文采用由濾波器濾掉載波信號(hào)從而重構(gòu)模擬電流信號(hào)的方法，原理如圖4所示。這樣就避免了因兩個(gè)輸入波形幅值不同而影響檢測(cè)結(jié)果。

檢測(cè)到的輸入信號(hào)ui是交流信號(hào)，但PO端輸出為單極性的PWM波。為了得到與ui成比例的雙極性的檢測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)兩路RC濾波電路分別對(duì)反相位的A和B兩路輸出PWM信號(hào)進(jìn)行RC濾波;再由差分運(yùn)算放大器求取二者的差值。

濾波參數(shù)的選擇要在檢測(cè)系統(tǒng)的精度和頻帶之間折衷。為了使輸出Vo紋波較小，設(shè)計(jì)了二階濾波器。若取較小的時(shí)間常數(shù)R6C1、R9C2、R8C3和R11C4，會(huì)使濾波電路輸出波形脈動(dòng)較大;若取較大的時(shí)間常數(shù)，則會(huì)限制檢測(cè)信號(hào)頻帶。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到輸入交流信號(hào)時(shí)，PO端口輸出占空比可調(diào)的PWM波形(如圖5，6，7)。圖中1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)為輸出單極性的PWM波。從輸出波形的局部放大圖中可以看出輸入為0時(shí)，輸出占空比為50%(圖5);輸入最大260mV時(shí)，輸出占空比為91%(圖6);輸入最小-260mV時(shí)，輸出占空比為9%(圖7)。

當(dāng)檢流電阻上的壓降超過-260mV～+260mV時(shí)，IR2175的OC端輸出一個(gè)典型值為2μs的低電平有效的過流信號(hào)(圖8)。圖1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)為鎖存電路的輸出，3號(hào)為OC端輸出的2μs的過流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明電路發(fā)生故障過流時(shí)，鎖存電路能夠迅速的將低電平信號(hào)鎖住。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示電路在低頻狀況下具有很好的線性度，且有較小的延遲角，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路的帶寬可以達(dá)到約6kHz。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的主電路電流隔離檢測(cè)電路，具有電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)的檢測(cè)結(jié)果具有良好的線性度和較大的帶寬，且可以實(shí)現(xiàn)快速過流檢測(cè)。