高壓隔離采集電路的設計

王新艷，徐 征，王旭龍，江 絳，李小鵬

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

隨著能源問題和環境問題的日趨嚴重，開發和利用新型清潔能源已成為一個重要課題。新能源電動汽車產業的發展也成為汽車行業的新導向。燃料電池汽車、電動汽車、插電式混合動力汽車等已經不斷被推向市場。由于生產廠商、設計用途不同，電動汽車的工作電壓等級也各有不同。工作電壓作為基本參數，測試成為理所當然的事情。當工作電壓達到上百伏時，強電對弱信號的影響也要考慮在內，其檢測已不能只用簡單的電阻分壓來實現，這就需要應用傳感器處理，將強電成比例地轉化為弱電信號。本文對霍爾電壓傳感器在電動車母線高壓條件下的使用方法及參數設計和選型問題進行研究。

1 核心器件的選型

1.1 電壓傳感器的選型

在設計之初，先選定核心器件——電壓傳感器，并以此為基礎進行相應電路的設計。電壓傳感器最重要的是誤差問題，其結構和參數的確定必須從減小誤差的角度考慮[1]。為防止母線高壓對弱信號電路的影響，采用電壓隔離的方式采集母線電壓，所以選擇霍爾電壓傳感器。它是一種利用霍爾效應，將原邊電壓通過外置或內置電阻，將電流限制在mA級，此電流經過多匝繞組后，再經聚磁材料將原邊電流產生的磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，并感應出相應電動勢。該電動勢經過電路調整后，反饋給補償線圈進行補償。該補償線圈產生的磁通與原邊電流（被測電壓通過限流電阻產生）產生的磁通大小相等，方向相反，從而在磁芯中保持磁通為零。實際上霍爾電壓傳感器利用的是和磁平衡閉環霍爾電流傳感器一樣的技術，即零磁通霍爾電流傳感器。本文采用霍爾電壓傳感器TBV5/25A，相關參數[2]如表1所示。設計電路時，以此參數為依據。根據所要測試的母線電壓設計合理的輸入電阻網絡，若選擇不當，會燒壞電壓傳感器。

表1 TBV5/25A參數

1.2 運算放大器的選擇原則

TBV5/25A霍爾電壓傳感器的輸出為電流型，通過對地電阻轉換為相應的電壓。后級電路也將作為傳感器的負載而影響其精度，所以利用運算放大器構成一級電壓跟隨器，其輸入阻抗高、輸出阻抗低，可以很好地起到阻抗匹配的作用。

LM2904N，工作溫度與TBV5/25A一致。該運算放大器是2個獨立、高增益、具有內部頻率補償的雙路運算放大器，是專門為汽車和工業控制系統設計的運算放大器，響應時間在μs級，可以使用雙電源供電，電源電流極低，可與傳感器使用同路電源。兩路放大器可以一路用于電壓跟隨，一路用作信號放大，沒有多余的引腳需要做特殊處理，不會因為某些引腳的懸空而干擾電路。

2 主要參數的設計

2.1 輸入電阻

電壓傳感器的輸入信號為電壓信號，需要用電阻轉換成電流信號。TBV5/25A的測試電流范圍為7 mA，則有：

電壓傳感器若僅適用內部電阻，最高測量電壓為4.55 V。若母線電壓為500 V，需要外部串聯電阻才能增大測量范圍。本設計串聯100 kΩ的電阻，可測量的最大電壓為：

在使用功率電阻時，因發熱問題而影響電路的穩定性。因此，盡量留有余量，可選用200 kΩ/3 W（1±1%）的功率電阻，2個并聯，得到100 kΩ的電阻。需要注意的是，電阻的選擇也必須從減小誤差出發。電阻不穩定是造成分壓器誤差的一個重要原因，它的大小決定于所選電阻的溫度系數[3]，當工作時間較長時，必須考慮溫度問題。

2.2 測量電阻

電壓傳感器的輸出是電流信號，需要用電阻轉換成電壓信號。在傳感器的技術手冊上，給出的測量電阻最小為100 Ω，最大為350 Ω。本設計中將5個510 Ω/0.5 W（1±1%）的電阻并聯，得到大約100 Ω的測量電阻。若最大測量電壓≤500V，則輸出電流最大為25mA。

3 電路的實現及工作過程

3.1 電源電路

汽車中常用的電瓶電壓為12 V，電壓傳感器與運算放大器供電電源需要+15 V和-15 V，且不需要提供大功率。在本設計中，采用DC-DC升壓[4]，由變壓器次級的兩組繞組獲得+15 V和-15 V，電壓傳感器所需電流較小，此電源可保證電路正常工作，電源電路如圖1所示。

3.2 高壓采集電路

圖2所示為高壓采集信號處理電路。測量電壓經VIN+、VIN-輸入，經電壓傳感器TBV5/25輸出相應的電流，經測量電阻R12～R16，將電流轉換為對應的電壓，再經電壓跟隨器進行放大。調節R6，即可獲得所需的比例系數。在測量直流時，傳感器輸入與最終輸出電壓的比例關系為：

（1）隔離放大電路 為防止后級放大電路對測量電阻的影響，本設計加入了一級電壓跟隨電路。該電壓跟隨器的輸入阻抗高，輸出阻抗低。當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路，所以不會對電壓傳感器的輸出電流分流，保證了測量電路的精度，同時，使前、后級電路之間互不影響。

電壓跟隨器后的放大電路對經I/V轉換后的電壓進行放大，得到適合微處理器處理的電壓信號。

圖1 電源電路

圖2 高壓采集電路

（2）運放的調零與補償 目前的芯片制作技術，為使集成度高、節約成本，對于雙運放和四運放，內部調零已經取消。雖然運放內部的三極管電路采用差分輸入、密勒電容等做了一定的補償措施[5]，可以暫時看成是一個單極點系統。但是，對于精度要求比較高的系統還是遠遠不夠的。三極管的偏置電流導致了運算放大器的失調電流及失調電壓的存在，即使沒有輸入信號，因為漂移也會有一定的輸出量。當采集到的電壓信號為交流信號時，就會對測量的精度造成很大的影響。所以本設計電路也加入了調零電路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2組成調零電路。

對于引入負反饋的運算放大器，輸入端一般存在幾皮法的寄生電容，包括運放的輸入電容以及布線分布電容，它會與反饋電阻構成一個滯后網絡，引起輸出電壓相位滯后，使得當輸入信號的頻率很高時，引起運放的高頻響應變差。上限頻率約為：Wh=1/（2πRC）。其中：R為反饋電阻；C為運放輸入電容。從式中可知，若R的取值太大，上限頻率就會嚴重下降，R與C同時引入，相位滯后可能會引起寄生振蕩。若反饋電阻取值小，雖然上限頻率會上升，但是放大倍數會下降。為了維持較高的放大倍數，可以在反饋電阻上并聯補償電容，2個RC網絡構成了相位補償，使相位超前量與滯后量得到相互補償。本設計中，C1即實現此功能。運算放大器存在輸出電容，輸出電容與運算放大器的輸出電阻即組成RC電路，產生附加相移。此附加相移累加滿足振蕩條件就會產生寄生振蕩，使電路不穩定。解決方法：在運算放大器的輸出端串聯一個幾百歐姆的電阻，與負載電容相隔離。本設計中，R10即實現此功能。

4 實際電路及零漂測試

使用Altium Designer軟件，繪制電路圖并制作PCB板。對傳感器這樣的敏感器件，在線路布局時，要注意強電與弱電的分離以及抗干擾處理，布局合理且傳感器信號處理部分要進行敷銅。本設計使用的實際電路如圖3所示。在進行電路調試時，首先調試調零電路，保證在無輸入時，輸出為0 V，不會因漂移而引起輸出信號的失真，然后再對整個電路進行級聯調試。

圖3 實物圖

電路中加入調零電路，因此需要進行零漂測試，意在說明調零電路的重要性。在本設計電路中，若不加入調零電路，用示波器探測輸出波形，如圖4所示。由圖4可以看到，當輸入電壓為0 V時，因電路中各分布參數等的影響，輸出電壓為19.375 mV。在精度要求不高的場合，可以不加調零電路。本設計中加入調零電路，精度幾乎可以達到100%。

圖4 零漂測試

5 結束語

目前，高壓采集電路已經應用于電動汽車試驗平臺、UPS實驗平臺等需要測試中壓、高壓的場合。為增加設計的實用性，設計時已綜合考慮了其應用范圍和使用環境的要求，可以直接用于測量交流中壓、高壓的場合。

[1]遲永久，牛海清.電阻分壓器及電壓傳感器的結構設計和實驗分析[J].變壓器，2002，39（5）：2.

[2]南京中霍傳感科技有限公司.TBV5/25A數據手冊[EB/OL].[2013-04-25].http：//esales.iianews.com/product/2007-03/27441.23/param.dhtml.

[3]牛海清，林莘.電壓傳感器結構設計及誤差特性研究[J].華北電力大學學報，2002，29（4）：3-4.

[4]陳麗，鄒慶化.一種低壓DC-DC升壓電路的實現[J].機電產品開發與創新，2010，23（3）：2-2.

[5]黃云川.低壓微功耗軌至軌輸出CMOS運放研究設計[D].成都：電子科技大學，2007.

[6]張偉，李根富.電壓傳感器在日立大容量變頻器中的應用及故障案例[J].變頻器的故障處理，2009，30（6）：1-2.