交流電源電壓隔離采樣方式的實現

摘要針對通信電源健康管理的需求文章介紹了常用的單相交流電壓采樣方式。為滿足實際工程應用需求文章選用國產化器件實現硬件電路設計。通過參數計算文章設計了以芯片為核心器件的隔離交流采樣電路。此電路通過簡單、可靠的電路采集電壓信息并通過隔離方式將采集信息發送給上位機。最終采用模塊化設計通過實驗驗證了所設計模塊的有效性。

關鍵詞健康管理;國產化;模塊化;交流電壓;隔離采樣

中圖法分類號：TM76文獻標識碼：A

Realization of voltage isolation sampling mode of AC power supply

Ll Peng

（Hebei Far East Communication System Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：Aiming at the requirement of communication power supply health management，thecommon single-phase AC voltage sampling method is introduced.In order to meet the requirementsof practical engineering applications，the hardware circuit is designed by using home-made devices. Byparameter calculation，an isolated AC sampling circuit based on NSI1311-DSWVR chip is designed.This circuit collects voltage information through simple and reliable circuit，and sends the collectedinformation to the upper computer through isolation mode.Finally，the modular design is adopted toverify the effectiveness of the designed module through experiments.

Key words：health management，localization，modular，AC voltage，isolated sampling

1? 引言

隨著科技進步，新型通信設備對設備自身的健康管理要求越來越高。設備健康管理是基于人機結合的具有前瞻性的管理方式，其核心是關注設備本身的關鍵性“健康”指標，通過健康狀態管理和故障預測等手段，確保設備運行狀態良好，在事故發生之前提前做出判斷，避免重大事故的發生。

電源在通信設備中具有十分重要的作用，可以說是其心臟。可靠、穩定的供電電源是保證設備安全、平穩運行的前提[1]。因此，通信設備對電源的可靠性要求越來越高。提高其可靠運行的方式很多種，目前常見的有通過檢測設備狀態對設備定期檢查、定期維護保養。現階段，可以通過將設備輸入電壓狀態納入設備健康管理，通過實時檢測設備的交流輸入電壓，保證設備在正常輸入電壓范圍內穩定工作，同時在輸入電壓異常，尤其是輸入電壓長期過高、或過低時，發出警告或關閉供電系統，以保證系統安全。因此，如何準確、經濟、可靠的采集交流電壓信息成為關鍵。同時，為了適應激烈的市場競爭，也為了滿足關鍵技術的自主可控要求，在保證產品質量的同時，本文通過采用全國產器件，實現了穩定、可靠、經濟、簡單的交流電壓采樣電路，為通信設備尤其是通信電源的穩定運行提供了保障。

2? 交流電壓采樣方法

為了準確采集交流電壓，本文選取市面上能買到的便攜式電網電壓監測儀器，此類儀器技術成熟、攜帶方便、外觀簡潔、易于維護，但是由于體積較大，不適合放置于通信設備內部實現電壓采集功能。除成熟產品外，國內外學者對交流電壓采樣電路進行了研究，目前常見的方式有過零信號檢測、同步直流采樣。在上述方案中，電路相對簡單，易于實現，但是其沒有解決采樣信號與交流信號零線或整流橋輸出負端共地問題，采樣電路安全性有待提高。為了解決共地問題，工程應用中采用隔離變壓器的方式，將交流電壓通過固定變比隔離變壓器進行降壓，然后通過二極管整流、電容濾波得到低壓直流電壓信號進行采集，但是工頻變壓器體積較大，重量大等缺點導致其不易實現模塊化設計。本文基于隔離運算放大器 NSI1311?DSWVR 設計了無工頻變壓器的隔離采樣電路，并實現了模塊化設計，硬件電路簡單可靠、易于安裝、應用方便。

3? 原理框圖

本設計的基本原理是：首先，將交變電壓通過橋式整流變換為穩定的高壓直流電壓，然后通過輔助電源得到兩個隔離的5V 電壓，為隔離的采樣電路供電;采樣電路通過分壓方式將高壓信號轉換為低壓信號，并利用隔離運算放大器將采集到的電壓信號轉換為與高壓直流側不共地的電壓信號。其基本原理框圖如圖1 所示。

4? 整流濾波電路

本部分使用樂山無線電股份有限公司的型號為 ABS10的整流橋，其耐壓值為1000V ，正向均值電流值為1A;由于負載功率較小，結合成本及通用性等因素，濾波電容選用450V/22uF 電解電容[2]。其電路圖如圖2 所示。

經過整流濾波后，輸出電壓 VO1與交流輸入電壓有效值 Vin 的關系為：

其中，由于上述關系，并且受電容耐壓值影響，本設計最大輸入電壓有效值不超過300V。

5? 輔助電源

輔助電源采用非隔離的 KP3212芯片實現高壓到+5V1的轉換。其電路圖如圖3 所示。

KP3212是一款高性能低成本 PWM 控制功率開關，芯片本身集成了高壓650V 高壓 MOSFET，可滿足85Vac ～315Vac 輸入的使用條件，其外圍電路簡單、器件個數少，待機功耗低。同時，該芯片集成了完備的自恢復保護功能，即 VDD 欠壓保護、逐周期電流限制、輸出過壓保護、過熱保護、過載保護等，能夠為電路的安全、可靠運行保駕護航[3～ 5]。

本設計中，根據推薦電路，選取反饋電阻值 R15= 1.2kΩ，R17=2.2 kΩ即可實現+5V1的穩定輸出。然后，通過隔離開關電源 B0505ST16?W5實現+5V1與+5V2之間的電氣隔離。具體電路見圖4。

B0505ST16?W5具有高達5kVAC 的隔離耐壓，因此完全滿足一般設備的1500VAC 隔離耐壓要求，且內置軟啟動、過溫保護、輸出過載保護以及短路保護等功能。其外圍電路極其簡單，本設計由于只實現電源隔離功能，因此其外圍電路只需兩個10uF 電容和一個0Ω電阻。

6? 采樣電路

為了實現隔離采樣，使用納新微公司的 NSI1311? DSWVR 的隔離運放采樣[6] ，其內部框圖如圖5 所示。

NSI1311?DSWVR 采用刷路隔離供電，實現輸入-輸出兩側的電氣隔離。其不僅能采樣電壓，高達5000Vrms 的絕緣電壓還使其具有優秀的隔離作用。同時，NSI1311?DSWVR 的低偏移誤差±1.5mV 和漂移-5～ 30μV/° C ，保證了在整個溫度范圍內的精度。150kV/μs 的高共模瞬變抗擾度也能夠確保提供準確可靠的測量。其放大比例固定為1 ∶1。

本設計利用 NSI1311?DSWVR 完成電壓采樣，其電路圖如圖6 所示。

由于 NSI1311?DSWVR 輸入要求為0.1V ～2V ，因此需要將高壓直流電壓通過高精度電阻分壓，本設計中選擇 R3=R4=R5=300kΩ，R9=4.3kΩ，因此運算放大器輸入電壓值 VO2為：

同時，選用圣邦微的運算放大器 SGM8276?1AXN5G 將前級得到的差分信號轉換為單端信號，傳送給上位機進行 ADC 采樣。

本設計選擇 R6=R8=R10=R12= 10kΩ，通過計算可得供 ADC 采樣的電壓 VADC 為：

在實際應用中，當上位機通過采樣后，將所得采樣值通過相應換算即可得到實際電壓值，通過計算以及實際測量修正，采用公式（4），得到所測的電壓值 Vin0：

7? 實驗驗證

為了便于使用及易于安裝，最終電路封裝為模塊形式，模塊尺寸為36×27×12.7mm ，其結構示意圖如圖7 所示。該模塊六面屏蔽，在滿足安全性的同時，不會對其他電路造成電磁輻射，也不易于受到其他設備電磁輻射影響[7]。

考慮實際工程應用以及設備安全性，本設計采樣交流電壓有效值范圍為85V ～300V ，利用程控交流源，上位機等完成實驗驗證，每隔5V 取一點進行測試，測試誤差絕對值如圖8 所示。

由上述結果可知，測試值與實際值接近，誤差較小，可滿足實際通信設備對電源電壓監控的要求。

8? 結束語

本文在不使用工頻變壓器的基礎上，實現了交流電源電壓的采樣;利用隔離輔助電源以及隔離運算放大器，實現了采樣電路的隔離;模塊化設計不僅加強了電路本身的安全性，還易于安裝、操作方便;采用國產器件降低了制造成本，增強了模塊的自主可控等級。這有利于模塊的推廣及應用。

參考文獻：

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[5] 柳艷，彭凱.電壓監測儀在電網中的應用及其周期檢測[J].科技信息，2008（35）：414+785

[6] 蔡國浩.關于采用過零信號檢測電網電壓的一種方法[J].科技經濟市場，2017（7）：31?33.

[7] 石右仁，朱長青，葉秀羲，等.交流穩壓電源控制中數據采樣技術及算法改進[J].移動電源與車輛，2008（2）：20?23.

作者簡介：

李朋（1989—） ，碩士，工程師，研究方向：時間頻率源、開關電源。