高压隔离采集电路的设计

王新艳，徐 征，王旭龙，江 绛，李小鹏

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

随着能源问题和环境问题的日趋严重，开发和利用新型清洁能源已成为一个重要课题。新能源电动汽车产业的发展也成为汽车行业的新导向。燃料电池汽车、电动汽车、插电式混合动力汽车等已经不断被推向市场。由于生产厂商、设计用途不同，电动汽车的工作电压等级也各有不同。工作电压作为基本参数，测试成为理所当然的事情。当工作电压达到上百伏时，强电对弱信号的影响也要考虑在内，其检测已不能只用简单的电阻分压来实现，这就需要应用传感器处理，将强电成比例地转化为弱电信号。本文对霍尔电压传感器在电动车母线高压条件下的使用方法及参数设计和选型问题进行研究。

1 核心器件的选型

1.1 电压传感器的选型

在设计之初，先选定核心器件——电压传感器，并以此为基础进行相应电路的设计。电压传感器最重要的是误差问题，其结构和参数的确定必须从减小误差的角度考虑[1]。为防止母线高压对弱信号电路的影响，采用电压隔离的方式采集母线电压，所以选择霍尔电压传感器。它是一种利用霍尔效应，将原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在mA级，此电流经过多匝绕组后，再经聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势。该电动势经过电路调整后，反馈给补偿线圈进行补偿。该补偿线圈产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电流传感器。本文采用霍尔电压传感器TBV5/25A，相关参数[2]如表1所示。设计电路时，以此参数为依据。根据所要测试的母线电压设计合理的输入电阻网络，若选择不当，会烧坏电压传感器。

表1 TBV5/25A参数

1.2 运算放大器的选择原则

TBV5/25A霍尔电压传感器的输出为电流型，通过对地电阻转换为相应的电压。后级电路也将作为传感器的负载而影响其精度，所以利用运算放大器构成一级电压跟随器，其输入阻抗高、输出阻抗低，可以很好地起到阻抗匹配的作用。

LM2904N，工作温度与TBV5/25A一致。该运算放大器是2个独立、高增益、具有内部频率补偿的双路运算放大器，是专门为汽车和工业控制系统设计的运算放大器，响应时间在μs级，可以使用双电源供电，电源电流极低，可与传感器使用同路电源。两路放大器可以一路用于电压跟随，一路用作信号放大，没有多余的引脚需要做特殊处理，不会因为某些引脚的悬空而干扰电路。

2 主要参数的设计

2.1 输入电阻

电压传感器的输入信号为电压信号，需要用电阻转换成电流信号。TBV5/25A的测试电流范围为7 mA，则有：

电压传感器若仅适用内部电阻，最高测量电压为4.55 V。若母线电压为500 V，需要外部串联电阻才能增大测量范围。本设计串联100 kΩ的电阻，可测量的最大电压为：

在使用功率电阻时，因发热问题而影响电路的稳定性。因此，尽量留有余量，可选用200 kΩ/3 W（1±1%）的功率电阻，2个并联，得到100 kΩ的电阻。需要注意的是，电阻的选择也必须从减小误差出发。电阻不稳定是造成分压器误差的一个重要原因，它的大小决定于所选电阻的温度系数[3]，当工作时间较长时，必须考虑温度问题。

2.2 测量电阻

电压传感器的输出是电流信号，需要用电阻转换成电压信号。在传感器的技术手册上，给出的测量电阻最小为100 Ω，最大为350 Ω。本设计中将5个510 Ω/0.5 W（1±1%）的电阻并联，得到大约100 Ω的测量电阻。若最大测量电压≤500V，则输出电流最大为25mA。

3 电路的实现及工作过程

3.1 电源电路

汽车中常用的电瓶电压为12 V，电压传感器与运算放大器供电电源需要+15 V和-15 V，且不需要提供大功率。在本设计中，采用DC-DC升压[4]，由变压器次级的两组绕组获得+15 V和-15 V，电压传感器所需电流较小，此电源可保证电路正常工作，电源电路如图1所示。

3.2 高压采集电路

图2所示为高压采集信号处理电路。测量电压经VIN+、VIN-输入，经电压传感器TBV5/25输出相应的电流，经测量电阻R12～R16，将电流转换为对应的电压，再经电压跟随器进行放大。调节R6，即可获得所需的比例系数。在测量直流时，传感器输入与最终输出电压的比例关系为：

（1）隔离放大电路 为防止后级放大电路对测量电阻的影响，本设计加入了一级电压跟随电路。该电压跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，所以不会对电压传感器的输出电流分流，保证了测量电路的精度，同时，使前、后级电路之间互不影响。

电压跟随器后的放大电路对经I/V转换后的电压进行放大，得到适合微处理器处理的电压信号。

图1 电源电路

图2 高压采集电路

（2）运放的调零与补偿 目前的芯片制作技术，为使集成度高、节约成本，对于双运放和四运放，内部调零已经取消。虽然运放内部的三极管电路采用差分输入、密勒电容等做了一定的补偿措施[5]，可以暂时看成是一个单极点系统。但是，对于精度要求比较高的系统还是远远不够的。三极管的偏置电流导致了运算放大器的失调电流及失调电压的存在，即使没有输入信号，因为漂移也会有一定的输出量。当采集到的电压信号为交流信号时，就会对测量的精度造成很大的影响。所以本设计电路也加入了调零电路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2组成调零电路。

对于引入负反馈的运算放大器，输入端一般存在几皮法的寄生电容，包括运放的输入电容以及布线分布电容，它会与反馈电阻构成一个滞后网络，引起输出电压相位滞后，使得当输入信号的频率很高时，引起运放的高频响应变差。上限频率约为：Wh=1/（2πRC）。其中：R为反馈电阻；C为运放输入电容。从式中可知，若R的取值太大，上限频率就会严重下降，R与C同时引入，相位滞后可能会引起寄生振荡。若反馈电阻取值小，虽然上限频率会上升，但是放大倍数会下降。为了维持较高的放大倍数，可以在反馈电阻上并联补偿电容，2个RC网络构成了相位补偿，使相位超前量与滞后量得到相互补偿。本设计中，C1即实现此功能。运算放大器存在输出电容，输出电容与运算放大器的输出电阻即组成RC电路，产生附加相移。此附加相移累加满足振荡条件就会产生寄生振荡，使电路不稳定。解决方法：在运算放大器的输出端串联一个几百欧姆的电阻，与负载电容相隔离。本设计中，R10即实现此功能。

4 实际电路及零漂测试

使用Altium Designer软件，绘制电路图并制作PCB板。对传感器这样的敏感器件，在线路布局时，要注意强电与弱电的分离以及抗干扰处理，布局合理且传感器信号处理部分要进行敷铜。本设计使用的实际电路如图3所示。在进行电路调试时，首先调试调零电路，保证在无输入时，输出为0 V，不会因漂移而引起输出信号的失真，然后再对整个电路进行级联调试。

图3 实物图

电路中加入调零电路，因此需要进行零漂测试，意在说明调零电路的重要性。在本设计电路中，若不加入调零电路，用示波器探测输出波形，如图4所示。由图4可以看到，当输入电压为0 V时，因电路中各分布参数等的影响，输出电压为19.375 mV。在精度要求不高的场合，可以不加调零电路。本设计中加入调零电路，精度几乎可以达到100%。

图4 零漂测试

5 结束语

目前，高压采集电路已经应用于电动汽车试验平台、UPS实验平台等需要测试中压、高压的场合。为增加设计的实用性，设计时已综合考虑了其应用范围和使用环境的要求，可以直接用于测量交流中压、高压的场合。

[1]迟永久，牛海清.电阻分压器及电压传感器的结构设计和实验分析[J].变压器，2002，39（5）：2.

[2]南京中霍传感科技有限公司.TBV5/25A数据手册[EB/OL].[2013-04-25].http：//esales.iianews.com/product/2007-03/27441.23/param.dhtml.

[3]牛海清，林莘.电压传感器结构设计及误差特性研究[J].华北电力大学学报，2002，29（4）：3-4.

[4]陈丽，邹庆化.一种低压DC-DC升压电路的实现[J].机电产品开发与创新，2010，23（3）：2-2.

[5]黄云川.低压微功耗轨至轨输出CMOS运放研究设计[D].成都：电子科技大学，2007.

[6]张伟，李根富.电压传感器在日立大容量变频器中的应用及故障案例[J].变频器的故障处理，2009，30（6）：1-2.