一种不共地系统的电压门限监控电路

2018-07-03 10:54邢亚第

微处理机 2018年3期

邢亚第

（中船重工集团公司第七二六研究所,上海201108）

1 引言

电子产品中经常需要对某些电压进行监控，当所监控电压在门限电压范围之外时控制芯片产生报警信号[1-3]。比如作者遇到的情况是，由电池供电的系统中，隔离的单片机需要对对电池电压进行监控。当电池电压过低，不大于最大报警电压（VCA）时，单片机产生报警信息；当电池电压不小于最小不报警电压（VCUA）时，单片机不产生报警信息。如图1电池电压的门限监控电路所示，图中隔离转换电路即本次用于不共地系统的电压门限监控电路。隔离转换电路将图1左边被监控的电压信号（电池电压VCC）转化为可被图1右边监控侧的控制单元（以下简称MCU）识别、读取的信息形式。MCU根据转化后的信息，推断出被监控电压是否达到门限要求。

2 方案设计

由于被监控侧与监控侧通过隔离DC/DC分开，分属不同的电压基准，因此监控侧的MCU对于被监控侧电压VCC的监控需要通过隔离方式。常见的隔离方式有光隔离（光耦、光纤）、电磁隔离（变压器等）[4]。由于电池组是直流供电，因此变压器隔离的方式不适用。

光隔离的方式通常采用线性光耦加ADC采样的方案[5-6]。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的[7]。

图1 电池电压的门限监控电路

传统型的隔离转换电路如图2所示，该方案的思路是，MCU对线性光耦耦合输出的电压采样值进行转换求值，得出光耦前端的电源电压值，进而判断其值是否超出电压门限。该方案的优点是可以准确得知被监控的电压值；缺点是所需的元器件较多，成本较高，系统资源消耗也较大，且由于涉及运算所以程序编写、调试较复杂，时间开销也较大。该方案适用于对被监控电源的电压值有实时线性要求的情况。

图2 传统型的隔离转换电路框图

针对以上缺点，当未对被监控电压有实时线性要求时，我们可以采用数字化思维方式，将前端的报警门限电压与后端MCU的输入门槛电压进行转换、关联，将对监控门限的比较操作前移至MCU的数字输入端口。比如本例，仅要求在电池组电压VCC≤VCA时MCU产生报警信息，VCC≥VCUA时不产生报警信息。因此隔离转换电路仅需在被监控电压的以上两个门限电压处输出不同的的逻辑电平即可。MCU根据隔离转换电路产生的逻辑电平，判断是否需要产生报警信息，如图3所示。该方案的优点是，MCU的I/O资源开销大幅下降，由N路输出变为单路输出，选用硬件成本也大幅降低，由于将模拟信息进行数字化转化，因此提高了抗干扰能力，电路调试简单，同时由于MCU无需进行复杂的软件运算，系统的时间开销也较少。

图3 新型的隔离转换电路框图

光耦的输出无需线性地映射为被监控电压值，仅需确保在预设的门限电压值VCUA与VCA处输出不同的逻辑电平即可。即，所需光耦输出值由连续信号转变为离散信号。例如本例，光耦在VCC≤VCA时产生的逻辑电平，触发MCU的外部电平中断，MCU据此可以快速判断电池电压低于报警电压。

3 系统分析及计算

3.1 系统分析

为了在MCU的数字输入端口产生符合数字门电路要求的逻辑电平，当被监控电压处于边界值时，光耦的光敏三极管应处于开关状态。本例中门电路采用正逻辑，当VCC≥VCUA时，光耦的光敏三极管应为饱和状态，并且其在MCU的数字输入端口产生的电平应满足MCU的逻辑高电平门槛电压；同样，VCC≤VCA时，光耦的光敏三极管应为截止状态（IC=0），和/或其在MCU的数字输入端口产生的电平应满足MCU的逻辑低电平的门槛电压，即三极管输出的电平逻辑，或者由光耦输入端提供（由IF=0，导致IC=0，进而VI=0），或者由光耦后端MCU的数字输入门槛电压提供（虽然IC＞0，但VI＜UIL）。

光耦通常归类为流控器件，其转化率CTR=IC/IF类似于三极管中的β。由于CTR在标称范围内离散性较大，为了确保三极管工作在开关状态，需要光耦在最坏情况下依然能够满足设计要求。即，在VCC≥VCUA条件下，即使CTR属于标称低值，三极管仍处于饱和状态；在VCC≤VCA条件下，即使CTR属于标称高值三极管仍处于截止状态，考虑到VCA＜VCUA，以上要求同光耦光敏三极管的特性相反。基于上述原因，采用分压电阻控制光耦输入电流IF，进而控制光耦光敏三极管输出电压的常规方案不可取。因此应该利用某些元器件的数字特性，在光耦前端将监控电压或光耦的输入电流进行量化处理，进而控制光耦光敏三极管输出符合要求的逻辑电平。为此，本研究选用稳压管，来对前端元件的情况加以分析与计算。

3.2 参数分析与计算

由稳压管与光耦构造的门限电压监控电路如图4所示。

图4 使用稳压管与普通光耦的门限电压监控电路

其中所选中的关键器件有稳压管V1，光耦E5，其关键参数如下：

可知，IZT=2mA，IZK=0.5mA。稳压管的膝点（转折点）电流：I=IZK=0.5mA，即稳压管内流过的电流必须不小于IZK=0.5mA才能保证稳定电压的功能。

光耦：

IF∈[0.5,5]时，CTR≥300%（特殊筛选）,待测电源电压VCC，待测电源最大电压VCCmax=57V；

单片机供电电压：VDD=5V；

单片机的逻辑门槛电压:UIH=0.8VDD=4V;UIL=0.18VDD=0.9V；

最小不报警电压：VCUA=54V，即VCC≥VCUA时不报警（电压充足）;

最大报警电压：VCA=50V，即VCC≤VCA时报警（电压过低）。

在已知上述条件下，需要给出合适的电阻值：R1、R2和 R3。

图4中光敏三极管采用下拉形式进行输出。三极管输出处于截止区或无输出时，其后端单片机端口处产生逻辑低电平；三极管饱和输出时，其在后端单片机端口处产生逻辑高电平。需要注意的是，三极管输出处于放大区时，其在后端单片机端口处产生的电平不能确保为逻辑高电平。光敏三极管与

普通三极管类似，其饱和输出条件为：

因此，使光敏三极管饱和输出的最小光耦输入电流为:

当IF≥IFH时，光敏三极管饱和输出，且输出电压满足MCU的最小输入高电压。

已知 CTR≥300%，取 R3=3.9kΩ，则 IFH=0.43mA。

对于MCU的输入逻辑低电平，可通过稳压二极管进行控制产生。当VCC≤VZmin=50V时，认为稳压管不导通，进而IF=0，单片机端口处输入逻辑低电平，满足电压过低产生报警信号的设计要求。因此，MCU输入的逻辑低电平完全由稳压管特性控制产生。

为了使稳压管正常工作，流过稳压管的电流应大于其膝点电流，即IZ≥IZK=0.5mA。本方案中需要在电压大于最小不报警电压时稳压管正常工作，以驱动光耦在单片机端口处产生输入逻辑高电平。由图4可知，IZ＞IR≥IZK时，稳压管正常工作。

以最低不报警电压VCUA为边界条件，计算稳压管正常工作的条件：

代入 VCUA=54V，VZmax=52V，得R1≤ 4kΩ，取R1=3.9kΩ；

为了保护稳压二极管，应对其流过电流进行限制。考虑实际使用情况，应对稳压二极管的IZmax进行降额[8]。如果采用I级降额，IZlim|i=0.5Izmax=5mA。IR与 IF均随IZ的增大而增大，因此：

在I级降额的情况下IZmax=IZlim|i=0.5Izmax，代入VCCmax=57V，VZmin=50V，VCUA=54V，VZmax=52V，得：IRmax≈1.8mA，IRmin≈0.51mA，IFmax=3.2mA。限流电阻R2应使IF同时满足IFH与IZlim的要求：

由于VF与IF的正相关关系，在利用公式(11)计算IFmax所对应的R2的值时，选取IF=IFmax=3.2mA时所对应的VF的值，是可以接受的近似运算。

通过查光耦参数图，如图5所示，可知VF|IF=3.2mA≈1.25V。

图5 光偶参数IF～VF～Ta关系曲线图

又由公式(7)、(11)、(12)，可得：

取R2=2kΩ。

查光耦参数图，图中最小IF=1mA，对应的VF≈1.2V。又由公式(8)、(11)、(12)，可得：

在R2阻值的选取满足IZmax，IZmin的同时，还需要满足IF＞IFH（即IFmin）的要求，也是使光敏三极管饱和输出的要求。

由于IFmin=(54-52-1.2)/2=0.4mA，而IFH=0.43mA，则 IFmin＜IFH，说明以上 R1，R2，R3的取值无法同时满足IZ的I级降额、稳压管膝点电流IZK和IF的最小电流IFH这三者的要求。

3.3 参数修正

修正参数有两个思路：下调IFH(下文的条件a)；降低IZ的降额标准（下文的条件b）。

条件a：下调IFH

下调 IFH，使 IFmin'≥IFH。根据公式(3)，提高 R3可以降低IFH。

选取R3=4.7kΩ，IFH=0.354mA ＜I'Fmin

选取R3=4.3kΩ，IFH=0.39 mA＜I'Fmin

所以 R3≥ 4.3kΩ时，同时满足IZ的I级降额与IFH的要求。

条件b：降低IZ的降额等级至II级

根据公式(7)、(9)、(13)，有：

根据公式(8)、(14)、(15)，得：

3.4 参数校验

校验不同条件下R1，R2，R3的取值是否满足电路要求。

条件a:

R1=3.9kΩ±1%，R2=2kΩ±1%，R3=4.7k±1%，稳压二极管采用I级降额，IZmax|I=0.5Izmax=5mA。

计及电阻差值的情况下，有：

且IFmin|a＞IFH|a。

所以，以上电阻取值满足稳压二极管在I级降额下正常工作，并在取样电压大于最小不报警电压时，光耦输出端三极管呈现开关导通状态。

条件b:

R1=3.9kΩ±1%，R2=1.5kΩ±1%，R3=3.9kΩ±1%，稳压二极管采用II级降额,IZmax|II=6.5Izmax=5mA，IFH|b=0.43mA。

且IFmin|b＞IFH|b。

所以，以上电阻取值满足稳压二极管在II级降额下正常工作，并在取样电压大于最小不报警电压时，光耦输出端三极管呈现开关导通状态。

4 结束语

在使用稳压管与普通光耦代替线性光耦与ADC芯片的基础上，针对构建该隔离转换电路的元器件的参数选取进行讨论与计算，并根据不同应用条件下的降额标准，对参数进行必要修正。该转换电路的构建，降低了电路成本的同时，使电路结构更紧凑，降低空间需求。进一步地，门限电压向逻辑电平的映射关系已在电路构建阶段完成，降低了电路运行阶段对于后端MCU的运算需求。

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