交流电源电压隔离采样方式的实现

摘要针对通信电源健康管理的需求文章介绍了常用的单相交流电压采样方式。为满足实际工程应用需求文章选用国产化器件实现硬件电路设计。通过参数计算文章设计了以芯片为核心器件的隔离交流采样电路。此电路通过简单、可靠的电路采集电压信息并通过隔离方式将采集信息发送给上位机。最终采用模块化设计通过实验验证了所设计模块的有效性。

关键词健康管理;国产化;模块化;交流电压;隔离采样

中图法分类号：TM76文献标识码：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

隨着科技进步，新型通信设备对设备自身的健康管理要求越来越高。设备健康管理是基于人机结合的具有前瞻性的管理方式，其核心是关注设备本身的关键性“健康”指标，通过健康状态管理和故障预测等手段，确保设备运行状态良好，在事故发生之前提前做出判断，避免重大事故的发生。

电源在通信设备中具有十分重要的作用，可以说是其心脏。可靠、稳定的供电电源是保证设备安全、平稳运行的前提[1]。因此，通信设备对电源的可靠性要求越来越高。提高其可靠运行的方式很多种，目前常见的有通过检测设备状态对设备定期检查、定期维护保养。现阶段，可以通过将设备输入电压状态纳入设备健康管理，通过实时检测设备的交流输入电压，保证设备在正常输入电压范围内稳定工作，同时在输入电压异常，尤其是输入电压长期过高、或过低时，发出警告或关闭供电系统，以保证系统安全。因此，如何准确、经济、可靠的采集交流电压信息成为关键。同时，为了适应激烈的市场竞争，也为了满足关键技术的自主可控要求，在保证产品质量的同时，本文通过采用全国产器件，实现了稳定、可靠、经济、简单的交流电压采样电路，为通信设备尤其是通信电源的稳定运行提供了保障。

2  交流电压采样方法

为了准确采集交流电压，本文选取市面上能买到的便携式电网电压监测仪器，此类仪器技术成熟、携带方便、外观简洁、易于维护，但是由于体积较大，不适合放置于通信设备内部实现电压采集功能。除成熟产品外，国内外学者对交流电压采样电路进行了研究，目前常见的方式有过零信号检测、同步直流采样。在上述方案中，电路相对简单，易于实现，但是其没有解决采样信号与交流信号零线或整流桥输出负端共地问题，采样电路安全性有待提高。为了解决共地问题，工程应用中采用隔离变压器的方式，将交流电压通过固定变比隔离变压器进行降压，然后通过二极管整流、电容滤波得到低压直流电压信号进行采集，但是工频变压器体积较大，重量大等缺点导致其不易实现模块化设计。本文基于隔离运算放大器 NSI1311⁃DSWVR 设计了无工频变压器的隔离采样电路，并实现了模块化设计，硬件电路简单可靠、易于安装、应用方便。

3  原理框图

本设计的基本原理是：首先，将交变电压通过桥式整流变换为稳定的高压直流电压，然后通过辅助电源得到两个隔离的5V 电压，为隔离的采样电路供电;采样电路通过分压方式将高压信号转换为低压信号，并利用隔离运算放大器将采集到的电压信号转换为与高压直流侧不共地的电压信号。其基本原理框图如图1 所示。

4  整流滤波电路

本部分使用乐山无线电股份有限公司的型号为 ABS10的整流桥，其耐压值为1000V ，正向均值电流值为1A;由于负载功率较小，结合成本及通用性等因素，滤波电容选用450V/22uF 电解电容[2]。其电路图如图2 所示。

经过整流滤波后，输出电压 VO1与交流输入电压有效值 Vin 的关系为：

其中，由于上述关系，并且受电容耐压值影响，本设计最大输入电压有效值不超过300V。

5  辅助电源

辅助电源采用非隔离的 KP3212芯片实现高压到+5V1的转换。其电路图如图3 所示。

KP3212是一款高性能低成本 PWM 控制功率开关，芯片本身集成了高压650V 高压 MOSFET，可满足85Vac ～315Vac 输入的使用条件，其外围电路简单、器件个数少，待机功耗低。同时，该芯片集成了完备的自恢复保护功能，即 VDD 欠压保护、逐周期电流限制、输出过压保护、过热保护、过载保护等，能够为电路的安全、可靠运行保驾护航[3～ 5]。

本设计中，根据推荐电路，选取反馈电阻值 R15= 1.2kΩ，R17=2.2 kΩ即可实现+5V1的稳定输出。然后，通过隔离开关电源 B0505ST16⁃W5实现+5V1与+5V2之间的电气隔离。具体电路见图4。

B0505ST16⁃W5具有高达5kVAC 的隔离耐压，因此完全满足一般设备的1500VAC 隔离耐压要求，且内置软启动、过温保护、输出过载保护以及短路保护等功能。其外围电路极其简单，本设计由于只实现电源隔离功能，因此其外围电路只需两个10uF 电容和一个0Ω电阻。

6  采样电路

为了实现隔离采样，使用纳新微公司的 NSI1311⁃ DSWVR 的隔离运放采样[6] ，其内部框图如图5 所示。

NSI1311⁃DSWVR 采用刷路隔离供电，实现输入-输出两侧的电气隔离。其不仅能采样电压，高达5000Vrms 的绝缘电压还使其具有优秀的隔离作用。同时，NSI1311⁃DSWVR 的低偏移误差±1.5mV 和漂移-5～ 30μV/° C ，保证了在整个温度范围内的精度。150kV/μs 的高共模瞬变抗扰度也能够确保提供准确可靠的测量。其放大比例固定为1 ∶1。

本设计利用 NSI1311⁃DSWVR 完成电压采样，其电路图如图6 所示。

由于 NSI1311⁃DSWVR 输入要求为0.1V ～2V ，因此需要将高压直流电压通过高精度电阻分压，本设计中选择 R3=R4=R5=300kΩ，R9=4.3kΩ，因此运算放大器输入电压值 VO2为：

同时，选用圣邦微的运算放大器 SGM8276⁃1AXN5G 将前级得到的差分信号转换为单端信号，传送给上位机进行 ADC 采样。

本设计选择 R6=R8=R10=R12= 10kΩ，通过计算可得供 ADC 采样的电压 VADC 为：

在实际应用中，当上位机通过采样后，将所得采样值通过相应换算即可得到实际电压值，通过计算以及实际测量修正，采用公式（4），得到所测的电压值 Vin0：

7  实验验证

为了便于使用及易于安装，最终电路封装为模块形式，模块尺寸为36×27×12.7mm ，其结构示意图如图7 所示。该模块六面屏蔽，在满足安全性的同时，不会对其他电路造成电磁辐射，也不易于受到其他设备电磁辐射影响[7]。

考虑实际工程应用以及设备安全性，本设计采样交流电压有效值范围为85V ～300V ，利用程控交流源，上位机等完成实验验证，每隔5V 取一点进行测试，测试误差绝对值如图8 所示。

由上述结果可知，测试值与实际值接近，误差较小，可满足实际通信设备对电源电压监控的要求。

8  结束语

本文在不使用工频变压器的基础上，实现了交流电源电压的采样;利用隔离辅助电源以及隔离运算放大器，实现了采样电路的隔离;模块化设计不仅加强了电路本身的安全性，还易于安装、操作方便;采用国产器件降低了制造成本，增强了模块的自主可控等级。这有利于模块的推广及应用。

参考文献：

[1] 孔金平.船载通信设备健康管理信息系统研究与设计[J].信息通信，2018（10）：125⁃127.

[2] 赵兵，夏良华，满强，等.设备健康管理系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2010，18（5）：1024⁃1026.

[3] 马增坤.通信电源系统的安全保障策略分析[J].集成电路应用，2021，38（7）：108⁃109.

[4] 程怀哲，王婷远，许辉，等.通信电源维护和管理要点[J].数字通信世界，2021（8）：116⁃117.

[5] 柳艳，彭凯.电压监测仪在电网中的应用及其周期检测[J].科技信息，2008（35）：414+785

[6] 蔡国浩.关于采用过零信号检测电网电压的一种方法[J].科技经济市场，2017（7）：31⁃33.

[7] 石右仁，朱长青，叶秀羲，等.交流稳压电源控制中数据采样技术及算法改进[J].移动电源与车辆，2008（2）：20⁃23.

作者简介：

李朋（1989—） ，硕士，工程师，研究方向：時间频率源、开关电源。