一種新型電流隔離檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

　　3 應(yīng)用電路原理及設(shè)計(jì)

　　3.1 工程背景

　　基于TR2175的電流傳感器，可應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)、三相逆變器、PWM整流器等場(chǎng)合，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。圖中，由一個(gè)二極管Dbs1和一個(gè)電容器Cbs組成自舉電源。當(dāng)下管Q2導(dǎo)通VS被下拉到0V時(shí)，自舉電容Cbs通過(guò)自舉二極管Dbs1從電源Vcc充電，R1用來(lái)限制充電電流，在VB和VS之間產(chǎn)生高壓端懸浮電壓VBS。當(dāng)上管Q1導(dǎo)通VS被拉到最高電壓時(shí)，VBS是浮動(dòng)的，并且此時(shí)自舉二極管被反向偏置。圖中從COM腳到VS腳連接有一個(gè)二極管Dbs2，因此VS腳最多可以較COM腳低一個(gè)二極管的壓降。

　　IR2175的模擬輸入信號(hào)為采樣電阻R2兩端的壓降ui，可以對(duì)回路中電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并根據(jù)采樣值判斷是否過(guò)流。當(dāng)采樣電壓VIN+超過(guò)-260mV～+260mV范圍時(shí)，OC端輸出一個(gè)典型寬度為2μs、低電平有效的過(guò)流信號(hào)。IR2175的PO端輸出的是一個(gè)占空比隨電壓變化的PWM波形。

　　當(dāng)過(guò)流時(shí)，OC端輸出一個(gè)低電平脈沖。可利用鎖存電路將2μs的低電平信號(hào)持續(xù)保持在低電平，原理圖如圖3所示。

　　由于OC端是開漏輸出，需要接上拉電阻R1。當(dāng)采樣電壓在-260mV～+260mV范圍內(nèi)時(shí)，鎖存電路輸出喲高電平(15V)；當(dāng)采樣電壓超過(guò)-260mV～+260mV范圍時(shí)，OC端輸出2μs的低電平。采用CMOS4000系列反相器，UIA和UIB構(gòu)成低電平鎖存電路，其輸入上閾值不大于2Vcc／3=10V，輸入下閾值不小于1Vcc／3=5V。當(dāng)V輸出高電平15V時(shí)，為了由OC端低電平0V使輸出變低，應(yīng)選擇R4=2R2，取R4=20kΩ，R2=4.7kΩ。當(dāng)OC端的2μs低電平過(guò)后，輸出端V持低電平。圖中S為復(fù)位按鈕，選擇R3≤R4／2，可通過(guò)S使輸出V乏位為高電平，取R3=4.7kΩ。

　　3.3 濾波及運(yùn)算電路的原理

　　IR2175的PO端輸出一個(gè)占空比可調(diào)的單極性的PWM波形，對(duì)于輸出信號(hào)的處理本文采用由濾波器濾掉載波信號(hào)從而重構(gòu)模擬電流信號(hào)的方法，原理如圖4所示。通過(guò)反相器UID對(duì)輸出PWM波形的幅值進(jìn)行調(diào)整，使其輸出A為等幅PWM波，從而使濾波后輸出的電壓幅值完全由占空比決定，經(jīng)UIC反向得到B。這樣就避免了因兩個(gè)輸入波形幅值不同而影響檢測(cè)結(jié)果。

　　檢測(cè)到的輸入信號(hào)ui是交流信號(hào)，但PO端輸出為單極性的PWM波。為了得到與ui成比例的雙極性的檢測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)兩路RC濾波電路分別對(duì)反相位的A和B兩路輸出PWM信號(hào)進(jìn)行RC濾波；再由差分運(yùn)算放大器求取二者的差值。

　　濾波參數(shù)的選擇要在檢測(cè)系統(tǒng)的精度和頻帶之間折衷。為了使輸出Vo紋波較小，設(shè)計(jì)了二階濾波器。若取較小的時(shí)間常數(shù)R6C1、R9C2、R8C3和R11C4，會(huì)使濾波電路輸出波形脈動(dòng)較大；若取較大的時(shí)間常數(shù)，則會(huì)限制檢測(cè)信號(hào)頻帶。因PO端口輸出頻率典型值為130kHz， 綜合考慮上述因素，故選擇R6=R9=R8=R11=20KΩ，C1=C2=C3=C4=ln。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到輸入交流信號(hào)時(shí)，PO端口輸出占空比可調(diào)的PWM波形(如圖5，6，7)。圖中1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)為輸出單極性的PWM波。從輸出波形的局部放大圖中可以看出輸入為0時(shí)，輸出占空比為50％(圖5)；輸入最大260mV時(shí)，輸出占空比為91％(圖6)；輸入最小-260mV時(shí)，輸出占空比為9％(圖7)。

　　當(dāng)檢流電阻上的壓降超過(guò)-260mV～+260mV時(shí)，IR2175的OC端輸出一個(gè)典型值為2μs的低電平有效的過(guò)流信號(hào)(圖8)。圖1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)為鎖存電路的輸出，3號(hào)為OC端輸出的2μs的過(guò)流信號(hào)，注意到2μs的低電平信號(hào)過(guò)后，由于輸出V過(guò)R3，R8和R16分壓，使得OC端維持約8V電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明電路發(fā)生故障過(guò)流時(shí)，鎖存電路能夠迅速的將低電平信號(hào)鎖住。

　　以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在工頻50Hz的基礎(chǔ)上得到的。本文利用李沙育圖對(duì)電路輸出特性的線性度和延遲角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)觀察示波器上李沙育圖形的形狀來(lái)得到該頻率下的幅值和相位。圖9為50Hz時(shí)的李沙育圖，延遲相位角約為0°；圖10為6kHz時(shí)的李沙育圖，延遲相位角約為62°。在輸入信號(hào)幅值保持200mV時(shí)，50Hz時(shí)的輸出幅值約為4.7V，6kHz時(shí)的輸出幅值約為3.273V(圖10和圖11)，約為4.7V的0.707倍(-3dB)，因此帶寬約為6kHz。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示電路在低頻狀況下具有很好的線性度，且有較小的延遲角，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路的帶寬可以達(dá)到約6kHz。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的主電路電流隔離檢測(cè)電路，具有電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)的檢測(cè)結(jié)果具有良好的線性度和較大的帶寬，且可以實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流檢測(cè)。