一種新型電流隔離檢測設計方案

1 引言

近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和集成控制電路的大量使用，快速、準確和安全地檢測系統(tǒng)中各個電參數(shù)顯得尤為重要。主電路電流的檢測和保護電路是影響系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行的關鍵之一。一般主電路電參數(shù)的檢測電路需滿足如下兩方面的要求，①高精度和高線性度；②具有電氣隔離功能。

目前，市場上有許多電流隔離傳感器供用戶使用，如隔離放大器TPS5904、電流霍爾傳感器等?；魻杺鞲衅饔行阅芨?、可靠性好、測量精確的優(yōu)點，因此應用范圍比較廣，但是價格相對較貴。IR公司推出的IR2175線性電流傳感器，可以精確地檢測電流信號，隔離效果好，價格又便宜。本文采用IR2175來實現(xiàn)主電路中電流檢測和過流保護功能的設計。

2 IR2175簡介

線性電流傳感器IR2175包括電流檢測和保護電路，可通過串聯(lián)在主電路中的檢流電阻對回路電流進行實時采樣，不需要A／D轉(zhuǎn)換芯片就能自動將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字PWM信號輸出，其頻率典型值為130kHz，可以直接與處理器相連。同傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器相比，IR2175具有溫漂低、數(shù)字PWM輸出、接口電路簡單、無需線性隔離光耦及A／D轉(zhuǎn)換器、8腳PDIP或SOIC封裝等優(yōu)點。

Ir2175的外形見圖1，其引腳定義如下，其中，高壓端與主電路相連，低壓端與控制電路相連。

IR2175的推薦工作參數(shù)如表1所列：

IR2175的輸入信號是回路中檢流電阻上的壓降信號。IR2175的輸出信號是頻率為130kHz、占空比隨電流大小變化的PWM信號。輸出占空比范圍為9％～91％；當檢流電阻上的壓降為0時，輸出信號的占空比為50％；當輸入電壓的變化范圍為-260mV～+260mV時，對應于輸出電壓的變化范圍為9％～91％。當檢流電阻上的壓降大于260mV時，輸出信號的占空比保持最大值91％；輸入小于-260mV時，輸出占空比保持最小值9％。因此，當檢流電阻上的壓降超過-260mV～+260mV時，輸出信號就不能反映電流的變化了，此時，在IR2175的OC端將輸出一個典型寬度為2μs、低電平有效的過流信號。PO是開漏的PWM輸出腳，由于輸出的是數(shù)字信號，因此很容易和工作電壓為3.3V～15V的控制電路進行連接，使用時需要在PO端接一個上拉電阻。

IR2175的主要特點如下：

(1)具有寬度為2μs的過電流關斷信號輸出，可以直接與微處理器或數(shù)字信號處理器進行連接；

(2)IR2175采用PWM數(shù)字信號輸出，并且可以采用自舉電源取代專用輔助電源，從而可以有效減小器件尺寸，減少元件數(shù)目；

(3)隔離耐壓較高，可以直接與600V電壓的主電路連接。

(4)頻帶較寬，當輸入在100mV之內(nèi)時，帶寬典型值為15kHz。

3 應用電路原理及設計

3.1 工程背景

基于TR2175的電流傳感器，可應用于交流電動機、三相逆變器、PWM整流器等場合，其典型應用電路如圖2所示。圖中，由一個二極管Dbs1和一個電容器Cbs組成自舉電源。當下管Q2導通VS被下拉到0V時，自舉電容Cbs通過自舉二極管Dbs1從電源Vcc充電，R1用來限制充電電流，在VB和VS之間產(chǎn)生高壓端懸浮電壓VBS。當上管Q1導通VS被拉到最高電壓時，VBS是浮動的，并且此時自舉二極管被反向偏置。圖中從COM腳到VS腳連接有一個二極管Dbs2，因此VS腳最多可以較COM腳低一個二極管的壓降。

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

當過流時，OC端輸出一個低電平脈沖?？衫面i存電路將2μs的低電平信號持續(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。當采樣電壓在-260mV～+260mV范圍內(nèi)時，鎖存電路輸出喲高電平(15V)；當采樣電壓超過-260mV～+260mV范圍時，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V輸出高電平15V時，為了由OC端低電平0V使輸出變低，應選擇R4=2R2，取R4=20kΩ，R2=4.7kΩ。當OC端的2μs低電平過后，輸出端V持低電平。圖中S為復位按鈕，選擇R3≤R4／2，可通過S使輸出V乏位為高電平，取R3=4.7kΩ。

3.3 濾波及運算電路的原理

IR2175的PO端輸出一個占空比可調(diào)的單極性的PWM波形，對于輸出信號的處理本文采用由濾波器濾掉載波信號從而重構(gòu)模擬電流信號的方法，原理如圖4所示。通過反相器UID對輸出PWM波形的幅值進行調(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輸入波形幅值不同而影響檢測結(jié)果。

檢測到的輸入信號ui是交流信號，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結(jié)果，設計兩路RC濾波電路分別對反相位的A和B兩路輸出PWM信號進行RC濾波；再由差分運算放大器求取二者的差值。

濾波參數(shù)的選擇要在檢測系統(tǒng)的精度和頻帶之間折衷。為了使輸出Vo紋波較小，設計了二階濾波器。若取較小的時間常數(shù)R6C1、R9C2、R8C3和R11C4，會使濾波電路輸出波形脈動較大；若取較大的時間常數(shù)，則會限制檢測信號頻帶。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 實驗結(jié)果

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

當檢流電阻上的壓降超過-260mV～+260mV時，IR2175的OC端輸出一個典型值為2μs的低電平有效的過流信號(圖8)。圖1號為輸入交流信號，2號為鎖存電路的輸出，3號為OC端輸出的2μs的過流信號，注意到2μs的低電平信號過后，由于輸出V過R3，R8和R16分壓，使得OC端維持約8V電壓。實驗結(jié)果說明電路發(fā)生故障過流時，鎖存電路能夠迅速的將低電平信號鎖住。

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

實驗結(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，本文所設計的檢測電路的帶寬可以達到約6kHz。

5 結(jié)論

本文設計的主電路電流隔離檢測電路，具有電路簡單，響應速度快，成本低等優(yōu)點。通過實驗表明，本設計的檢測結(jié)果具有良好的線性度和較大的帶寬，且可以實現(xiàn)快速過流檢測。