一种宽电压范围的直流电源高边电流采样装置的制作方法

1.本实用新型涉及电流采样技术领域，具体涉及一种宽电压范围的直流电源高边电流采样装置，尤其适合电源产品使用，如开关电源、ups、锂电池、交直转换模块、升压电源、差异化备电设备、智能配电设备等，也可以在电力配电检测监控产品上使用，如电表、智能监控设施等，在电力领域的其它需要高边电流采样的电力设备中均可普遍使用，在新兴的新能源领域如太阳能、风能、新能源汽车、混合动力汽车、电动汽车及其相关的充电桩等各种配套电力设备上也可使用。


背景技术：

2.电流采样是诸多电气和电子装置不可避免要面临的问题之一，直流电流的采样，理论上既可以在直流电源的负输出端(或输入端)进行，同样的也可以在直流电源的正输出端(或输入端)进行。但是，实际上在正端进行电流采样和在负端进行电流采样是有很大的不同。在负端(低边)进行电流采样时，可以使用毫欧电阻(分流器)直接采集电阻上的电压信号，再经过信号放大即可为后续电路使用(图5所示)；而在正端(高边)采样时，要想直接放大电流信号却有一定的限制，即采样处的电压不能高于放大器的共模输入电压，否则会影响放大器的正常工作，甚至损坏放大器，且需要选用高共模输入电压的专用放大器。目前这种专用放大器的最高共模输入电压已达62v，能适用于48v以下电压级的高边电流采样。对于高于62v电压的高边电流采样，如果仍要采用分流器进行电流检测的话，目前只能采用电流镜的方法，使高边的电流采样信号转换为低边的电压信号，再进行正常的放大。电流镜法使高边电流采样时使用毫欧电阻(分流器)和普通放大器成为可能，也使工程师们不必非要去采用昂贵的霍尔电流传感器。但是电流镜法的使用仍然有其局限性，主要原因在于电路的耐压问题。通常，电流镜是由两路互联的三极管和电阻构成的，其中的三极管的耐压能力决定了高边电流采样装置的使用电压。小功率三极管受其结构特点的限制，其耐压不会很高，而耐压高的三极管的特性又较低压三极管的特性差得多。另外，电流镜采样法由于器件在电路上是不隔离的，一旦三极管损坏短路，其所连接的后续元件也会被高电压击穿损坏，使电流镜法难以安全可靠地在高电压装置上采用。
3.通常情况下，电路设计工程师不会无端的选择高边电流采样方式，原因在于其带来的高共模输入电压问题，限制了这种采样方法的应用。然而在有些应用场景，比如boost升压电路、buck降压电路、buck
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boost升降压电路等初次级不隔离的应用中(如图6所示)，因为电源的初次级共地的原因，采用高边电流采样的方式可以极大地简化电源功率回路的复杂度、简化控制电路，并相应的能降低产品成本。新能源功率变换装置现在大多采用的是这类非隔离的电路拓扑结构，因此，适用范围广、成本低廉、使用方便的高边电流采样采用装置，在未来的功率变换等领域应用中有着较为广阔的空间。现在常用的高边电流采样实用的方法有：霍尔电流传感器采样法、分流器+电流镜采样法、专用的高边电流采样ic、分流器+线性光耦采样法。
4.其中，霍尔电流传感器采样法(如图7和图8所示)，这是一种利用对电磁场敏感的
霍尔元件去感应出电流磁场的变化，并生成相应的电信号，再经集成的放大电路放大输出与电流信号对应的电压的电流采样装置。它不存在高低边采样点的限制，可广泛应用于各种交直流输配电场合。但是，由于其价格较高，功耗高，一致性不好，灵敏度不高，温度特性差的缺点，很少被应用在精密测量领域，其在pcb板级应用方面也有很大的限制，尤其是在磁场强度变化较大的场所，更要考虑霍尔器件的稳定性和可靠性；分流器+电流镜采样法，是一种实用的高边电流采样方法，但是由于电流镜所使用的三极管或mos管都有耐压方面的限制，而该方法的采样精度也不高，使其在电压较高和精度要求较高的场合应用中受到了很大的限制；采用专用的高边电流采样ic的核心也是电流镜像法，只不过集成了更复杂的电路。其主要问题是，现有产品的共模输入电压还不高，大多是28v等级的，少数的可达62v，因此只能应用在24v、48v的系统上；分流器+线性光耦采样法适用于各种电压等级，但是，由于该电路的核心是一只昂贵的线性光电耦合器，并且在采样端需要先将信号进行放大再输入到线性光耦，在采样端还需要额外的辅助电源，使该电路的成本较高，也较为复杂，应用的较少。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适应面广、成本低、结构简单、使用方便、稳定性高、可在复杂电磁环境使用并能满足各种电流采样应用需求的宽电压范围的直流电源高边电流采样装置。
6.为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种宽电压范围的直流电源高边电流采样装置，包括与供电电源的正端电连接的采样元件，所述采样元件的输出端串联有负载，所述负载电连接至所述供电电源的负端，且所述供电电源的负端接地设置，与所述采样元件相对设有光电隔离装置，所述光电隔离装置电连接至所述采样元件的两端，所述光电隔离装置的输出端连接有信号处理装置，还包括隔离处理控制电源，所述隔离处理控制电源分别电连接至所述光电隔离装置和所述信号处理装置。
7.作为优选的技术方案，所述采样元件设置为毫欧级采样电阻rs或分流器。
8.作为优选的技术方案，所述光电隔离装置包括并列设置的第一光电耦合器u1和第二光电耦合器u2，所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别设有四个引脚，包括形成光信号且相对设置的光端输入引脚、光端输出引脚以及形成电信号且相对设置的控制电源输入引脚和电信号输出引脚；
9.所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别独立设置或所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2一体封装设置；
10.所述隔离处理控制电源设置为正控制电源vcc和负控制电源
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vcc。
11.作为优选的技术方案，所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别包括封装设置的发光二极管和光敏三极管，所述发光二极管的阳极电连接至所述光端输入引脚，所述发光二极管的阴极电连接至所述光端输出引脚，所述光敏三极管的集电极电连接至所述控制电源输入引脚，所述光敏三极管的发射极电连接至所述电信号输出引脚。
12.作为优选的技术方案，所述第一光电耦合器u1中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输入端且两者之间串联有限制电阻r1、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚电连接至所述正控制电源vcc、所述电信号输出引脚电连接至所述信号处
理装置，所述电信号输出引脚还通过电阻r3接地设置；
13.所述第二光电耦合器u2中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输出端且两者之间串联有限制电阻r2、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚电连接至所述正控制电源vcc、所述电信号输出引脚电连接至所述信号处理装置，所述电信号输出引脚还通过电阻r4接地设置。
14.作为优选的技术方案，所述第一光电耦合器u1中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输入端且两者之间串联有限制电阻r1、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚通过电阻r11电连接至所述正控制电源vcc，所述控制电源输入引脚还电连接至所述信号处理装置；
15.所述第二光电耦合器u2中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输出端且两者之间串联有限制电阻r2、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚通过电阻r12电连接至所述正控制电源vcc、所述控制电源输入引脚还电连接至所述信号处理装置；
16.所述第一光电耦合器u1上的所述电信号输出引脚与所述第二光电耦合器u2上的所述电信号输出引脚之间分别连接至电位器r9的两个固定端，所述电位器r9的滑动端通过电阻r10电连接至所述负控制电源
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vcc。
17.作为优选的技术方案，所述信号处理装置包括与所述隔离处理控制电源电连接的放大器u3，所述放大器u3的同相输入端通过电阻r5连接至所述第一光电耦合器u1，所述放大器u3的同相输入端与所述电阻r5之间还通过电阻r7接地设置，所述放大器u3的反相输入端通过电阻r6连接至所述第二光电耦合器u2，所述放大器u3的反相输入端与所述放大器u3的输出端之间串接有电阻r8。
18.作为优选的技术方案，所述放大器u3设置为包括一个集成运放芯片的一级放大器或设置为包括多个集成运放芯片的电连接设置多级放大器。
19.作为优选的技术方案，所述放大器u3的正电源端电连接至所述正控制电源vcc。
20.作为对上述技术方案的改进，所述放大器u3的负电源端电连接至所述负控制电源
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vcc。
21.由于采用了上述技术方案，一种宽电压范围的直流电源高边电流采样装置，包括与供电电源的正端电连接的采样元件，所述采样元件的输出端串联有负载，所述负载电连接至所述供电电源的负端，且所述供电电源的负端接地设置，与所述采样元件相对设有光电隔离装置，所述光电隔离装置电连接至所述采样元件的两端，所述光电隔离装置的输出端连接有信号处理装置，还包括隔离处理控制电源，所述隔离处理控制电源分别电连接至所述光电隔离装置和所述信号处理装置；本实用新型具有以下有益效果：通过将采样元件连接于供电电源的正端，实现了电路的高边信号采样，利用光电隔离装置同时解决了高边电流采样的适用范围和可靠性问题，采样信号虽然受限于光电隔离装置，但是由于光电隔离装置的耐压能力高，因此该装置在常规的电路板采样中使用几乎不受任何的电压限制，同时还适用于控制地在正端的负电压端电流采样场景；本装置电路调试简单，通过调整光电隔离装置的输入电阻，使其工作于放大状态即可实现高边电流转换。
附图说明
22.以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：
23.图1是本实用新型实施例一的电路原理图；
24.图2是本实用新型实施例一电路测试时使用的四路电流波形图；
25.图3是利用本实用新型实施例一对图2中各路电流进行采样形成的相应的电压波形图；
26.图4是本实用新型实施例二的电路原理图；
27.图5是现有技术中普遍使用的在负端(低边)进行电流采样的电路原理图；
28.图6是现有技术中升压变换器boost的采样点示意图；
29.图7是现有技术中霍尔电流传感器采样法涉及的电路原理图；
30.图8是现有技术中霍尔电流传感器采样法涉及的另一电路原理图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
32.实施例一：
33.如图1所示，一种宽电压范围的直流电源高边电流采样装置，包括与供电电源vin的正端电连接的采样元件，所述采样元件设置为毫欧级采样电阻rs或分流器，本实施例中使用毫欧级采样电阻rs。所述采样元件的输出端串联有负载rl，所述负载rl电连接至所述供电电源vin的负端，且所述供电电源vin的负端接地设置，与所述采样元件相对设有光电隔离装置，所述光电隔离装置电连接至所述采样元件的两端，所述光电隔离装置的输出端连接有信号处理装置，还包括隔离处理控制电源，所述隔离处理控制电源分别电连接至所述光电隔离装置和所述信号处理装置，所述隔离处理控制电源设置为正控制电源vcc和负控制电源
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vcc。本实施例的核心是通过光电隔离装置在直流电源的正端(高边)，将串接在电源主回路正端的所述采样电阻rs两端的电压采集并耦合到电源的控制及信号端，整个装置电路布置简单，且不需要特殊电子器件，利用常规的电子器件，就实现了可在任意电压下应用的高边电流精确采样。
34.具体地，所述光电隔离装置包括并列设置的两个电耦合器，即第一光电耦合器u1和第二光电耦合器u2，所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别设有四个引脚，包括形成光信号且相对设置的光端输入引脚、光端输出引脚以及形成电信号且相对设置的控制电源输入引脚和电信号输出引脚。所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别独立设置或所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2一体封装设置。且所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2尽量为同型号、同批次产品，以保证两路采样器件性能的一致性。
35.所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2分别包括封装设置的发光二极
管和光敏三极管，所述发光二极管的阳极电连接至所述光端输入引脚，所述发光二极管的阴极电连接至所述光端输出引脚，所述光敏三极管的集电极电连接至所述控制电源输入引脚，所述光敏三极管的发射极电连接至所述电信号输出引脚。所述光敏三极管为npn型光敏三极管，与所述发光二极管配合，实现两侧电路的电气隔离。
36.本实施例中，所述第一光电耦合器u1中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输入端且两者之间串联有限制电阻r1、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚电连接至所述正控制电源vcc、所述电信号输出引脚电连接至所述信号处理装置，所述电信号输出引脚还通过电阻r3接地设置；所述第二光电耦合器u2中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输出端且两者之间串联有限制电阻r2、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚电连接至所述正控制电源vcc、所述电信号输出引脚电连接至所述信号处理装置，所述电信号输出引脚还通过电阻r4接地设置。
37.所述采样电阻rs与所述负载rl串联在所述供电电源vin的正端与负端之间，形成功率回路，在所述采样电阻rs的输入端形成电压vs+，所述采样电阻rs的输出端形成电压vs
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，所述限制电阻r1、所述限制电阻r2具有保护所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2的作用，在实际设计或使用时，需要通过不断调试，最终确定所述限制电阻r1、所述限制电阻r2的阻值，以使相应的光电耦合器始终工作于放大区。
38.所述信号处理装置包括与所述隔离处理控制电源电连接的放大器u3，所述放大器u3的同相输入端通过电阻r5连接至所述第一光电耦合器u1，所述放大器u3的同相输入端与所述电阻r5之间还通过电阻r7接地设置，所述放大器u3的反相输入端通过电阻r6连接至所述第二光电耦合器u2，所述放大器u3的反相输入端与所述放大器u3的输出端之间串接有电阻r8。
39.在电路的实际工作过程中，所述第一光电耦合器u1的npn光敏三极管与所述电阻r3构成了射极跟随器，且所述电阻r3的另一端接功率地或控制地等其它地；同样地，所述第二光电耦合器u2的npn光敏三极管与所述电阻r4构成了射极跟随器，且所述电阻r4的另一端接功率地或控制地等其它地。所述第一光电耦合器u1和所述第二光电耦合器u2的集电极分别电连接至所述正控制电源vcc，实现将高边采样信号耦合至低端或控制端，并形成差动信号，再由后续的所述信号处理装置将该信号放大输出。在所述信号处理装置中所述电阻r8连接所述放大器u3的反相输入端和输出端，形成负反馈，所述电阻r5、所述电阻r6、所述电阻r7、所述电阻r8和所述放大器u3共同构成经典的差动运算放大电路；所述采样电阻rs、所述限制电阻r1、所述限制电阻r2、所述第一光电耦合器u1、所述第二光电耦合器u2、所述电阻r3、所述电阻r4共同完成对高边电流的隔离差动采样。
40.所述放大器u3的正电源端电连接至所述正控制电源vcc。所述放大器u3的负电源端也可以电连接至所述负控制电源
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vcc，以改善其在小信号时的响应，如果忽略小信号的电流采样质量，可以只选择将所述放大器u3的正电源端电连接至所述正控制电源vcc，也可以采用单电源供电，或选用轨到轨运算放大器。本实施例采用差动放大电路是为了克服光耦的温漂和线性度变化带来的不利影响。
41.如图2和图3所示，是本实施例电流采样的效果图，通过对比可以发现，两幅图涉及的两组波形存在严格的对应关系，从而有力地说明了本实施例有效性、其线性和响应速度的良好性。
42.实施例二：
43.如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于所述光电隔离装置进行了调整。具体地，所述第一光电耦合器u1中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输入端且两者之间串联有限制电阻r1、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚通过电阻r11电连接至所述正控制电源vcc，所述控制电源输入引脚还电连接至所述信号处理装置；所述第二光电耦合器u2中所述光端输入引脚电连接至所述采样电阻rs的输出端且两者之间串联有限制电阻r2、所述光端输出引脚接地设置、所述控制电源输入引脚通过电阻r12电连接至所述正控制电源vcc、所述控制电源输入引脚还电连接至所述信号处理装置；所述第一光电耦合器u1上的所述电信号输出引脚与所述第二光电耦合器u2上的所述电信号输出引脚之间分别连接至电位器r9的两个固定端，所述电位器r9的滑动端通过电阻r10电连接至所述负控制电源
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vcc，所述电位器r9可以调整因器件的离散性而出现的两路采样信号的偏差。如果忽略小信号的电流采样质量，所述放大器u3也可以采用单电源供电，或选用轨到轨运算放大器，此时需取消所述电阻r10的设置，而直接将所述电位器r9滑动端接地设置。所述放大器u3设置为包括一个集成运放芯片的一级放大器或设置为包括多个集成运放芯片的电连接设置多级放大器。
44.本实用新型通过将采样元件连接于供电电源vin的正端，实现了电路的高边信号采样，利用光电隔离装置同时解决了高边电流采样的适用范围和可靠性问题，采样信号虽然受限于光电隔离装置，但是由于光电隔离装置的耐压能力高，因此该装置在常规的电路板采样中使用几乎不受任何的电压限制，同时还适用于控制地在正端的负电压端电流采样场景；本装置电路调试简单，通过调整光电隔离装置的输入电阻，使其工作于放大状态即可实现高边电流转换。
45.本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。