一种交流电中直流分量的隔离检测电路的制作方法

本发明涉及电路检测技术领域，尤其涉及一种交流电中直流分量的隔离检测电路。

背景技术：

工频交流电(220v/50hz)俗称市电，是生活用电和小功率设备用电最广泛的供电制式。工频交流电除电网输送产生外，设备供电在大部分领域使用逆变电路产生。逆变电路是将直流电能转换为交流电能的电路，在转换过程中，由于电路参数的不一致性和控制精度的误差，除产生交流电能外，还能产生微弱的直流分量，如图1中的u0。过大的直流分量会令变压器原边饱和继而短路，会损坏设备，且在并联系统中直流分量会产生较大的环流，降低了并联系统的可靠性。直流分量的大小为逆变电路的一个通用指标，不能超过一定值(一般为100mv)。

目前常用的直流分量检测电路如图2所示，其工作原理是：逆变器输出电压经r1和c1滤波后得到含交流成分的脉动直流电，此直流电经r2、r4和c2组成的积分电路积分后得到与逆变器输出电压直流分量成正比的电压量。由于直流分量值可能为负值，故由r5，r6和+3.0vref电源组成加法电路以便将直流分量送到模数转换器输入端。

传统的直流分量检测电路可以满足大部分场合的直流分量检测需求。但其缺点为：电路中的输入须为电压霍尔传感器的输出，限制了电压采样电路的形式；检测电路共地，不隔离，不能用在需要隔离采样的场合；r2、c2和r4的参数匹配比较复杂，且积分结果可能受噪声的影响。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种交流电中直流分量的隔离检测电路，用以解决传统检测方案中电路不隔离、采样电路受限和参数匹配等技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

在基于本发明电路的一个实施例中，提供了一种交流电中直流分量的隔离检测电路，包括：检测分量滤波及变送电路、隔离电路和差分放大电路；检测信号从检测分量滤波及变送电路的输入端接入，检测分量滤波及变送电路的输出端与隔离电路的输入端相连，隔离电路的输出端与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端为检测信号的输出端；其中检测分量滤波及变送电路用于过滤交流分量，保留直流分量；隔离电路用于将直流分量的输出经分压、差分传输后进行隔离；差分放大电路用于对待测信号进行放大。

在基于本发明电路的另一个实施例中，检测分量滤波及变送电路包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9，电容c1、c2、c4，运算放大器n2；其中r1、r2、r3、r4依次相连，r1的另一端为检测分量滤波及变送电路的输入端，r4的另一端分别与r5的一端和c1的一端相连，c1的另一端接高压侧地，r5的另一端分别与c2的一端以及n2的正向输入端相连，c2的另一端与r7和r9的一端相连并接高压侧地，r7的另一端分别与r6和r8的一端相连，r6的另一端分别与n2的反向输入端和输出端相连，r8的另一端与c4的一端相连，r9的另一端与c4的另一端相连，n2为高压侧+5v和-5v双电源供电，c4的两端为检测分量滤波及变送电路的第一输出端和第二输出端。

在基于本发明电路的另一个实施例中，隔离电路包括电容c3、c5，线性光耦芯片n1；n1的vinp端为隔离电路的第一输入端，与检测分量滤波及变送电路的第一输出端相连，n1的vinn端为隔离电路的第二输入端，与检测分量滤波及变送电路的第二输出端相连，接高压侧经滤波和差分传输后的采集信号；n1的gnd1端与c3的一端相连并接高压侧地，c3的另一端与n1的vdd1端相连并接高压侧+5v电源，n1的vdd2端与c5的一端相连并接信号侧+5v电源，c5的另一端与n1的gnd2端相连并接信号侧地，n1的voutp端和voutn端分别为隔离电路的第一输出端和第二输出端。

在基于本发明电路的另一个实施例中，差分放大电路包括电阻r10、r11、r12、r13、r14，电容c6、c7，运算放大器n3；n3为+5v单电源供电，满量程输出运算放大器；r10的一端为差分放大电路的第一输入端与隔离电路的第一输出端相连，r11的一端为差分放大电路的第二输入端与隔离电路的第二输出端相连，r10的另一端分别与r12的一端、r13的一端、c6的一端和n3的正向输入端相连，c6的另一端与r13的另一端相连并接信号侧地，r12的另一端与信号侧的+5v电源相连；r11的另一端分别与n3的反向输入端相连，并与r14和c7的一端相连，c7的另一端与r14的另一端相连，并与n3的输出端相连，n3的正电源端与信号侧+5v电源相连，n3的负电源端接信号侧地；n3的输出端为差分放大电路的输出端。

在基于本发明电路的另一个实施例中，r1、r2、r3、r4和c1组成第一级低通滤波电路，输入信号的交流分量被衰减，直流分量保留；交流分量衰减值由以下公式确定：

其中，f为50hz；

电阻r5与c2组成第二级衰减电路，交流分量衰减值由以下公式确定：

n2及周边电路为跟随电路，r6和r7组成分压电路，r8、r9与c4组成差分传输滤波电路。

在基于本发明电路的另一个实施例中，r1、r2、r3、r4串联电阻之和与电阻r5阻值相等，电容c1和电容c2容值相等，r8和r9阻值相等。

在基于本发明电路的另一个实施例中，电容c3和电容c5容值相等，为电源端去耦电容。

在基于本发明电路的另一个实施例中，差分放大器的放大倍数由r11、r14以及r10、r12和r13的阻值确定，其中电阻r10和电阻r11阻值相等，电阻r12和电阻r13并联后的电阻与电阻r14相等，电容c6和电容c7容值相等。

在基于本发明电路的另一个实施例中，差分放大器输出后接入控制器的模数转换模块。

本发明有益效果如下：

本发明实施例使用了光耦隔离，符合特定场合隔离采样的需求；输入电路形式灵活，可以兼容高压直接接入或者霍尔传感器输出。无积分环节，无噪声影响采样结果的隐患。本发明电路形式新颖，结构简单，成本低，可以满足大部分交流电中直流分量采样的需求，可以运用到各类电气设备中。采用高精度直流分量采样，有利于逆变电路中将采样值加入闭环控制中，精确控制直流分量的大小；隔离直流分量采样，将高压侧和控制侧完全隔离，降低控制侧由于采样带来的噪声，满足高安全性的要求；可以节省电压霍尔传感器，隔离采样的成本大大降低。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为交流电中的直流分量示意图；

图2为传统直流分量检测电路；

图3为交流电中直流分量隔离检测电路；

图4为使用电压霍尔传感器采样的直流分量检测电路。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本申请实施例提供了一种交流电中直流分量的隔离检测电路，如图3所示，包括：检测分量滤波及变送电路、隔离电路和差分放大电路；检测信号从检测分量滤波及变送电路的输入端接入，检测分量滤波及变送电路的输出端与隔离电路的输入端相连，隔离电路的输出端与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端为检测信号的输出端。

检测分量滤波及变送电路，包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9，电容c1、c2、c4，运算放大器n2；r1、r2、r3、r4和c1组成第一级低通滤波电路，电阻r5与c2组成第二级衰减电路。其中，r1、r2、r3、r4依次相连，r1的另一端为检测分量滤波及变送电路的输入端，r4的另一端分别与r5的一端和c1的一端相连，c1的另一端接高压侧地，r5的另一端分别与c2的一端以及n2的正向输入端相连，c2的另一端与r7和r9的一端相连并接高压侧地，r7的另一端分别与r6和r8的一端相连，r6的另一端分别与n2的反向输入端和输出端相连，r8的另一端与c4的一端相连，r9的另一端与c4的另一端相连，c4的两端为检测分量滤波及变送电路的第一输出端和第二输出端，n2为高压侧+5v和-5v双电源供电，r1、r2、r3、r4串联电阻之和与电阻r5阻值相等，电容c1和电容c2容值相等，r8和r9阻值相等；具体地，若采集电压为220v/50hz工频交流电，可选择r1＝r2＝r3＝r4＝50kω，r5＝200kω，c1＝c2＝1uf，r8＝r9＝12ω。优选地，r1，r2，r3，r4的封装和数量可以改变，具体根据电阻的耐压值和低通滤波器的截止频率确定。

工作时，交流分量输入经过第一级低通滤波电路后，交流分量被衰减，直流分量保留；交流分量衰减值由以下公式确定(f为50hz)：

交流分量经过第一级低通滤波电路衰减后进入电阻r5，电阻r5另一端接c2后组成第二级衰减电路，交流分量继续被衰减，直流分量依旧保留，交流分量衰减值由以下公式确定：

经过两次低通滤波后，交流分量可以衰减100db以上，即原幅值的1/100000，若原电压为交流220v(有效值)，则交流分量经二次滤波后幅值衰减到2.2mv以下，不再影响直流分量的检测。

n2周边电路为跟随电路，用来增加输入阻抗，减小输出阻抗。r6和r7组成分压电路，将直流分量调节在芯片电压输入范围内。r8、r9与c4组成差分传输滤波电路，用来匹配长传输线路阻抗。具体地，采集电压为220v/50hz工频交流电，可选择r6＝200ω，r7＝68ω，c4＝330pf。

隔离电路，包括电容c3、c5，线性光耦n1；n1可以用amc1100或hcpl-7840等芯片，根据芯片不同，可以1:1或1:8(k0＝1或k0＝8)传输模拟量，其输入范围为±200mv～±320mv不等。n1的vinp端为隔离电路的第一输入端，与检测分量滤波及变送电路的第一输出端相连，n1的vinn端为隔离电路的第二输入端，与检测分量滤波及变送电路的第二输出端相连，接高压侧经滤波和差分传输后的采集信号；n1的gnd1端与c3的一端相连并接高压侧地，c3的另一端与n1的vdd1端相连并接高压侧+5v电源，n1的vdd2端与c5的一端相连并接信号侧+5v电源，c5的另一端与n1的gnd2端相连并接信号侧地，n1的voutp端和voutn端分别为隔离电路的第一输出端和第二输出端，其中电容c3和电容c5容值相等，为电源端去耦电容，在本发明的一个具体实施例中，取值为0.1uf。

差分放大电路，包括电阻r10、r11、r12、r13、r14，电容c6、c7，运算放大器n3；n3为+5v单电源供电，满量程输出运算放大器；r10的一端为差分放大电路的第一输入端与隔离电路的第一输出端相连，r11的一端为差分放大电路的第二输入端与隔离电路的第二输出端相连，r10的另一端分别与r12的一端、r13的一端、c6的一端和n3的正向输入端相连，c6的另一端与r13的另一端相连并接信号侧地，r12的另一端与信号侧的+5v电源相连；r11的另一端分别与n3的反向输入端相连，并与r14和c7的一端相连，c7的另一端与r14的另一端相连，并与n3的输出端相连，n3的正电源端与信号侧+5v电源相连，n3的负电源端接信号侧地；n3的输出端为差分放大电路的输出端，差分放大器的放大倍数由r11、r14以及r10、r12和r13的阻值确定，其中电阻r10和电阻r11阻值相等，电阻r12和电阻r13并联后的电阻与电阻r14相等，电容c6和电容c7容值相等；差分放大器输出后可接入控制器的模数转换模块。

具体地，若采集电压为220v/50hz工频交流电，取r10＝r11＝r14＝10kω，r12＝r13＝20kω，c6＝c7＝0.01uf，则差分放大倍数为：

进一步地，如图3所示，n2和n3为多路输出运放，在检测电路中只用到一路输出，分别用n2a和n3a表示。c1和c2为交流薄膜电容，耐压63v以上，直插封装。电阻r1～r5为1206封装贴片电阻。其它电阻电容都为贴片0805或更小封装。

检测电路中直流分量从输入到输出的放大倍数为：

由于直流分量可正可负，因此需要在差分放大电路端加入电压偏置，本发明电路中抬高2.5v，达到控制器输入电压的要求。检测电路在采样使用电压霍尔传感器的情况下也可以使用。

在本发明方法的另一个实施例中，采样使用电压霍尔传感器，检测电路也可以改为二级滤波加差分放大的电路隔离，如图4所示，与原电路的不同点在于：

去除了隔离芯片n1，去除了r1，r2，r3，保留r4，可以选择r4＝r5。电压霍尔传感器输出的电压信号较低，因此不再需要多电阻(r1，r2，r3，r4)串联分压，只需保留滤波功能。

综上所述，交流电中直流分量隔离检测电路的工作原理为：高压输入经二次低通滤波后将交流量衰减，直流量保留；滤波后的直流分量进入跟随器，跟随器的输出经分压、差分传输后进入线性光耦进行隔离；线性光耦隔离后的输出经差分放大电路加入偏置后进入控制器的模数转换模块。

本发明有益效果如下：本发明实施例使用了光耦隔离，符合特定场合隔离采样的需求；输入电路形式灵活，可以兼容高压直接接入或者霍尔传感器输出。无积分环节，无噪声影响采样结果的隐患。本发明电路形式新颖，结构简单，成本低，可以满足大部分交流电中直流分量采样的需求，可以运用到各类电气设备中。采用高精度直流分量采样，有利于逆变电路中将采样值加入闭环控制中，精确控制直流分量的大小；隔离直流分量采样，将高压侧和控制侧完全隔离，降低控制侧由于采样带来的噪声，满足高安全性的要求；可以节省电压霍尔传感器，隔离采样的成本大大降低。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。