一种用于输出功率控制的交流电压采样电路及其设计方法与流程

本发明属于电子技术领域，主要包括交流分压电路、二阶带通有源滤波电路、高精度全波整流器电路、比较器电路、隔离采样电路；涉及一种用于输出功率控制的交流电压采样电路及其设计方法。

背景技术：

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比例，维持输出电压稳定的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制(pwm)控制芯片(ic)、变压器和开关管(mosfet)构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

为了满足设备需求，开关电源要求输入电压、输出电压的范围宽，当输入电压与输出电压相差较大时，可使用变压器使得既有隔离作用又可以适应宽输出电压范围。在新能源领域中，车载电源需要适应电网电压波动，例如欧洲电压为110v，国内市电(交流输入电压)为220v，市电所指为单相交流电；为满足充电需求，当输入电压降低到一定值时，车载电源不能关机只能降功率运行。

在电动车充电装置中，开关电源输入电压采样电路的目的是根据当前采样到的交流输入电压值按照一定规律实现降功率及关机，防止低输入电压情况下功率开关管(mosfet)的电流过大而可能造成的过热损坏。小功率开关电源的输入电压采样大都直接采用控制芯片(ic)自带的欠压保护功能，输入电压经电阻分压进入ic内部运放的反相输入端，与正相输入端的基准电压相比较，当输入电压小于基准电压时关闭pwm驱动信号，即输入电压低于一定值时直接将开关电源关机。这种方式下的输入电压范围窄，工作时对输入电压有一定要求。

为了实现降功率需在车载电源原边采样实时输入电压，由于实现降功率控制功能的芯片在副边，它需要采集输出电压、输出电流等，根据输入电压大小控制输出电压、输出电流。目前充电机行业大都采用在原边使用单片机的方法进行输入电压的采样。如图1所示，输入电压经过整流、滤波后得到直流分量，经分压电路后，进入到采样电路中；单片机通过adc端口比例电压大小来换算出输入电压的大小，由于两芯片处于隔离状态故二者之间的通讯需经过光耦，由单片机将采样到的输入电压的值通过串口通讯经光耦传输到副边的控制芯片内，控制芯片根据得到的电压大小控制主电路的驱动信号，输出功率得以控制。这种方法一是在采样后进行滤波处理通过串口传输到控制芯片中存在延时、不精准的缺陷，二是需要在原边增加单片机，使得成本增加、电路复杂，不仅仅增加硬件成本，在软件方面也需要增加研发人员的工作量。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术中输入电压采样延时、不精准的技术缺陷，提供一种用于输出功率控制的交流电压采样电路及其设计方法，避免原边单片机采样再传输到副边而造成开关电源采样延时和成本的增加，使得车载电源精准的根据输入电压进行降功率。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于输出功率控制的交流电压采样电路，包括交流分压电路、二阶带通有源滤波电路、高精度全波整流器电路、比较器电路和隔离采样电路，其中交流输入电压输入交流分压电路，交流分压电路输出端与二阶带通有源滤波电路输入端连接，二阶带通有源滤波电路输出端与高精度全波整流器电路输入端连接，高精度全波整流器输出端与比较器电路输入端连接，比较器电路输出端与隔离采样电路输入端连接。

可选的，交流分压电路包括电阻r4和电阻r6，交流输入电压连接到电阻r4再通过电阻r6连接到地线gnd，电阻r4和电阻r6的中心点与二阶带通有源滤波电路的输入端连接；通过改变电阻r和电阻r6的阻值能够改变交流输入电压经分压后的电压大小。

可选的，二阶带通有源滤波电路包括电阻r3、电阻r5、电阻r9，电容c1、电容c3、电容c4以及运放芯片oa1；交流分压电路的输出电压连接到电阻r5再通过电容c3连接到运放芯片oa1的负极输入端；电阻r9的一端连接到电阻r5与电容c3的中心点，另一端连接到地线gnd；运放芯片oa1的输出端通过电容c1和电阻r3分别连接到电阻r5与电容c3的中心点以及运放芯片oa1的负极输入端；正电源vcc通过电阻r12和电阻r15分压后连接到运放芯片oa1的正极输入端，再通过电容c4连接到地线gnd；运放芯片oa1的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd。

可选的，高精度全波整流器电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r7，二极管d1、二极管d2，电容c2以及运放芯片oa2、oa3；二阶带通有源滤波电路的输出端连接到运放芯片oa2的正极输入端，其负极输入端通过二极管d1和电容c2并联以及电阻r1连接到输出端和运放芯片oa3的负极输入端，其输出端再通过二极管d2连接到运放芯片oa3的正极输入端；运放芯片oa3的负极输入端通过电阻r2连接到其输出端，其正极输入端则通过电阻r7连接到地线r7；运放芯片oa2、oa3的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；高精度全波整流器电路将正弦交流电转换为直流电。

可选的，比较器电路包括稳压芯片、运放芯片oa4、电阻r11、电阻r13和电阻r16，稳压芯片与电阻r11、电阻r13、电阻r16用以产生精准稳定的直流电压，该直流电压连接到运放芯片oa4的负极电压输入端；高精度全波整流器电路的输出端连接到运放芯片oa4的正极电压输入端；运放芯片oa4的正、负极输入电压通过运放芯片进行比较，进而在运放芯片输出端产生幅值为vcc的方波信号。

可选的，隔离采样电路中隔离电路部分包括隔离光耦，电阻r10、电阻r14、电阻r8，比较器电路的输出端通过电阻r10与隔离光耦的第一端口连接，隔离光耦的第二端口通过电阻r14接gnd，隔离光耦的第三端口通过电阻r8连接电源，隔离光耦的第四端口接sgnd。

本发明还提供了一种用于输出功率控制的交流电压采样电路设计方法，包括如下设计步骤：

(1)建立交流分压电路，包括电阻r4和电阻r6，交流输入电压连接到电阻r4再通过电阻r6连接到地线gnd，通过改变电阻r4和电阻r6的阻值能够改变交流输入电压经分压后的电压大小；设定经交流分压电路得到的电压大小为v1，经交流分压电路得到的电压v1与交流输入电压vin的关系为：

(2)建立二阶带通有源滤波电路，包括电阻r3、电阻r5、电阻r9，电容c1、电容c3、电容c4以及运放芯片oa1；交流分压电路的输出电压连接到电阻r5再通过电容c3连接到运放芯片oa1的负极输入端；电阻r9的一端连接到电阻r5与电容c3的中心点，另一端连接到地线gnd；运放芯片oa1的输出端通过电容c1和电阻r3分别连接到电阻r5与电容c3的中心点以及运放芯片oa1的负极输入端；正电源vcc通过电阻r12、r15分压后连接到运放芯片oa1的正极输入端，再通过电容c4连接到地线gnd；运放芯片oa1的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；令c1＝c3＝c，req是r1和r2并联的值，bw代表滤波电路的频带宽度，fc代表设定的中心频率，设定q代表品质因数，那么便得到如下公式：

(3)建立高精度全波整流器电路，包括电阻r1、电阻r2、电阻r7，二极管d1、二极管d2，电容c2以及运放芯片oa2、oa3；二阶带通有源滤波电路的输出端连接到运放芯片oa2的正极输入端，其负极输入端通过二极管d1和电容c2并联以及电阻r1连接到输出端和运放芯片oa3的负极输入端，其输出端再通过二极管d2连接到运放芯片oa3的正极输入端；运放芯片oa3的负极输入端通过电阻r2连接到其输出端，其正极输入端则通过电阻r7连接到地线r7；运放芯片oa2、oa3的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；设定高精度全波整流器电路的输入电压为v2，输出电压为v3；

1)选择正输入信号的增益：

2)选择负输入信号的增益：

3)选择r1、r2、r7具有相同的电阻值：

r1＝r2＝r7；

4)基于所需的瞬态响应选择c2。

(4)建立比较器电路，包括稳压芯片、运放芯片oa4、电阻r11、电阻r13、电阻r16，稳压芯片与电阻r11、电阻r13、电阻r16用以产生精准稳定的直流电压，该直流电压连接到运放芯片oa4的负极电压输入端；高精度全波整流器电路的输出端连接到运放芯片oa4的正极电压输入端；设定运放芯片正极输入电压为vp，负极输入电压为vn，稳压芯片的输出电压与运放芯片负极输入电压关系为：

设定运放芯片oa4的输出波形的占空比为d，该占空比与运放芯片正极输入电压以及负极输入电压的关系为：

(5)建立隔离采样电路，其中隔离电路部分包括隔离光耦，电阻r10、电阻r14、电阻r8，比较器电路的输出端通过电阻r10与隔离光耦的第一端口连接，隔离光耦的第二端口通过电阻r14接gnd，隔离光耦的第三端口通过电阻r8连接电源，隔离光耦的第四端口接sgnd。

(6)通过步骤(1)到步骤(4)提供的公式和方法，得到占空比d与交流输入电压值的关系为：

(7)当交流输入电压发生变化时，运放芯片oa4输出的电压方波信号的占空比也随之变化，通过控制芯片内部的ecap模块对该占空比进行测量，并通过步骤(6)提供的公式和方法计算出交流输入电压值。

进一步的，运放芯片oa1为双路高速低噪声运算放大器，其型号为mc33078；运放芯片oa2、oa3为二路低噪声高速jfet输入运算放大器，其型号为tle2072；运放芯片oa4为低功耗双运算放大器，其型号为lm258。

进一步的，稳压芯片为三端可调分流基准电压源，其型号为tl431；隔离光耦为小外型耦合器，其型号为tlp185。

进一步的，控制芯片为dsp，其型号为tms320f28035。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)避免了在原边增加单片机或使用价格较贵的隔离采样器件对交流输入电压进行采样，减小了硬件设计难度以及节省了设计成本；

(2)相比于使用变压器进行隔离采样，本发明利用了隔离光耦实现了原副边的电气隔离，避免了车载电源负载发生改变时，变压器匝间电压改变而造成的采样偏离，实现了更精准的电压采样以及降功率控制；

(3)利用二阶带通有源滤波电路对交流电压进行滤波，使得交流电压信号仅保持频率在交流输入电压基波频率附近的部分，最大程度地保证了所采样地交流电压信号的正弦性，在后续使用公式计算交流电压值时得到的结果更加准确，从而使得降功率控制更加精准；

(4)利用高精度全波整流器电路对交流信号进行整流而不使用传统的二极管整流的方式，避免了二极管压降对整流结果的影响。

附图说明

图1是通过电平采样交流输入电压原理图；

图2是本发明控制系统原理图；

图3是隔离式交流电压采样电路图；

图4是交流输入电压转换为占空比信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2和3所示，一种用于输出功率控制的交流电压采样电路，包括交流分压电路、二阶带通有源滤波电路、高精度全波整流器电路、比较器电路和隔离采样电路，其中交流输入电压输入交流分压电路，交流分压电路的输出与二阶带通有源滤波电路的输入连接，二阶带通有源滤波电路的输出与高精度全波整流电路的输入连接，高精度全波整流电路的输出与比较器电路的输入连接，比较器电路的输出与隔离采样电路的输入连接；隔离采样电路采用光耦隔离。

如图3所示，交流分压电路包括电阻r4、r6，交流输入电压连接到电阻r4再通过电阻r6连接到地线gnd，通过改变电阻r4、r6的阻值可以改变交流输入电压经分压后的电压大小；交流分压电路的功能在于将高压交流输入经过分压得到低压交流输入，使得后级电路中的运算放大器工作在合理的电压范围。

二阶带通有源滤波电路包括电阻r3、r5、r9，电容c1、c3、c4以及运放芯片oa1；交流分压电路的输出电压连接到r5再通过电容c3连接到运放芯片oa1的负极输入端(2号引脚)；电阻r9的一端连接到电阻r5与电容c3的中心点，另一端连接到地线gnd；运放芯片oa1的输出端(1号引脚)通过电容c1和电阻r3分别连接到电阻r5与电容c3的中心点以及运放芯片oa1的负极输入端；正电源vcc通过电阻r12、r15分压后连接到运放芯片oa1的正极输入端，再通过电容c4连接到地线gnd；运放芯片oa1的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；这种二阶带通有源滤波电路的上限截止频率和下限截止频率可以非常接近，具有非常强的频率选择特性，它可以使通过滤波器的交流电压仅保留频率在交流输入电压基波频率附近附件的部分，保证了后续采样的交流信号的良好的正弦性，也使得采样得到的交流电压值更加精确。

高精度全波整流器电路包括电阻r1、r2、r7，二极管d1、d2，电容c2以及运放芯片oa2、oa3；二阶带通有源滤波电路的输出端连接到运放芯片oa2的正极输入端，其负极输入端通过二极管d1和电容c2并联以及电阻r1连接到输出端和运放芯片oa3的负极输入端，其输出端再通过二极管d2连接到运放芯片oa3的正极输入端；运放芯片oa3的负极输入端通过电阻r2连接到其输出端，其正极输入端则通过电阻r7连接到地线r7；运放芯片oa2、oa3的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；高精度全波整流器电路将正弦交流电转换为直流电，相较于一般的二极管整流电路它的整流输出波形与输入波形的相符程度更高，整流器输出电压随输入电压按线性变化，从零开始分辨，避免了二极管压降对输出电压值的影响。

比较器电路包括稳压芯片、运放芯片oa4、电阻r11、r13、r16，稳压芯片与电阻r11、r13、r16用以产生精准稳定的直流电压，该直流电压连接到运放芯片oa4的负极电压输入端；高精度全波整流器电路的输出端连接到运放芯片oa4的正极电压输入端；运放芯片oa4的正、负极输入电压通过运放芯片进行比较，进而在运放芯片输出端产生幅值为vcc的方波信号。其中，运放芯片产生方波信号的原理为：当正极输入电压大于负极输入电压时，运放芯片输出高电平，当正极输入电压低于负极输入电压时，运放芯片输出低电平。由此，当交流输入电压发生改变时，经分压电路、整流电路后得到的电压值亦发生改变，故通过运放芯片得到的方波信号的占空比也随之改变，实现了将电压信号转换为占空比信号的功能。

隔离采样电路中隔离电路部分包括隔离光耦，电阻r10、r14、r8，比较器电路的输出端通过电阻r10与隔离光耦的第一端口连接，隔离光耦的第二端口通过电阻r14接gnd，隔离光耦的第三端口通过电阻r8连接电源，隔离光耦的第四端口接sgnd。由于车载电源原边与副边不共地，隔离光耦实现了原边电压信号与副边控制芯片的电气隔离；采样部分包括控制芯片及其外围电路，采样电路的功能为利用控制芯片内部的增强型捕获模块(ecap)模块完成对占空比信号的采样，再利用采样到的占空比计算得到原边的交流输入电压信号，进而实现后续的降功率控制功能。

交流输入电压信号转换到占空比信号的过程如图4所示。交流输入电压信号为正弦波，经过交流分压电路、二阶带通有源滤波电路、高精度全波整流器电路得到的波形为只有正半周的正弦半波，该正弦半波与固定的电压值比较后得到占空比信号进而通过控制芯片进行采样。

一种用于输出功率控制的交流电压采样电路设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立交流分压电路，包括电阻r4、r6，交流输入电压连接到电阻r4再通过电阻r6连接到地线gnd，通过改变电阻r4、r6的阻值可以改变交流输入电压经分压后的电压大小；设定所述电阻r4、r6的阻值分别为r4、r6，设定经交流分压电路得到的电压大小为v1，那么便可以得到如下公式：

经交流分压电路得到的电压v1与交流输入电压vin的关系为：

步骤2：建立二阶带通有源滤波电路，包括电阻r3、r5、r9，电容c1、c3、c4以及运放芯片oa1；交流分压电路的输出电压连接到r5再通过电容c3连接到运放芯片oa1的负极输入端(2号引脚)；电阻r9的一端连接到电阻r5与电容c3的中心点，另一端连接到地线gnd；运放芯片oa1的输出端(1号引脚)通过电容c1和电阻r3分别连接到电阻r5与电容c3的中心点以及运放芯片oa1的负极输入端；正电源vcc通过电阻r12、r15分压后连接到运放芯片oa1的正极输入端，再通过电容c4连接到地线gnd；运放芯片oa1的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；设定所述电阻r3、r5、r9的阻值分别为r3、r5、r9，设定所述电容c1、c3、c4的电容值分别为c1、c3、c4，令c1＝c3＝c，req是r1和r2并联的值，bw代表滤波电路的频带宽度，fc代表设定的中心频率即50hz，设定q代表品质因数，那么便可以得到如下公式：

可以通过让r3的值远大于req来获得更大的q值。q值越大，频率选择特性越好；

步骤3：建立高精度全波整流器电路，包括电阻r1、r2、r7，二极管d1、d2，电容c2以及运放芯片oa2、oa3；二阶带通有源滤波电路的输出端连接到运放芯片oa2的正极输入端，其负极输入端通过二极管d1和电容c2并联以及电阻r1连接到输出端和运放芯片oa3的负极输入端，其输出端再通过二极管d2连接到运放芯片oa3的正极输入端；运放芯片oa3的负极输入端通过电阻r2连接到其输出端，其正极输入端则通过电阻r7连接到地线r7；运放芯片oa2、oa3的正负供电端分别连接到正电压vcc和地线gnd；设定高精度全波整流器电路的输入电压为v2，输出电压为v3，设定所述电阻r1、r2、r7的阻值为r1、r2、r7，设定所述电容c2的容值为c2。

1)选择正输入信号的增益：

2)选择负输入信号的增益：

3)选择r1、r2、r7具有相同的电阻值：

r1＝r2＝r7(7)；

4)基于所需的瞬态响应选择c2；

在建立高精度全波整流器时需要注意需要选择具有足够带宽和较高转换速率的运算放大器，如果需要实现较高的精度需要使用具有低失调电压、低噪声和低总谐波失真(thd)的运算放大器，设计中选择的是具有0.1％容差的电阻器以降低增益误差，二极管需选择快速转换的类型。

步骤4：建立比较器电路，包括稳压芯片、运放芯片oa4、电阻r11、r13、r16。稳压芯片与电阻r11、r13、r16用以产生精准稳定的直流电压，该直流电压连接到运放芯片oa4的负极电压输入端；高精度全波整流器电路的输出端连接到运放芯片oa4的正极电压输入端；设定所述电阻r11、r13、r16的阻值为r11、r13、r16，设定运放芯片正极输入电压为vp，负极输入电压为vn，稳压芯片的输出电压与运放芯片负极输入电压关系为：

设定运放芯片oa4的输出波形的占空比为d，该占空比与运放芯片正极输入电压以及负极输入电压的关系为：

步骤5：建立隔离采样电路，其中隔离电路部分包括隔离光耦，电阻r10、r14、r8，由于车载电源原边与副边不共地，隔离光耦实现了原边电压信号与副边控制芯片的电气隔离；采样部分包括控制芯片及其外围电路，采样电路的功能为利用控制芯片内部的增强型捕获模块(ecap)模块完成对占空比信号的采样，再利用采样到的占空比计算得到原边的交流输入电压信号，进而实现后续的降功率控制功能。

步骤6：通过步骤1到步骤4提供的公式和方法，得到占空比d与交流输入电压值的关系为：

步骤7：当交流输入电压发生变化时，如交流输入电压下降，运放芯片oa4输出的电压方波信号的占空比也随之下降，通过控制芯片内部的ecap模块对该占空比进行测量，并通过步骤6提供的公式和方法计算出交流输入电压值。

优选的，所述运放芯片oa1为双路高速低噪声运算放大器，其型号为mc33078；

优选的，所述运放芯片oa2、oa3为二路低噪声高速jfet输入运算放大器，其型号为tle2072；

优选的，所述运放芯片oa4为低功耗双运算放大器，其型号为lm258；

优选的，所述稳压芯片为三端可调分流基准电压源，其型号为tl431；

优选的，所述隔离光耦为小外型耦合器，其型号为tlp185；

优选的，所述控制芯片为dsp，其型号为tms320f28035。

本发明是对于车载充电机在输入电压低于一定值时，通过采样交流输入电压后根据输入电压大小进行输出功率控制的一种方法。例如当输入电压为200v时开始降功率直到输入电压为80v时关闭，在200v-80v之间车载电源处于线性降功率状态。一般大功率车载电源都有功率因数校正(pfc)电路，在输入电压为90v时经过升压后可以输出部分功率。一种降功率方法为：当输入电压小于200v时开始降功率。输入电压等于90v时，输出功率为总功率的25％；输入电压每降1v输出功率降75％/(200-90)＝0.655％；本发明要解决的问题是在原边无单片机或不使用价格较贵的隔离采样器件的情况下通过将交流输入电压信号转换为占空比信号，实现对交流输入电压的采样，具有价格低、实时性好等优点。

本发明所述的一种用于输出功率控制的交流电压采样电路与设计方法，解决了输入电压采样延时、采样结果不精准的技术不足，避免了在原边增加单片机采样再传输到副边或者使用价格较昂贵的压频转换芯片而造成的成本的增加，本发明通过将交流输入信号转换为占空比信号，再利用副边的控制芯片将采样得到的占空比信号计算得到交流输入电压，在减小了设计难度、降低了设计成本的同时实现了输入电压的精确测量以及输出功率的精准控制。