一种新型电流隔离检测设计方案

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1 引言 近几年来，随着电力电子技术的飞速发展和集成控制电路的大量使用，快速、准确和安全地检测系统中各个电参数显得尤为重要。主电路电流的检测和保护电路是影响系统可靠、稳定运行的关键之一。一般主电路电参数的检测电路需满足如下两方面的要求，①高精度和高线性度；②具有电气隔离功能。
目前，市场上有许多电流隔离传感器供用户使用，如隔离放大器TPS5904、电流霍尔传感器等。霍尔传感器有性能高、可靠性好、测量精确的优点，因此应用范围比较广，但是价格相对较贵。IR公司推出的IR2175线性电流传感器，可以精确地检测电流信号，隔离效果好，价格又便宜。本文采用IR2175来实现主电路中电流检测和过流保护功能的设计。

2 IR2175简介
线性电流传感器IR2175包括电流检测和保护电路，可通过串联在主电路中的检流电阻对回路电流进行实时采样，不需要A／D转换芯片就能自动将输入模拟信号转换成数字PWM信号输出，其频率典型值为130kHz，可以直接与处理器相连。同传统的霍尔电流传感器相比，IR2175具有温漂低、数字PWM输出、接口电路简单、无需线性隔离光耦及A／D转换器、8脚PDIP或SOIC封装等优点。
Ir2175的外形见图1，其引脚定义如下，其中，高压端与主电路相连，低压端与控制电路相连。
IR2175的推荐工作参数如表1所列：
IR2175的输入信号是回路中检流电阻上的压降信号。IR2175的输出信号是频率为130kHz、占空比随电流大小变化的PWM信号。输出占空比范围为9％～91％；当检流电阻上的压降为0时，输出信号的占空比为50％；当输入电压的变化范围为-260mV～+260mV时，对应于输出电压的变化范围为9％～91％。当检流电阻上的压降大于260mV时，输出信号的占空比保持最大值91％；输入小于-260mV时，输出占空比保持最小值9％。因此，当检流电阻上的压降超过-260mV～+260mV时，输出信号就不能反映电流的变化了，此时，在IR2175的OC端将输出一个典型宽度为2μs、低电平有效的过流信号。PO是开漏的PWM输出脚，由于输出的是数字信号，因此很容易和工作电压为3.3V～15V的控制电路进行连接，使用时需要在PO端接一个上拉电阻。
IR2175的主要特点如下：
(1)具有宽度为2μs的过电流关断信号输出，可以直接与微处理器或数字信号处理器进行连接；
(2)IR2175采用PWM数字信号输出，并且可以采用自举电源取代专用辅助电源，从而可以有效减小器件尺寸，减少元件数目；
(3)隔离耐压较高，可以直接与600V电压的主电路连接。
(4)频带较宽，当输入在100mV之内时，带宽典型值为15kHz。

3 应用电路原理及设计
3.1 工程背景
基于TR2175的电流传感器，可应用于交流电动机、三相逆变器、PWM整流器等场合，其典型应用电路如图2所示。图中，由一个二极管Dbs1和一个电容器Cbs组成自举电源。当下管Q2导通VS被下拉到0V时，自举电容Cbs通过自举二极管Dbs1从电源Vcc充电，R1用来限制充电电流，在VB和VS之间产生高压端悬浮电压VBS。当上管Q1导通VS被拉到最高电压时，VBS是浮动的，并且此时自举二极管被反向偏置。图中从COM脚到VS脚连接有一个二极管Dbs2，因此VS脚最多可以较COM脚低一个二极管的压降。
IR2175的模拟输入信号为采样电阻R2两端的压降ui，可以对回路中电流进行实时采样，并根据采样值判断是否过流。当采样电压VIN+超过-260mV～+260mV范围时，OC端输出一个典型宽度为2μs、低电平有效的过流信号。IR2175的PO端输出的是一个占空比随电压变化的PWM波形。
当过流时，OC端输出一个低电平脉冲。可利用锁存电路将2μs的低电平信号持续保持在低电平，原理图如图3所示。
由于OC端是开漏输出，需要接上拉电阻R1。当采样电压在-260mV～+260mV范围内时，锁存电路输出哟高电平(15V)；当采样电压超过-260mV～+260mV范围时，OC端输出2μs的低电平。采用CMOS4000系列反相器，UIA和UIB构成低电平锁存电路，其输入上阈值不大于2Vcc／3=10V，输入下阈值不小于1Vcc／3=5V。当V输出高电平15V时，为了由OC端低电平0V使输出变低，应选择R4=2R2，取R4=20kΩ，R2=4.7kΩ。当OC端的2μs低电平过后，输出端V持低电平。图中S为复位按钮，选择R3≤R4／2，可通过S使输出V乏位为高电平，取R3=4.7kΩ。
3.3 滤波及运算电路的原理
IR2175的PO端输出一个占空比可调的单极性的PWM波形，对于输出信号的处理本文采用由滤波器滤掉载波信号从而重构模拟电流信号的方法，原理如图4所示。通过反相器UID对输出PWM波形的幅值进行调整，使其输出A为等幅PWM波，从而使滤波后输出的电压幅值完全由占空比决定，经UIC反向得到B。这样就避免了因两个输入波形幅值不同而影响检测结果。
检测到的输入信号ui是交流信号，但PO端输出为单极性的PWM波。为了得到与ui成比例的双极性的检测结果，设计两路RC滤波电路分别对反相位的A和B两路输出PWM信号进行RC滤波；再由差分运算放大器求取二者的差值。
滤波参数的选择要在检测系统的精度和频带之间折衷。为了使输出Vo纹波较小，设计了二阶滤波器。若取较小的时间常数R6C1、R9C2、R8C3和R11C4，会使滤波电路输出波形脉动较大；若取较大的时间常数，则会限制检测信号频带。因PO端口输出频率典型值为130kHz， 综合考虑上述因素，故选择R6=R9=R8=R11=20KΩ，C1=C2=C3=C4=ln。

4 实验结果
经过实验验证，可以得到输入交流信号时，PO端口输出占空比可调的PWM波形(如图5，6，7)。图中1号为输入交流信号，2号为输出单极性的PWM波。从输出波形的局部放大图中可以看出输入为0时，输出占空比为50％(图5)；输入最大260mV时，输出占空比为91％(图6)；输入最小-260mV时，输出占空比为9％(图7)。
当检流电阻上的压降超过-260mV～+260mV时，IR2175的OC端输出一个典型值为2μs的低电平有效的过流信号(图8)。图1号为输入交流信号，2号为锁存电路的输出，3号为OC端输出的2μs的过流信号，注意到2μs的低电平信号过后，由于输出V过R3，R8和R16分压，使得OC端维持约8V电压。实验结果说明电路发生故障过流时，锁存电路能够迅速的将低电平信号锁住。
以上实验结果是在工频50Hz的基础上得到的。本文利用李沙育图对电路输出特性的线性度和延迟角进行了实验研究。通过观察示波器上李沙育图形的形状来得到该频率下的幅值和相位。图9为50Hz时的李沙育图，延迟相位角约为0°；图10为6kHz时的李沙育图，延迟相位角约为62°。在输入信号幅值保持200mV时，50Hz时的输出幅值约为4.7V，6kHz时的输出幅值约为3.273V(图10和图11)，约为4.7V的0.707倍(-3dB)，因此带宽约为6kHz。
实验结果表示电路在低频状况下具有很好的线性度，且有较小的延迟角，本文所设计的检测电路的带宽可以达到约6kHz。

5 结论
本文设计的主电路电流隔离检测电路，具有电路简单，响应速度快，成本低等优点。通过实验表明，本设计的检测结果具有良好的线性度和较大的带宽，且可以实现快速过流检测。