1 引言
近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和集成控制電路" title="電路">電路的大量使用，快速、準(zhǔn)確和安全地檢測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)電參數(shù)顯得尤為重要。主電路電流的檢測(cè)和保護(hù)電路是影響系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。一般主電路電參數(shù)的檢測(cè)電路需滿(mǎn)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(chǎng)上有許多電流隔離傳感器供用戶(hù)使用，如隔離放大器TPS5904、電流霍爾傳感器等?；魻杺鞲衅饔行阅芨摺⒖煽啃院?、測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍比較廣，但是價(jià)格相對(duì)較貴。IR公司推出的IR2175線性電流傳感器，可以精確地檢測(cè)電流信號(hào)，隔離效果好，價(jià)格又便宜。本文采用IR2175來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路中電流檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)功能的設(shè)計(jì)。
2 IR2175簡(jiǎn)介
線性電流傳感器IR2175包括電流檢測(cè)和保護(hù)電路，可通過(guò)串聯(lián)在主電路中的檢流電阻對(duì)回路電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，不需要A／D轉(zhuǎn)換芯片就能自動(dòng)將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字PWM信號(hào)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" title="接口">接口電路簡(jiǎn)單、無(wú)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(diǎn)。
Ir2175的外形見(jiàn)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(hào)是回路中檢流電阻上的壓降信號(hào)。IR2175的輸出信號(hào)是頻率為130kHz、占空比隨電流大小變化的PWM信號(hào)。輸出占空比范圍為9％～91％；當(dāng)檢流電阻上的壓降為0時(shí)，輸出信號(hào)的占空比為50％；當(dāng)輸入電壓的變化范圍為-260mV～+260mV時(shí)，對(duì)應(yīng)于輸出電壓的變化范圍為9％～91％。當(dāng)檢流電阻上的壓降大于260mV時(shí)，輸出信號(hào)的占空比保持最大值91％；輸入小于-260mV時(shí)，輸出占空比保持最小值9％。因此，當(dāng)檢流電阻上的壓降超過(guò)-260mV～+260mV時(shí)，輸出信號(hào)就不能反映電流的變化了，此時(shí)，在IR2175的OC端將輸出一個(gè)典型寬度為2μs、低電平有效的過(guò)流信號(hào)。PO是開(kāi)漏的PWM輸出腳，由于輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此很容易和工作電壓為3.3V～15V的控制電路進(jìn)行連接，使用時(shí)需要在PO端接一個(gè)上拉電阻。
IR2175的主要特點(diǎn)如下：
(1)具有寬度為2μs的過(guò)電流關(guān)斷信號(hào)輸出，可以直接與微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行連接；
(2)IR2175采用PWM數(shù)字信號(hào)輸出，并且可以采用自舉電源取代專(zhuān)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(dāng)輸入在100mV之內(nèi)時(shí)，帶寬典型值為15kHz。
3 應(yīng)用電路原理及設(shè)計(jì)
3.1 工程背景
基于TR2175的電流傳感器，可應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)、三相逆變器、PWM整流器等場(chǎng)合，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。圖中，由一個(gè)二極管Dbs1和一個(gè)電容器Cbs組成自舉電源。當(dāng)下管Q2導(dǎo)通VS被下拉到0V時(shí)，自舉電容Cbs通過(guò)自舉二極管Dbs1從電源Vcc充電，R1用來(lái)限制充電電流，在VB和VS之間產(chǎn)生高壓端懸浮電壓VBS。當(dāng)上管Q1導(dǎo)通VS被拉到最高電壓時(shí)，VBS是浮動(dòng)的，并且此時(shí)自舉二極管被反向偏置。圖中從COM腳到VS腳連接有一個(gè)二極管Dbs2，因此VS腳最多可以較COM腳低一個(gè)二極管的壓降。
IR2175的模擬輸入信號(hào)為采樣電阻R2兩端的壓降ui，可以對(duì)回路中電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并根據(jù)采樣值判斷是否過(guò)流。當(dāng)采樣電壓VIN+超過(guò)-260mV～+260mV范圍時(shí)，OC端輸出一個(gè)典型寬度為2μs、低電平有效的過(guò)流信號(hào)。IR2175的PO端輸出的是一個(gè)占空比隨電壓變化的PWM波形。
當(dāng)過(guò)流時(shí)，OC端輸出一個(gè)低電平脈沖?？衫面i存電路將2μs的低電平信號(hào)持續(xù)保持在低電平，原理圖如圖3所示。
由于OC端是開(kāi)漏輸出，需要接上拉電阻R1。當(dāng)采樣電壓在-260mV～+260mV范圍內(nèi)時(shí)，鎖存電路輸出喲高電平(15V)；當(dāng)采樣電壓超過(guò)-260mV～+260mV范圍時(shí)，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(dāng)V輸出高電平15V時(shí)，為了由OC端低電平0V使輸出變低，應(yīng)選擇R4=2R2，取R4=20kΩ，R2=4.7kΩ。當(dāng)OC端的2μs低電平過(guò)后，輸出端V持低電平。圖中S為復(fù)位按鈕，選擇R3≤R4／2，可通過(guò)S使輸出V乏位為高電平，取R3=4.7kΩ。
3.3 濾波及運(yùn)算電路的原理
IR2175的PO端輸出一個(gè)占空比可調(diào)的單極性的PWM波形，對(duì)于輸出信號(hào)的處理本文采用由濾波器濾掉載波信號(hào)從而重構(gòu)模擬電流信號(hào)的方法，原理如圖4所示。通過(guò)反相器UID對(duì)輸出PWM波形的幅值進(jìn)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(gè)輸入波形幅值不同而影響檢測(cè)結(jié)果。
檢測(cè)到的輸入信號(hào)ui是交流信號(hào)，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(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)兩路RC濾波電路分別對(duì)反相位的A和B兩路輸出PWM信號(hào)進(jìn)行RC濾波；再由差分運(yùn)算放大器求取二者的差值。
濾波參數(shù)的選擇要在檢測(cè)系統(tǒng)的精度和頻帶之間折衷。為了使輸出Vo紋波較小，設(shè)計(jì)了二階濾波器。若取較小的時(shí)間常數(shù)R6C1、R9C2、R8C3和R11C4，會(huì)使濾波電路輸出波形脈動(dòng)較大；若取較大的時(shí)間常數(shù)，則會(huì)限制檢測(cè)信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到輸入交流信號(hào)時(shí)，PO端口輸出占空比可調(diào)的PWM波形(如圖5，6，7)。圖中1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)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(shí)，輸出占空比為50％(圖5)；輸入最大260mV時(shí)，輸出占空比為91％(圖6)；輸入最小-260mV時(shí)，輸出占空比為9％(圖7)。
當(dāng)檢流電阻上的壓降超過(guò)-260mV～+260mV時(shí)，IR2175的OC端輸出一個(gè)典型值為2μs的低電平有效的過(guò)流信號(hào)(圖8)。圖1號(hào)為輸入交流信號(hào)，2號(hào)為鎖存電路的輸出，3號(hào)為OC端輸出的2μs的過(guò)流信號(hào)，注意到2μs的低電平信號(hào)過(guò)后，由于輸出V過(guò)R3，R8和R16分壓，使得OC端維持約8V電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明電路發(fā)生故障過(guò)流時(shí)，鎖存電路能夠迅速的將低電平信號(hào)鎖住。
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在工頻50Hz的基礎(chǔ)上得到的。本文利用李沙育圖對(duì)電路輸出特性的線性度和延遲角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)觀察示波器上李沙育圖形的形狀來(lái)得到該頻率下的幅值和相位。圖9為50Hz時(shí)的李沙育圖，延遲相位角約為0°；圖10為6kHz時(shí)的李沙育圖，延遲相位角約為62°。在輸入信號(hào)幅值保持200mV時(shí)，50Hz時(shí)的輸出幅值約為4.7V，6kHz時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)的檢測(cè)電路的帶寬可以達(dá)到約6kHz。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的主電路電流隔離檢測(cè)電路，具有電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)的檢測(cè)結(jié)果具有良好的線性度和較大的帶寬，且可以實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流檢測(cè)。