CN104280592B - 一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，涉及直流电压测量领域。现有的磁隔离型直流电压检测电路存在的需要单独供电和整流二极管压降补偿电路复杂的不足的问题。本发明包括输入电压端、高频逆变电路、高频变压器、自补偿高频整流电路、输出电压端、控制及驱动电路和供电电路；供电电路与输入电压端相连以为控制及驱动电路提供电能；控制及驱动电路与高频逆变电路相连，控制及驱动电路输出驱动脉冲直接驱动高频逆变电路；高频逆变电路与输入电压端连接。本技术方案无需单独供电和高等级器件且能实现整流二极管压降的自补偿，具有电路结构简单、测量精度高、成本较低和高频变压器体积小的优点。

Description

一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路
技术领域
本发明涉及直流电压测量领域，更具体的是一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路。
背景技术
现有隔离型直流电压检测电路主要是基于霍尔电压传感器和光电耦合器。霍尔电压传感器应用广泛，但是成本高，而且需要单独的供电电源；光电耦合器的成本较高，而且由于光耦的非线性导致测量精度较低，同时也需要单独的供电电源。
磁隔离是一种最常用的电气隔离方式，但是主要应用在交流场合。磁隔离应用到直流场合时，需要将直流输入信号先转换成变压器可以传输的交流信号，然后再经过整流得到直流输出信号，其中的整流部分由于整流二极管存在导通压降，会影响电压检测精度，因此在实际应用时需要进行整流二极管压降补偿。
发明专利201310288268.5提出了一种直流电压隔离采样电路，但是该电路的变压器原边和副边都有运算放大器，都需要单独供电，而且整流二极管压降补偿电路复杂。归纳起来，现有的磁隔离型直流电压检测电路存在的需要单独供电和整流二极管压降补偿电路复杂的不足。
发明内容
为了解决现有技术的不足，提供一种无需单独供电、整流二极管压降补偿电路简单的磁隔离型直流电压检测电路，本发明公开了一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：包括输入电压端、高频逆变电路、高频变压器、自补偿高频整流电路、输出电压端、控制及驱动电路和供电电路；供电电路与输入电压端相连以为控制及驱动电路提供电能；控制及驱动电路与高频逆变电路相连，控制及驱动电路输出驱动脉冲直接驱动高频逆变电路；高频逆变电路与输入电压端连接，以对输入电压进行逆变并输出高频交流信号，该信号经过高频变压器传输到自补偿高频整流电路，自补偿高频整流电路将高频交流信号变换为直流信号，同时实现整流二极管压降自补偿得到输出电压端的输出电压。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
进一步的，高频逆变电路包括开关管Q21、开关管Q22、隔直电容C21、电阻R21和电阻R22；开关管Q21和开关管Q22串联连接形成半桥电路再并联在输入电容C11两端，串联连接点处再经过隔直电容C21与高频变压器相连；电阻R21和电阻R22分别接在开关管Q21和开关管Q22的驱动侧。
进一步的，高频变压器的副边为一个带中心抽头的绕组或两个匝数相同的绕组；当副边为一个带中心抽头的绕组时，副边绕组的三个抽头分别与自补偿高频整流电路的三个接线端子依次电连接；当副边为两个匝数相同的绕组时，两个副边绕组的异名端直接相连形成中间抽头，再与另外两个抽头一起，分别与自补偿高频整流电路的三个接线端子依次电连接。
进一步的，自补偿高频整流电路包括整流二极管D41、滤波电容C41、整流二极管D42、滤波电容C42和输出电容C43；整流二极管D41和整流二极管D42采用型号相同的高频二极管；整流二极管D41和滤波电容C41构成一个半波整流电路，整流二极管D42和滤波电容C42构成另一个半波整流电路；滤波电容C41和滤波电容 C42的负端直接相连形成公共端；输出电容C43的负端与滤波电容 C42的正端相连，输出电容C43的正端与滤波电容 C41的正端相连，这种连接方式可以实现整流二极管压降的自动消除，并在输出电容C43两端得到不含整流二极管压降的输出电压端的输出电压。
进一步的，控制及驱动电路输出两路占空比相同且在45%至55%之间、相位相差180度的两路频率可调的驱动脉冲信号，一路驱动脉冲信号经过高频逆变电路电阻R21与开关管Q21的门极相连，另一路驱动脉冲信号经过高频逆变电路电阻R22与开关管Q22的门极相连。
更进一步的，控制及驱动电路包括控制芯片U61、驱动芯片U62、控制芯片外围电路、驱动芯片外围电路，控制芯片U61输出两路驱动脉冲并与驱动芯片U62信号输入引脚直接相连；控制芯片外围电路包括时钟电阻R62和时钟电容C61，所述的控制及驱动电路的时钟频率通过时钟电阻R62和时钟电容C61调节。
进一步的，控制芯片U61选用SG3525，控制芯片外围电路包括电阻R61、时钟电阻R62、电阻R63、时钟电容C61、电容C62、电容C63和电容C64，所述的电阻R61、时钟电阻R62、电阻R63、时钟电容C61、电容C62、电容C63一端与控制芯片U61对应的引脚相连，电阻R61、时钟电阻R62、时钟电容C61、电容C62、电容C63的另一端为接地端，所述的电阻R63通过电容C64接地，所述的电容C63一端与电阻R63的控制芯片U61连接端电连接，电容C63的另一端为接地端；所述的驱动芯片U62选用IR2110，驱动芯片外围电路包括二极管D61、电容C65、电容C66和电容C67；所述的二极管D61、电容C65、电容C66和电容C67分别与驱动芯片U62的引脚相连。
供电电路包含电容C71、电容C72、稳压管Z71和电阻R71；电阻R71并联在电容C71两端，稳压管Z71并联在电容C72两端；电容C71和电容C72串联连接，电容C71的正端与输入电压的正端相连，电容C72的负端与输入电压的负端相连，由电容C72向控制及驱动电路提供电能。
本发明的有益效果是：与现有的基于霍尔电压传感器或线性光电耦合器的电路相比，本技术方案无需单独供电和高等级器件，测量电路简单且成本较低；同时由于高频技术的采用，变压器体积小；整流二极管压降自补偿技术降低了电路的复杂性也提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明功能示意框图。
图2是本发明电路原理图。
图3是本发明高频变压器的绕组结构及连接图。
图中：1-输入电压，2-高频逆变电路，3-高频变压器，4-自补偿高频整流电路，5-输出电压，6-控制及驱动电路，7-供电电路。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
实施例1
本发明包括输入电压1、高频逆变电路2、高频变压器3、自补偿高频整流电路4、输出电压5、控制及驱动电路6和供电电路7。具体连接关系是：如图1中，供电电路7直接取电自输入电压1，为控制及驱动电路6提供电能。控制及驱动电路6输出驱动脉冲直接驱动高频逆变电路2；高频逆变电路2对输入电压1进行逆变并输出高频交流信号，该信号经过高频变压器3传输到自补偿高频整流电路4，自补偿高频整流电路4将高频交流信号变换为直流信号，同时实现整流二极管压降自补偿得到输出电压5。
图2中，高频逆变电路2包括开关管Q21、开关管Q22、隔直电容C21、电阻R21和电阻R22；开关管Q21和开关管Q22串联连接形成半桥电路再并联在输入电容C11两端，串联连接点处再经过隔直电容C21与高频变压器3相连。电阻R21和电阻R22分别接在开关管Q21和开关管Q22的驱动侧。由于控制及驱动电路6的驱动信号占空比接近50%，高频逆变电路2的脉冲输出经过隔直电容C21的作用在变压器原边得到平均值为零且幅值为Vin/2的方波信号。
高频变压器T31的原边有两个抽头，分别为WP11和WP12，原边绕组与高频逆变电路2的两个接线端子依次电连接，连接关系为：WP11接P1，WP12接P2。高频变压器T31的副边为一个带中心抽头的绕组，三个抽头分别为WS11、WS12和WS13。副边绕组的三个抽头分别与自补偿高频整流电路4的三个接线端子依次电连接，接线关系为：WS11接P3，WS12接P4，WS13接P5。高频变压器T31的匝比为n:1:1。
自补偿高频整流电路4包括整流二极管D41、滤波电容C41、整流二极管D42、滤波电容C42和输出电容C43。整流二极管D41和整流二极管D42采用型号相同的高频二极管，二极管的导通压降为VD。整流二极管D41和滤波电容C41构成一个半波整流电路，滤波电容C41两端电压Vo1=Vin/n-VD，整流二极管D42和滤波电容C42构成另一个半波整流电路，滤波电容C42两端电压Vo2=Vin/(2×n)-VD。滤波电容C41和滤波电容 C42的负端直接相连形成公共端。输出电容C43的负端与滤波电容 C42的正端相连，输出电容C43的正端与滤波电容 C41的正端相连，这种连接方式可以实现整流二极管压降的自动消除，在输出电容C43两端得到不含整流二极管压降的输出电压5，输出电压Vo=Vo1-Vo2=Vin/(2×n)。
控制及驱动电路6中的控制芯片U61选用SG3525，其外围电路分别接有电阻R61、时钟电阻R62、电阻R63、时钟电容C61、电容C62、电容C63和电容C64。驱动芯片U62选用IR2110，其外围电路接有二极管D61、电容C65、电容C66和电容C67。控制芯片U61的时钟频率是通过时钟电阻R62和时钟电容C61来调节的，其两路驱动输出Aout和Bout分别与驱动芯片U62的LIN和HIN直接相连。
供电电路7包含电容C71、电容C72、稳压管Z71和电阻R71。电阻R71并联在电容C71两端，稳压管Z71并联在电容C72两端。电容C71和电容C72串联连接，电容C71的正端与输入电压1的正端相连，电容C72的负端与输入电压1的负端相连，由电容C72向控制及驱动电路6提供电能。
实施例2
与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：本实施例使用时，除了高频变压器T32与实施例1的高频变压器T31不同，其余的结构和连接关系均相同。
高频变压器T32的原边有两个抽头，分别为WP21和WP22，原边绕组与高频逆变电路2的两个接线端子依次电连接，连接关系为：WP21接P1，WP22接P2。高频变压器T32的副边为两个匝数相同的绕组，四个抽头分别为WS21、WS22、WS23和WS24，其中WS22和WS23直接连接形成中间抽头。副边绕组的三个抽头再分别与自补偿高频整流电路4的三个接线端子依次电连接，接线关系为：WS21接P3，WS22接P4，WS24接P5。高频变压器T32的匝比为n:1:1。
以上所述是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步说明，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：包括输入电压端（1）、高频逆变电路（2）、高频变压器（3）、自补偿高频整流电路（4）、输出电压端（5）、控制及驱动电路（6）和供电电路（7）；供电电路（7）与输入电压（1）端相连以为控制及驱动电路（6）提供电能；控制及驱动电路（6）与高频逆变电路（2）相连，控制及驱动电路（6）输出驱动脉冲直接驱动高频逆变电路（2）；高频逆变电路（2）与输入电压端（1）连接，以对输入电压进行逆变并输出高频交流信号，该信号经过高频变压器（3）传输到自补偿高频整流电路（4），自补偿高频整流电路（4）将高频交流信号变换为直流信号，同时实现整流二极管压降自补偿得到输出电压端（5）的输出电压；高频变压器（3）的副边为一个带中心抽头的绕组或两个匝数相同的绕组；当副边为一个带中心抽头的绕组时，副边绕组的三个抽头分别与自补偿高频整流电路（4）的三个接线端子依次电连接；当副边为两个匝数相同的绕组时，两个副边绕组的异名端直接相连形成中间抽头，再与另外两个抽头一起，分别与自补偿高频整流电路（4）的三个接线端子依次电连接。
2.根据权利要求1所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：高频逆变电路（2）包括开关管Q21、开关管Q22、隔直电容C21、电阻R21和电阻R22；开关管Q21和开关管Q22串联连接形成半桥电路再并联在输入电容C11两端，串联连接点处再经过隔直电容C21与高频变压器（3）相连；电阻R21和电阻R22分别接在开关管Q21和开关管Q22的驱动侧。
3.根据权利要求1所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：自补偿高频整流电路（4）包括整流二极管D41、滤波电容C41、整流二极管D42、滤波电容C42和输出电容C43；整流二极管D41和整流二极管D42采用型号相同的高频二极管；整流二极管D41和滤波电容C41构成一个半波整流电路，整流二极管D42和滤波电容C42构成另一个半波整流电路；滤波电容C41和滤波电容 C42的负端直接相连形成公共端；输出电容C43的负端与滤波电容C42的正端相连，输出电容C43的正端与滤波电容 C41的正端相连，以实现整流二极管压降的自动消除，并在输出电容C43两端得到不含整流二极管压降的输出电压端（5）的输出电压。
4.根据权利要求2所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：控制及驱动电路（6）输出占空比相同且在45%至55%之间、相位相差180度的两路频率可调的驱动脉冲信号，一路驱动脉冲信号经过高频逆变电路（2）电阻R21与开关管Q21的门极相连，另一路驱动脉冲信号经过高频逆变电路（2）电阻R22与开关管Q22的门极相连。
5.根据权利要求4所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：控制及驱动电路（6）包括控制芯片U61、驱动芯片U62、控制芯片外围电路、驱动芯片外围电路，控制芯片U61输出两路驱动脉冲并与驱动芯片U62信号输入引脚直接相连；控制芯片外围电路包括时钟电阻R62和时钟电容C61，所述的控制及驱动电路（6）的时钟频率通过时钟电阻R62和时钟电容C61调节。
6.根据权利要求5所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：控制芯片U61选用SG3525，控制芯片外围电路包括电阻R61、时钟电阻R62、电阻R63、时钟电容C61、电容C62、电容C63和电容C64，所述的电阻R61、时钟电阻R62、电阻R63、时钟电容C61、电容C62、电容C63一端与控制芯片U61对应的引脚相连，电阻R61、时钟电阻R62、时钟电容C61、电容C62、电容C63的另一端为接地端，所述的电阻R63通过电容C64接地，所述的电容C63一端与电阻R63的控制芯片U61连接端电连接，电容C63的另一端为接地端；所述的驱动芯片U62选用IR2110，驱动芯片外围电路包括二极管D61、电容C65、电容C66和电容C67；所述的二极管D61、电容C65、电容C66和电容C67分别与驱动芯片U62的引脚相连。
7.根据权利要求1所述的一种无源无损高频磁隔离型直流电压检测电路，其特征在于：供电电路（7）包含电容C71、电容C72、稳压管Z71和电阻R71；电阻R71并联在电容C71两端，稳压管Z71并联在电容C72两端；电容C71和电容C72串联连接，电容C71的正端与输入电压（1）的正端相连，电容C72的负端与输入电压（1）的负端相连，由电容C72向控制及驱动电路（6）提供电能。
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