CN106324331B

CN106324331B - 一种隔离电源前端电压采样方法和装置

Info

Publication number: CN106324331B
Application number: CN201510377733.1A
Authority: CN
Inventors: 张超; 陈懿
Original assignee: Datang Semiconductor Design Co Ltd
Current assignee: Datang Semiconductor Design Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN106324331A

Abstract

本发明公开了一种隔离电源前端电压采样装置和方法，包括：隔离电源前端的正、负线分别使用分压电阻网络连接到隔离电源后端的PMU的ADC；在隔离电源前端的正、负线和PMU之间分别串联继电器和开关，在继电器和开关之间加入反相器，且继电器和开关分别连接到MCU；MCU控制继电器和反相器，并控制PMU的ADC分别对隔离电源的正、负线进行电压采样，并根据采样值获得隔离电源的前端电压。通过本发明，能够减少使用外围器件，极大节省了成本和板卡布板面积，而且受外围电路影响比较小。

Description

一种隔离电源前端电压采样方法和装置

技术领域

本发明涉及电压采样技术领域，尤指一种隔离电源前端电压采样方法和装置。

背景技术

由于在电磁兼容性(EMC，Electro Magnetic Compatibility)方面有比较严格的要求，因此在系统电源设计选型时选用了隔离电源模块，在保证使用者人身安全的同时，可以较好地抑制电源前后端之间的串扰。但是，由于产品是电池供电(+12V)设备，需要对电池电量进行检测，在使用隔离电源之后，电源前端和后端没有公共电位参考点，无法使用模拟数字转换器(ADC，Analog_to_digital converter)采样的方式直接对电池电压进行采样检测。

目前，对于隔离电源前端电压采样的方式大多为以下两种方案:

一，使用前端ADC器件采样后、再使用光耦进行数字量的隔离传输。

具体地，如图1所示，隔离电源前端使用ADC器件进行采样，地平面参考Vin_，将采样得到的数字量使用隔离器件，如光耦等，输出至后端MCU进行处理。

但是，这种方式需要增加比较多的外围器件，例如ADC输出为8bit结果，则需要使用8颗光耦进行数字量传输，会导致方案的成本以及布板面积有非常大的上升；另外，隔离器件使用限制条件较多，如电容耦合容易受到周边电路干扰、光耦合器件使用温度范围受限并且成本较高等；再者，其输出信号为并行数字信号，占用比较多的通用输入/输出(GPIO，General Purpose Input Output)资源的同时，对于板卡间信号互联的使用场景也存在一定不便。

二，使用线性光耦。

具体地，典型应用如图2所示，以HCNR201高线性模拟光电耦合器为例，其器件内含一个高性能AlGaAs LED和两个高度匹配的光二极管。其输出信号随输入信号的变化而成比例变化，通过调节外围电阻可以实现输出信号和输入信号的高度线性化。

使用线性光耦器件可以用相对简单的电路结构实现需求，但是，同样存在成本较高的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隔离电源前端电压采样方法和装置，能够减少使用外围器件，极大节省了成本和板卡布板面积，而且受外围电路影响比较小。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种隔离电源前端电压采样装置，包括：隔离电源前端电压采样电路，其中，隔离电源前端的正、负线分别使用分压电阻网络连接到隔离电源后端的电源管理单元PMU的模拟数字转换器ADC；在隔离电源前端的正、负线和PMU之间分别串联继电器和开关，在继电器和开关之间加入反相器，且继电器和开关分别连接到微控制单元MCU；MCU控制继电器、反相器和PMU的ADC分别对隔离电源的正、负线进行电压采样，并根据采样值获得隔离电源的前端电压。

进一步地，所述分压电阻网络为隔离电源后端采样提供残余电压输入，并对隔离电源后端电路进行保护。

进一步地，在进行隔离电源前端电压采样时，所述MCU控制继电器逐路进行通断控制。

进一步地，所述PMU采用两路模拟数字转换器ADC形成第一通道和第二通道；或者，所述PMU采用一路ADC进行切换形成第一通道和第二通道。

进一步地，所述MCU控制继电器、反相器和PMU的ADC分别对隔离电源的正、负线进行电压采样，具体为：MCU控制继电器、反相器和PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道和第二通道。

本发明还提供了一种隔离电源前端电压采样方法，应用于如前所述的隔离电源前端电压采样装置，该方法包括：MCU控制继电器和PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道和第二通道，得到第一采样值；MCU控制开关使用反相器，并控制PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道和第二通道，得到经过了反相处理的第二采样值；根据第一采样值，或者根据第一采样值和第二采样值，确定第一通道真实值Vin_+REF和第二通道真实值Vin_{_REF}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}。

进一步地，所述第一采样值包括第一通道电压Vin₊和第二通道电压Vin_{_}；所述第二采样值包括反相第一通道电压Vin_+N和反相第二通道电压Vin_{_N}。

进一步地，所述根据第一采样值，或者根据第一采样值和第二采样值，确定第一通道真实值Vin_+REF和第二通道真实值Vin_{_REF}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}，具体为：如果不存在负压，第一通道真实值Vin_+REF为第一通道电压Vin₊，第二通道真实值Vin_{_REF}为第二通道电压Vin_{_}，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin_{_}|。

进一步地，所述根据第一采样值，或者根据第一采样值和第二采样值，确定第一通道真实值Vin_+REF和第二通道真实值Vin_{_REF}，具体为：如果存在负压，根据第一通道电压Vin₊和反相第一通道电压Vin_+N来确定第一通道真实值Vin_+REF，根据第二通道电压Vin_{_}和反相第二通道电压Vin_{_N}来确定第二通道真实值Vin_{_REF}。

进一步地，所述根据第一通道电压Vin₊和反相第一通道电压Vin_+N来确定第一通道真实值Vin_+REF，根据第二通道电压Vin_{_}和反相第二通道电压Vin_{_N}来确定第二通道真实值Vin_{_REF}，具体为：由反相器决定，Vin₊和Vin_+N中至少有一个为0，Vin_{_}和Vin_{_N}中至少有一个为0；如果Vin₊为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin_+N和Vin_{_N}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin_{_N}|-|Vin_+N|；如果Vin₊N为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin₊和Vin_{_N}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|+|Vin_{_N}|；如果Vin₊为0，Vin_{_N}为0，其他两个值不为0，则Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin_+N和Vin_{_}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝-(|Vin_+N|+|Vin_{_}|)；如果Vin_+N为0，Vin_{_}N为0，其他两个值不为0，则Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin₊和Vin_{_}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin|；如果Vin₊、Vin_{_}、Vin_+N和Vin_{_N}都为0，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝0。

在本发明中，通过使用MCU控制继电器以分时方式对两根电源线进行逐次通断，并配合分压电阻网络进行残余电压采样；隔离电源后端使用反相器并配合切换开关进行分时采样，用于对出现的负电压进行检测，从而能够使用较少的外围器件实现隔离电源前端电压采样，极大节省了成本和板卡布板面积，而且受外围电路影响比较小。此外，输出为串行接口，因此可直接用于与隔离电源后端MCU相关接口连接。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是现有技术中一种隔离电源前端电压采样的电路示意图。

图2是现有技术中另一种隔离电源前端电压采样的电路示意图。

图3是本发明的一种实施例中隔离电源前端电压采样装置的结构示意图。

图4是本发明的一种实施例中隔离电源前端电压采样方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图3是本发明的一种实施例中隔离电源前端电压采样装置的结构示意图。该隔离电源前端电压采样装置包括隔离电源前端电压采样电路，该电路如图3所示，其中：

隔离电源前端的正、负线分别使用分压电阻网络连接到隔离电源后端的电源管理单元(PMU，Power Management Unit)的模拟数字转换器(ADC，Analog_to_digitalconverter)；

具体地，如图3中的R1～R4电阻形成的分压电阻网络，针对隔离电源前端不同的电压和采样精度需求，使用的电阻规格及数量有不同，在图中使用的R1～R4电阻仅为示意，具体并不限制。隔离电源前端的正、负线分别使用分压电阻网络连接到隔离电源后端的PMU的ADC，该分压电阻网络为隔离电源后端采样提供残余电压输入的同时，也对隔离电源后端电路进行保护，避免两个地平面之间电势差较大损坏隔离电源后端电路。

在隔离电源前端的正、负线和PMU之间分别串联继电器和开关，在继电器和开关之间加入反相器，且继电器和开关分别连接到微控制单元(MCU，Microcontroller Unit)。

具体地，由于电压检测动作并非是一直在进行的，因此在隔离电源前端的正、负线和PMU芯片之间加入了继电器结构，可以在未进行电压检测时关断检测通路，提高电源前后端之间的隔离度。另外，在进行电压采样时，可以由MCU控制继电器逐路进行通断控制，避免在采样时电源前后端间出现的电流回路引入串扰。

由于隔离电源前后端的地平面之间存在电势差，隔离电源前端任何一根线上采样到的残余电压，参考后端地平面都可能为负电压，而PMU芯片内部ADC只能对正电压进行采样，因此在继电器和开关之间加入反相器，用于采集可能出现的负电压。

PMU的ADC分别对隔离电源的正、负线进行电压采样，并根据采样值获得隔离电源的前端电压。

具体地，在PMU中，可以采用两路ADC形成第一通道和第二通道，即ADC1通道和ADC2通道，分别对电源的正、负线进行电压采样。在一个可选的方案中，也可以采用一路ADC进行切换，形成ADC1通道和ADC2通道。此外，在ADC管脚上需要增加对地钳位二极管，防止过高的负电压损坏ADC。

在采样过程中，使用MCU控制继电器(KA1和KA2)对两根电源线进行逐次通断，并配合分压电阻网络以分时方式进行残余电压采样；隔离电源后端使用反相器(V1和V2)并配合切换开关(SW1和SW2)进行分时采样，用于对出现的负电压进行检测。

根据采样到的电压，确定第一通道采样值Vin_+REF和第二通道采样值Vin_{_REF}，隔离电源前段电压即为Vin_+REF-Vin_{_REF}。

具体的采样过程如图4所示，

步骤401，MCU控制继电器和PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道和第二通道，得到第一采样值；

具体地，MCU控制继电器和PMU的ADC，以分时方式分别采样ADC1通道和ADC2通道，得到第一采样值，该第一采样值包括第一通道电压Vin₊和第二通道电压Vin_{_}；

步骤402，MCU控制开关使用反相器，并控制PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道和第二通道，得到经过了反相处理的第二采样值；

具体地，MCU控制开关使用反相器，并控制PMU的ADC，以分时方式分别采样ADC1通道和ADC2通道，得到经过了反相处理的第二采样值，该第二采样值包括反相第一通道电压Vin_+N和反相第二通道电压Vin_{_N}。

步骤403，根据第一采样值，或者根据第一采样值和第二采样值，确定第一通道真实值Vin_+REF和第二通道真实值Vin_{_REF}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}。

具体地，如果不存在负压的情况，采样电源的正、负线可以得到两个通道的Vin₊和Vin_{_}，则第一通道真实值Vin_+REF即为第一通道电压Vin₊，第二通道真实值Vin_{_REF}即为第二通道电压Vin_{_}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin_{_}|。

如果存在负压的情况，由于反相器的存在，采样电源的正、负线得到两个通道的第一采样值Vin₊和Vin_{_}，以及经过了反相处理的第二采样值Vin_+N和Vin_{_N}。根据第一通道电压Vin₊和反相第一通道电压Vin_+N来确定第一通道真实值Vin_+REF，根据第二通道电压Vin_{_}和反相第二通道电压Vin_{_N}来确定第二通道真实值Vin_{_REF}，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}。

在实际情况中，由反相器决定，Vin₊和Vin_+N中必然至少有一个0值存在，Vin_{_}和Vin_{_N}中也必然至少有一个0值存在，则有以下几组可能，可以在算法中加入判断得出两个通道的真实值Vin_+REF和Vin_{_REF}。

(1)如果Vin₊为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，说明此时Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin_+N和Vin_{_N}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin_{_N}|-|Vin_+N|；

(2)如果Vin_+N为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，说明此时Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin₊和Vin_{_N}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|+|Vin_{_N}|；

(3)如果Vin₊为0，Vin_{_N}为0，其他两个值不为0，说明此时Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin_+N和Vin_{_}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝-(|Vin_+N|+|Vin_{_}|)；

(4)如果Vin_+N为0，Vin_{_N}为0，其他两个值不为0，说明此时Vin_+REF和Vin_{_REF}值分别为Vin₊和Vin_{_}，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin_{_}|；

(5)如果都为0，则此通道真实值为0。

下面是几个具体的实例：

例1，

如果不存在负压的情况，采样电源的正、负线得到两个通道的真实采样值分别为：

Vin₊为16V；

Vin_{_}为3V；

则隔离电源前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin_{_}|＝16-3＝13。

例2，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为0；

Vin_+N为2；

Vin_{_}为0；

Vin_{_N}为14；

则此时前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin_{_N}|-|Vin_+N|＝14-2＝12。

例3，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为11；

Vin_+N为0；

Vin_{_}为0；

Vin_{_N}为2；

则此时前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|+|Vin_{_N}|＝11+2＝13。

例4，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为0；

Vin_+N为6；

Vin_{_}为6；

Vin_{_N}为0；

则此时前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝-(|Vin_+N|+|Vin_{_}|)＝-(6+6)＝-12。

例5，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为11；

Vin_+N为0；

Vin_{_}为2；

Vin_{_N}为0；

则此时前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-|Vin_{_}|＝11-2＝9。

例6，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为11；

Vin_+N为0；

Vin_{_}为0；

Vin_{_N}为0；

则此时前端电压值为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|-0＝11-0＝11。

例7，

如果存在负压的情况，经过采样电路后得出四个值：

Vin₊为0；

Vin_+N为0；

Vin_{_}为0；

Vin_{_N}为0；

则此时前端电压值为0。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种隔离电源前端电压采样装置，其特征在于，包括：隔离电源前端电压采样电路，其中，

隔离电源前端的正、负线分别使用分压电阻网络连接到隔离电源后端的电源管理单元PMU的模拟数字转换器ADC；

在隔离电源前端的正、负线和PMU之间分别串联继电器和开关，在继电器和开关之间加入反相器，且继电器和开关分别连接到微控制单元MCU；

MCU控制继电器、控制开关使用反相器和控制PMU的ADC分别对隔离电源的正、负线进行电压采样，并根据采样值获得隔离电源的前端电压，具体包括：以分时方式分别采样第一通道电压Vin₊和第二通道电压Vin_，以及反相第一通道电压Vin_+N和反相第二通道电压Vin__N；

当不存在负压时，以|Vin₊|-|Vin_|作为隔离电源的前端电压；

当存在负压时：

如果Vin₊为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则以|Vin_{_N}|-|Vin_+N|作为隔离电源的前端电压；

如果Vin_+N为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则以|Vin+|+|Vin_N|作为隔离电源的前端电压；

如果Vin₊为0，Vin_{_N}为0，其他两个值不为0，则以-(|Vin_+N|+|Vin_{_}|)作为隔离电源的前端电压；

如果Vin₊、Vin_{_}、Vin_+N和Vin_{_N}都为0，则判定隔离电源前端电压为0。

2.根据权利要求1所述的隔离电源前端电压采样装置，其特征在于，所述分压电阻网络为隔离电源后端采样提供残余电压输入，并对隔离电源后端电路进行保护。

3.根据权利要求1所述的隔离电源前端电压采样装置，其特征在于，在进行隔离电源前端电压采样时，所述MCU控制继电器逐路进行通断控制。

4.根据权利要求1所述的隔离电源前端电压采样装置，其特征在于，所述PMU采用两路ADC形成第一通道和第二通道；或者，

所述PMU采用一路ADC进行切换形成第一通道和第二通道。

5.一种隔离电源前端电压采样方法，应用于如权利要求1～4中任一项所述的隔离电源前端电压采样装置，其特征在于，所述方法包括：

MCU控制继电器、控制开关使用反相器和控制PMU的ADC，以分时方式分别采样第一通道电压Vin₊和第二通道电压Vin_，以及反相第一通道电压Vin_+N和反相第二通道电压Vin__N；

当不存在负压时，隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin__REF＝|Vin₊|-|Vin_|；

当存在负压时：

如果Vin₊为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin_{_N}|-|Vin_+N|；

如果Vin_+N为0，Vin_{_}为0，其他两个值不为0，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝|Vin₊|+|Vin_{_N}|；

如果Vin₊为0，Vin_{_N}为0，其他两个值不为0，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝-(|Vin_+N|+|Vin_{_}|)；

如果Vin₊、Vin_{_}、Vin_+N和Vin_{_N}都为0，则隔离电源前端电压为Vin_+REF-Vin_{_REF}＝0。