CN110829400A - 一种模拟量采集雷电防护电路 - Google Patents

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郝琪伟
梁发金
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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Abstract

本发明提供一种模拟量采集雷电防护电路，包括前端雷电防护电路、光耦隔离电路和滤波稳压电路，前端雷电防护电路通过TVS管抑制瞬时高压，防止破坏后端电路，提高了分压的准确性和稳定性，光耦隔离电路实现电气隔离；光耦隔离电路输出信号经分压、滤波后，经跟随电路后由稳压电路稳压滤波，而后模拟量采集输出信号输出。本发明的模拟量采集雷电防护电路，解决了雷电防护电路对TVS管的高功率要求，节约成本。

Description

一种模拟量采集雷电防护电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种模拟量采集雷电保护电路。
背景技术
目前的模拟量采集保护电路，一般通过增加光耦等隔离器件来对采样电路进行保护，这种方式的电路将采集电路与处理器采集管脚隔离开来，能够保护采集芯片。但是仅加光耦无法起到雷电防护的作用，当瞬时高压信号注入电路会引起芯片损坏，采集电路失效。
目前的模拟量采集雷电防护电路，一般通过将高功率的TVS管加在采集电路最前端，当瞬时高压注入时可首先经过TVS管泄放到地，起到保护电路的作用。但是这种情况下对于TVS管的功率要求较高，成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于，本发明提供一种新型模拟量采集雷电保护电路，其目的在于，提供一种使用低功率等级TVS管实现模拟量采集雷电防护的电路。通过该保护电路，解决了雷电防护电路对TVS管的高功率要求，节约成本。
本发明技术方案:一种模拟量采集雷电防护电路，包括前端雷电防护电路、光耦隔离电路和滤波稳压电路；其中，
前端雷电防护电路，包括电阻R1、电阻R2、TVS管D1、运放U1，模拟量输入与所述电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与所述TVS管D1的负极、电阻R2的一端以及运放U1的同相输入端相连，所述TVS管D1的正极及电阻R2的另一端与地PGND相连，所述运放U1的反相输入端与运放U1的输出端相连；R1为限流电阻，R2为分压电阻，模拟量信号IN，首先经限流电阻R1，而后经分压电阻R2分压，TVS管D1与R2并联，抑制瞬时高压，防止破坏后端电路，运放U1的反相输入端与输出端相连，起到了电压跟随的作用，提高了分压的准确性和稳定性；
光耦隔离电路，包括电阻R3、运放U2、电容C1、电阻R4、光耦U3、运放U4、电阻R5、电容C2，所述电阻R3的一端与运放U1的输出端相连，R3的另一端与运放U2的反向输出端、电容C1的一端及光耦U3的3脚相连，所述运放U2的同相输入端与地相连，所述运放U2的输出端与电容C1的另一端以及电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与光耦的1脚相连，所述光耦的2脚接供电电源，4脚接地PGND，5脚接模拟地AGND，6脚与运放U4的反相输入端、电阻R5的一端以及电容C2的一端相连，7脚8脚悬空，所述运放U4的同相输入端接地AGND，所述运放U4的输出端与所述电阻R5的另一端及所述电容C2的另一端相连；
滤波稳压电路，包括电阻R6、电阻R7、电容C3、运放U5、电阻R8、稳压二极管D2、电容C4，所述电阻R6的一端与所述运放U4的输出端相连，所述电阻R6的另一端与所述电阻R7的一端、电容C3的一端以及运放U5的同相输入端相连，所述电阻R7的另一端以及所述电容C3的另一端与地AGND相连，所述运放U5的反相输入端与U5的输出端相连，所述运放U5的输出端与电阻R8的一端相连，所述电阻R8的另一端与所述稳压二极管D2的负端、所述电容C4的一端及采集电路输出端相连，所述稳压二极管D2的正端与电容C4的另一端与地AGND相连。
其特征在于，模拟量信号IN为28VDC信号。
其特征在于，电阻R1为8.2kΩ，耐压等级选择700V，电阻R2为2kΩ。
其特征在于，TVS管D1的反向截止电压为7V，击穿电压7.8-8.6V，钳位电压12V，功率300W。
其特征在于，运放U1供电电压12V。
其特征在于，电阻R3、R5为100kΩ，电阻R4为200Ω。
其特征在于，电容C1、C2为0.001uF；
其特征在于，光耦U3采用HCNR201。
其特征在于，电阻R6为3KΩ，电阻R7为2KΩ。
其特征在于，电容C3为0.1uF。
发明的有益效果：本发明提供了一种使用低功率等级TVS管实现模拟量采集雷电防护的电路。通过该保护电路，解决了雷电防护电路对TVS管的高功率要求，节约成本。
附图说明
图1是前端雷电防护电路电路图；
图2是光耦隔离电路原理图；
图3是滤波稳压电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。
如图1、2、3所示，本发明实施例所述的模拟量采集雷电防护电路具体如下：
如图1所示为前端雷电防护电路，模拟量信号IN(本例选为正常28VDC信号)首先经限流电阻R1，而后经分压电阻R2分压。TVS管D1与R2并联，其作用为抑制瞬时高压，防止破坏后端电路。当雷电瞬时高压进入电路后，首先经过R1分压后再经TVS管D1，降低了流经TVS管的电压，TVS管功率等级要求可大大降低。模拟量信号经限流分压后进入运放U1同相输入端，其反相输入端与输出端相连，该运放起到了电压跟随的作用，提高了分压电路的准确性和稳定性。运放U1的输出端连到了光耦隔离电路的电阻R3。
电阻R1为8.2kΩ，耐压等级选择700V。
电阻R2为2kΩ。
TVS管D1的反向截止电压为7V，击穿电压7.8-8.6V，钳位电压12V，功率300W。
运放U1供电电压12V。
28VDC模拟量信号经分压后约5.5V进入电压跟随电路。若为雷电信号，如600V/24A进入采集电路，经分压后约117V，此时TVS管钳位电压12V，有效保护了后端电路，且由于瞬时高压信号由600降到了117V，TVS管的功率等级要求大大降低。
如图2所示是光耦隔离电路，限流电阻R3的一端连接了前端雷电防护电路中运放U1的输出端，R3的另一端与运放U2的反向输出端、电容C1的一端及光耦U3的3脚相连。其中C1为反馈电容，用于提高电路稳定性。运放U2用于jd电压信号转换成电流信号供给光耦工作。运放输出端与调节电阻R4的一端相连，R4的另一端与光耦的1脚相连。电阻R4用于调节光耦中LED灯的发光强度。光耦隔离后5脚接地(AGND)，6脚连接电阻R5的一端、反馈电容C2的一端以及运放U4的反相输入端，电阻R5的另一端以及反馈电容C2的另一端与运放U4的输出端相连。其中，电容C2为反馈电容，用于提高电路稳定性。电阻R5为比例调节电阻，用于调整电路增益。运放U4用于将电流信号转化成电压信号。运放U4的输出端连接限流电阻R6的一端。
电阻R3、R5为100kΩ；
电容C1、C2为0.001uF；
电阻R4为200Ω；
运放U2、U4供电电压12V，输出电流可达40mA
光耦U3选择HCNR201。
前述雷电防护电路的约5.5V输出信号，经光耦隔离电路后实现了电气隔离，隔离电路增益约为1，因此光耦隔离电路输出仍约为5.5V。
如图3为滤波稳压电路原理图，限流电阻R6一端连接光耦隔离电路的输出，另一端与并联的电阻R7、电容C3一端以及运放U5同相输入端相连，运放U5输出端连接限流电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接了稳压二极管D2以及电容C4的一端，稳压二极管D2以及C4的另一端接地。R8的另一端为模拟量采集电路输出信号OUT。
电阻R6为3KΩ；
电阻R7为2KΩ；
电容C3为0.1uF；
光耦隔离电路5.5V输出信号经分压、滤波后，输出约2.2V电压信号，经跟随电路后由稳压电路稳压滤波，而后模拟量采集输出信号OUT输出至CPU进行采集。

Claims (10)

1.一种模拟量采集雷电防护电路，包括前端雷电防护电路、光耦隔离电路和滤波稳压电路；其中，
前端雷电防护电路，包括电阻R1、电阻R2、TVS管D1、运放U1，模拟量输入与所述电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与所述TVS管D1的负极、电阻R2的一端以及运放U1的同相输入端相连，所述TVS管D1的正极及电阻R2的另一端与地PGND相连，所述运放U1的反相输入端与运放U1的输出端相连；R1为限流电阻，R2为分压电阻，模拟量信号IN，首先经限流电阻R1，而后经分压电阻R2分压，TVS管D1与R2并联，抑制瞬时高压，防止破坏后端电路，运放U1的反相输入端与输出端相连，起到了电压跟随的作用，提高了分压的准确性和稳定性；
光耦隔离电路，包括电阻R3、运放U2、电容C1、电阻R4、光耦U3、运放U4、电阻R5、电容C2，所述电阻R3的一端与运放U1的输出端相连，R3的另一端与运放U2的反向输出端、电容C1的一端及光耦U3的3脚相连，所述运放U2的同相输入端与地相连，所述运放U2的输出端与电容C1的另一端以及电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与光耦的1脚相连，所述光耦的2脚接供电电源，4脚接地PGND，5脚接模拟地AGND，6脚与运放U4的反相输入端、电阻R5的一端以及电容C2的一端相连，7脚8脚悬空，所述运放U4的同相输入端接地AGND，所述运放U4的输出端与所述电阻R5的另一端及所述电容C2的另一端相连；
滤波稳压电路，包括电阻R6、电阻R7、电容C3、运放U5、电阻R8、稳压二极管D2、电容C4，所述电阻R6的一端与所述运放U4的输出端相连，所述电阻R6的另一端与所述电阻R7的一端、电容C3的一端以及运放U5的同相输入端相连，所述电阻R7的另一端以及所述电容C3的另一端与地AGND相连，所述运放U5的反相输入端与U5的输出端相连，所述运放U5的输出端与电阻R8的一端相连，所述电阻R8的另一端与所述稳压二极管D2的负端、所述电容C4 的一端及采集电路输出端相连，所述稳压二极管D2的正端与电容C4的另一端与地AGND相连。
2.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，模拟量信号IN为28VDC信号。
3.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，电阻R1为8.2kΩ，耐压等级选择700V，电阻R2为2kΩ。
4.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，TVS管D1的反向截止电压为7V，击穿电压7.8-8.6V，钳位电压12V，功率300W。
5.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，运放U1供电电压12V。
6.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，电阻R3、R5为100kΩ，电阻R4为200Ω。
7.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，电容C1、C2为0.001uF。
8.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，光耦U3采用HCNR201。
9.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，电阻R6为3KΩ，电阻R7为2KΩ。
10.如权利要求1所述的一种模拟量采集雷电防护电路，其特征在于，电容C3为0.1uF。
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