CN111474399B - 一种高压侧大电流精密取样转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压侧大电流精密取样转换电路，包括高压电流取样模块、运放供电模块、放大电路模块和电压信号保护模块，高压电流取样模块设置于电源高压端，高压电流取样模块用于对电源高压端的电流进行取样，放大电路模块的第一输入端子和第二输入端子分别连接高压电流取样模块的第一输出端子和第二输出端子，放大电路模块的输出端子连接电压信号保护模块的输入端子，运放供电模块用于对放大电路模块进行供电。上述高压侧大电流精密取样转换电路采用1个P‑MOS管为高耐压元件，其他元件都为耐压10V以下的电子元器件，完成电源高压端的电流检测取样转换成低电压的电路。根据高压电源的不同电压，更换电路中的P‑MOS管的耐压就能实现取样转换。
Description
技术领域
本发明涉及取样电路领域，尤其是一种高压侧大电流精密取样转换电路。
背景技术
现有的电动自行车、电动汽车的功率越来越大，效率和能耗要求也越来越高，要提高效率、降低线路损耗，只有降低工作电流提高工作电源的电压。因这类的动力设备的接地点较多，无法统一检测电源负地回路的总电流，从电源正极处检测电流，因电压高达400V，而常规半导体元件在这电压下能工作的也较少，价格也十分昂贵，如果用隔离的磁性电流互感器对直流电流的检测精度低，无法精确测量电池的消耗和剩余储备的电量。
以目前电动汽车科技含量最高、续行里程最远的特斯拉Model S P85纯电动汽车为例。它的驱动电机为270KW，储能电源为85KWh，电池电压在345.6～403.2V，电机驱动满载功率下最大电流为630A。为了降低电流检测取样处的损耗，只能用能承受36W功率50μΩ～100μΩ微阻值的电阻式电流互感器加放大器检测电流的取样。在这样高的电源电压和这么大工作电流变化的情况下，采用常规的元器件芯片，以非隔离电路来完成对电源的电流取样电路是十分困难。如果采用隔离方式，电路会十分复杂，元件使用较多，安全性、可靠性和稳定性都会受影响。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种高压侧大电流精密取样转换电路，解决测量精度不高、损耗功率较大的缺点。
一种高压侧大电流精密取样转换电路，包括高压电流取样模块、运放供电模块、放大电路模块和电压信号保护模块，高压电流取样模块设置于电源高压端，高压电流取样模块用于对电源高压端的电流进行取样，放大电路模块的第一输入端子和第二输入端子分别连接高压电流取样模块的第一输出端子和第二输出端子，放大电路模块用于对高压电流取样模块输出的电压进行放大，放大电路模块的输出端子连接电压信号保护模块的输入端子，运放供电模块用于对放大电路模块进行供电。
优选的，高压电流取样模块包括电流互感器，电流互感器的第一输出引脚和第二输出引脚分别连接放大电路模块的第一输入端子和第二输出端子，电流互感器的第一输出引脚作为高压电流取样模块的第一输出端子，电流互感器的第二输出引脚作为高压电流取样模块的第二输出端子。
优选的，放大电路模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、共模运算放大器U1、P-MOS管Q1，第一电阻R1的第二引脚作为放大电路模块的第一输入端子，第五电阻R2的第二引脚作为放大电路模块的第二输入端子，第一电阻R1的第一引脚同时连接第二电阻的第二引脚和共模运算放大器U1的反相输入端，第五电阻R5的第一引脚连接共模运算放大器U1的同相输入端，第二电阻R2的第一引脚同时连接第三电阻R3的第二引脚和P-MOS管Q1的源极，第三电阻R3的第一引脚连接电源高压端，P-MOS管Q1的漏极连接第四电阻R4的第一引脚，第四电阻R4的第二引脚接地，第四电阻R4的第一引脚和P-MOS管Q1的漏极作为放大电路模块的输出端子。
优选的，运放供电模块包括稳压二极管DZ1和第七电阻R7，稳压二极管DZ1的阴极连接电源高压端，稳压二极管DZ1的阳极连接第七电阻R7的第一引脚，第七电阻R7的第二引脚接地。
优选的，电压信号保护模块包括共模运算放大器U2、二极管D1和第六电阻R6，第六电阻R6的第二引脚作为电压信号保护模块的输入端子连接放大电路模块的输出端子，第六电阻的第一引脚同时连接共模运算放大器U2的同相输入端和二极管D1的阳极，共模运算放大器U2的正电源由3.3V的外部电源提供，二极管D1的阴极连接共模运算放大器U2的正电源端，共模运算放大器U2的负电源端接地，共模运算放大器U2的反相输入端连接共模运算放大器U2的输出端。
优选的，第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等。
优选的，共模运算放大器U1和共模运算放大器U2的型号均为MCP6V61U。
优选的，P-MOS管Q1的型号为FQP1P50。
优选的，电压信号保护模块的输出端子外接MCU。
优选的，稳压二极管DZ1的型号为BZT52C4V7S，二极管D1的型号为1N4148。
上述高压侧大电流精密取样转换电路，通过在电源高压端设置高压电流取样模块对电流进行取样，高压电流取样模块采用微阻值的电流互感器，降低了取样点的功率损耗，之后将电流信号转换成电压信号传输给放大电路模块进行放大处理，得到比较明显的电压信号，最后通过电压信号保护模块得到具有较高精度的电流信号，滤除失调信号，保证了传输至MCU中的电压信号稳定而精准；
而且采用1个P-MOS管为高耐压元件，其他元件都为耐压10V以下的电子元器件，完成电源高压端的电流检测取样转换成低电压的电路。根据高压电源的不同电压，更换电路中的P-MOS管的耐压就能实现取样转换。
附图说明
图1是本发明高压侧大电流精密取样转换电路的电路图；
图2是本发明高压侧大电流精密取样转换电路的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明高压侧大电流精密取样转换电路进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和图2中示出了本发明的电路原理图，100为高压电流取样模块，200为运放供电模块，300为放大电路模块，400为电压信号保护模块。
本发明一种高压侧大电流精密取样转换电路，包括高压电流取样模块、运放供电模块、放大电路模块和电压信号保护模块，高压电流取样模块设置于电源高压端，高压电流取样模块用于对电源高压端的电流进行取样，放大电路模块的第一输入端子和第二输入端子分别连接高压电流取样模块的第一输出端子和第二输出端子，放大电路模块用于对高压电流取样模块输出的电压进行放大，放大电路模块的输出端子连接电压信号保护模块的输入端子，运放供电模块用于对放大电路模块进行供电。
具体的，高压电流取样模块包括电流互感器，电流互感器的第一输出引脚和第二输出引脚分别连接放大电路模块的第一输入端子和第二输出端子，电流互感器的第一输出引脚作为高压电流取样模块的第一输出端子，电流互感器的第二输出引脚作为高压电流取样模块的第二输出端子。
具体的，放大电路模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、共模运算放大器U1、P-MOS管Q1，第一电阻R1的第二引脚作为放大电路模块的第一输入端子，第五电阻R2的第二引脚作为放大电路模块的第二输入端子，第一电阻R1的第一引脚同时连接第二电阻的第二引脚和共模运算放大器U1的反相输入端，第五电阻R5的第一引脚连接共模运算放大器U1的同相输入端，第二电阻R2的第一引脚同时连接第三电阻R3的第二引脚和P-MOS管Q1的源极，第三电阻R3的第一引脚连接电源高压端，P-MOS管Q1的漏极连接第四电阻R4的第一引脚，第四电阻R4的第二引脚接地，第四电阻R4的第一引脚和P-MOS管Q1的漏极作为放大电路模块的输出端子。
具体的，运放供电模块包括稳压二极管DZ1和第七电阻R7，稳压二极管DZ1的阴极连接电源高压端，稳压二极管DZ1的阳极连接第七电阻R7的第一引脚，第七电阻R7的第二引脚接地。
具体的，电压信号保护模块包括共模运算放大器U2、二极管D1和第六电阻R6，第六电阻R6的第二引脚作为电压信号保护模块的输入端子连接放大电路模块的输出端子，第六电阻的第一引脚同时连接共模运算放大器U2的同相输入端和二极管D1的阳极，共模运算放大器U2的正电源由3.3V的外部电源提供，二极管D1的阴极连接共模运算放大器U2的正电源端，共模运算放大器U2的负电源端接地，共模运算放大器U2的反相输入端连接共模运算放大器U2的输出端。
具体的，第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等。
由于第一电阻R1和第五电阻R5分别设置于共模运算放大器U1的反相输入端和同相输入端，通过将第一电阻R1和第五电阻R5的阻值设置成相同的数值，方便做差分运算。
具体的，共模运算放大器U1和共模运算放大器U2的型号均为MCP6V61U。
具体的，P-MOS管Q1的型号为FQP1P50。
具体的，电压信号保护模块的输出端子外接MCU。
具体的，稳压二极管DZ1的型号为BZT52C4V7S，二极管D1的型号为1N4148。
具体的，电流互感器Rsense型号为WSBS8515。
工作原理如下：
稳压二极管DZ1可以实现在稳压二极管DZ1的两端获得一个5V的电压，通过设置第七电阻R7，使得可以在共模运算放大器U1的负电源端得到一个与该共模运算放大器U1的正电源端相差5V的电压差，为共模运算放大器U1提供电源。
本发明中，电流互感器在测试电流越大时，电流互感器的第一输出引脚和第二输出引脚之间的电压Vrsense越小，Vrsense通过放大电路模块的第一输入端子和第二输入端子输入，并经放大后从共模运算放大器U1的输出端输出电压Vio1。
本电路中，可以通过调节第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的阻值来调节Vrsense在输出到共模运算放大器U1的输出端Vio1时的放大比例。
共模运算放大器U1的输出端Vio1通过连接一个P-MOS管Q1的栅极来控制通过P-MOS管Q1的电流，进而控制Vo的值，此时，Vo的值可以由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4进行调节。
Vio1控制通过P-MOS管Q1的电流原理：
P-MOS管Q1在Vgs(也就是Vio1和Vs之间的电势差)的绝对值越大时，通过P-MOS管Q1的电流越大，而Vgs的值等于Vio1减去Vs的值，故，在Vio1的值变小时，Vgs的绝对值越大，通过P-MOS管Q1的电流越大，使得Vo处的电压值越大，相反的，在Vio1的值变大时，Vgs的绝对值越小，通过P-MOS管Q1的电流越小，使得Vo处的电压值越小。
故，在通过共模运算放大器U1和P-MOS管Q1的双向变化后，能得到具有与测试电流相同变化曲线的Vo值，在测试电流变小时，Vo的值也跟着变小，在测试电流变大时，Vo的值也跟着变大。
由于通过P-MOS管Q1的电流一般较小，MCU中一般具有低输入阻抗的特性，而存在于Vo和接地端之间的第四电阻R4又具有较高的阻抗，在直接连接Vo和MCU时将会导致测量的Vo的值不准，故，在MCU和Vo之间设置电压信号保护模块。
通过设置二极管D1和第六电阻R6，可以有效的将超过某个值的电压释放，避免大于正常值的失调信号发送至MCU中，影响对电源高压端的电流的检测。
通过设置共模运算放大器U2作为高输入阻抗元件，通过该共模运算放大器U2的输出端时将会得到比较准确的电压信号Vio2。
一种实施例中，本发明运用在电动车中，电动车的电源高压供电端一般会有100-400V的直流电压，使用一款型号为WSBS8515的电流互感器，其能流过600A的电流、功率36W且阻值为50μΩ，在测试电流满电流通过电流互感器时，Vrsense的值为30mv。
各电阻元件的具体数值如下，当然，实际使用时，可以根据实际需要改变其中元件的数值：
R1:1.1KΩ，R2:10KΩ，R3:100KΩ，R4:100KΩ，R5:1.1KΩ，R6:10kΩ，R7:60KΩ。
本实施例中的电路放大比计算公式为：
放大比例为101倍。
在正常测试范围内，Vo的值在0-3.3V之间，大于3.3V的失调信号将会经过第六电阻R6和二极管D1释放，不大于3.3V的电压信号将会通过电路信号保护模块输出至MCU中。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：包括高压电流取样模块、运放供电模块、放大电路模块和电压信号保护模块，所述高压电流取样模块设置于电源高压端，所述高压电流取样模块用于对电源高压端的电流进行取样，所述放大电路模块的第一输入端子和第二输入端子分别连接高压电流取样模块的第一输出端子和第二输出端子，所述放大电路模块用于对所述高压电流取样模块输出的电压进行放大，所述放大电路模块的输出端子连接所述电压信号保护模块的输入端子，所述运放供电模块用于对放大电路模块进行供电；
所述高压电流取样模块包括电流互感器，所述电流互感器的第一输出引脚和第二输出引脚分别连接所述放大电路模块的第一输入端子和第二输出端子，所述电流互感器的第一输出引脚作为所述高压电流取样模块的第一输出端子，所述电流互感器的第二输出引脚作为所述高压电流取样模块的第二输出端子；
所述放大电路模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、共模运算放大器U1、P-MOS管Q1，所述第一电阻R1的第二引脚作为所述放大电路模块的第一输入端子，所述第五电阻R5的第二引脚作为所述放大电路模块的第二输入端子，所述第一电阻R1的第一引脚同时连接所述第二电阻的第二引脚和共模运算放大器U1的反相输入端，所述第五电阻R5的第一引脚连接所述共模运算放大器U1的同相输入端，所述第二电阻R2的第一引脚同时连接所述第三电阻R3的第二引脚和P-MOS管Q1的源极，所述第三电阻R3的第一引脚连接电源高压端，所述P-MOS管Q1的漏极连接所述第四电阻R4的第一引脚，所述第四电阻R4的第二引脚接地，所述第四电阻R4的第一引脚和所述P-MOS管Q1的漏极作为所述放大电路模块的输出端子；
所述电压信号保护模块包括共模运算放大器U2、二极管D1和第六电阻R6，所述第六电阻R6的第二引脚作为所述电压信号保护模块的输入端子连接所述放大电路模块的输出端子，所述第六电阻的第一引脚同时连接所述共模运算放大器U2的同相输入端和二极管D1的阳极，所述共模运算放大器U2的正电源由3.3V的外部电源提供，所述二极管D1的阴极连接所述共模运算放大器U2的正电源端，所述共模运算放大器U2的负电源端接地，所述共模运算放大器U2的反相输入端连接所述共模运算放大器U2的输出端。
2.如权利要求1所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述运放供电模块包括稳压二极管DZ1和第七电阻R7，所述稳压二极管DZ1的阴极连接电源高压端，所述稳压二极管DZ1的阳极连接所述第七电阻R7的第一引脚，所述第七电阻R7的第二引脚接地。
3.如权利要求1所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述第一电阻R1和第五电阻R5的阻值相等。
4.如权利要求1-3任一所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述共模运算放大器U1和共模运算放大器U2的型号均为MCP6V61U。
5.如权利要求1所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述P-MOS管Q1的型号为FQP1P50。
6.如权利要求1所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述电压信号保护模块的输出端子外接MCU。
7.如权利要求2所述的高压侧大电流精密取样转换电路，其特征在于：所述稳压二极管DZ1的型号为BZT52C4V7S，所述二极管D1的型号为1N4148。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A High Voltage Side High Current Precision Sampling and Conversion Circuit Effective date of registration: 20231218 Granted publication date: 20220708 Pledgee: Shenzhen small and medium sized small loan Co.,Ltd. Pledgor: Shenzhen Qino Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980072281 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |