CN111830423A - 一种隔离式高压采样电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔离式高压采样电路，包括第一处理电路、第二处理电路、反馈电路，所述第一处理电路的输入端作为高压电压采样端，所述第一处理电路的输出端连接所述第二处理电路，用于对采样的高压电压进行转换、隔离后，输出到所述第二处理电路的正向输入端及反向输入端；所述第二处理电路经电压比对后，输出最终的采样电压；所述反馈电路的输入端连接所述第二处理电路的输出端、所述反馈电路的输出端连接所述第二处理电路的反向输入端，用于将所述第二处理电路的输出电压反馈到所述第二处理电路的反向输入端。本发明具有电路安全性高、采样精度高、具备一定的芯片保护措施、系统稳定性高等特点。

Description

一种隔离式高压采样电路
技术领域
本发明涉及电动汽车高压电池包电压值采集处理领域，具体涉及一种隔离式高压采样电路。
背景技术
随着电动汽车产业的迅猛发展和人们对电动汽车高续航里程的追求不断提升，致使电动汽车所匹配的高压电池包容量不断扩大，同时高压电池包的额定电压值也随之发生着相应的变化。
现有技术的电动车辆用电机控制器所匹配的是额定电压值为336V的高压电池包，随着市场需求的不断发展，技术要求也在不断提高，需要新电机控制器产品必须匹配额定电压值为540V(工作范围：450V～630V)的高压电池包，故必须对高压电池包的电压采样电路进行最新设计，方能满足其要求。
先前所采用的高压电池包电压值采样电路因硬件架构原因，其最大采样电压值仅达420V,无法满足最大630V的电压采样需求。同时基于电压安全及使用安全两方面考量，需采用隔离式的采样电路以保证此需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种隔离式高压采样电路，其电路安全性高、采样精度高、系统稳定性高。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种隔离式高压采样电路，包括第一处理电路、第二处理电路、反馈电路，
所述第一处理电路的输入端作为高压电压采样端，所述第一处理电路的输出端连接所述第二处理电路，用于对采样的高压电压进行转换、隔离后，输出到所述第二处理电路的正向输入端及反向输入端；
所述第二处理电路经电压比对后，输出最终的采样电压；
所述反馈电路的输入端连接所述第二处理电路的输出端、所述反馈电路的输出端连接所述第二处理电路的反向输入端，用于将所述第二处理电路的输出电压反馈到所述第二处理电路的反向输入端。
进一步，所述第一处理电路包括隔离芯片U1、电阻R1～R5、防反二极管D3、工作电源V5_1以及工作电源V5_2，所述电阻R1的一端作为所述高压电压采样端，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2～R5依次串联后接地，所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述隔离芯片U1的关断控制信号端SHDN以及原边接地端GND1接地，所述隔离芯片U1的原边电源端VDD1连接所述工作电源V5_1，所述防反二极管D3阴极连接所述工作电源V5_1、所述防反二极管D3阳极连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin；所述隔离芯片U1的副边电源端VDD2连接所述工作电源V5_2，所述隔离芯片U1的副边接地端GND2接地，所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+输出正向电压信号，所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-输出反向电压信号。
进一步，所述第一处理电路还包括防反二极管D1，所述防反二极管D1的阴极连接所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点，所述防反二极管D1的阳极接地。
进一步，所述第一处理电路还包括防反二极管D2，所述防反二极管D2的阴极连接所述防反二极管D3阳极与所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin的公共节点，所述防反二极管D2的阳极接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C1，所述滤波电容C1一端连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述滤波电容C1另一端接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C2～C3，所述滤波电容C2一端连接所述工作电源V5_1，所述滤波电容C2另一端接地；所述滤波电容C3一端连接所述工作电源V5_2，所述滤波电容C3另一端接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C4，所述滤波电容C4与所述滤波电容C3并联。
进一步，所述第二处理电路包括电压比较器U2、电阻R6～R8、电阻R10，所述电压比较器U2的电源端V+连接所述工作电源V5_2，所述电压比较器U2的接地端V-接地，所述电压比较器U2的同相输入端IN+通过所述电阻R7连接所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+，所述电压比较器U2的反相输入端IN-通过所述电阻R6连接所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-，所述电阻R8一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点、所述电阻R8另一端接地；所述电压比较器U2的输出端Vo串联所述电阻R10一端，所述电阻R10的另一端输出最终的采样电压。
进一步，所述反馈电路包括电阻R9、隔离电容C6，所述电压比较器U2的输出端Vo与所述电阻R10的公共节点连接所述电阻R9一端，所述电压比较器U2的反相输入端IN-与所述电阻R6的公共节点连接所述电阻R9的另一端，所述电阻R9与所述隔离电容C6并联。
进一步，所述第二处理电路还包括滤波电容C5、滤波电容C7、滤波电容C8，所述滤波电容C5的一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点，所述滤波电容C7的一端连接所述电压比较器U2的电源端V+与所述工作电源V5_2的公共节点，所述滤波电容C8的一端连接所述电阻R8的电压输出端，所述滤波电容C5、所述滤波电容C7、所述滤波电容C8的另一端接地。
本发明的有益效果是：本发明具有电路安全性高、采样精度高、具备芯片保护措施、系统稳定性高等特点。
附图说明
图1为本发明结构组成框图；
图2为本发明电路原理图；
图3为本发明各节点的输出电压值测试记录表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1～2所示的一种隔离式高压采样电路，包括第一处理电路、第二处理电路、反馈电路。第一处理电路为高压采样电路，第二处理电路为电压比较电路，反馈电路将电压比较电路的输出端电压反馈到其输入端，遵循电流平衡原则，使电压比较电路的输出端实时输出更加精准的采样电压。
如图1～2所示，第一处理电路、第二处理电路的低压电源供电方面包含原边低压电压源(即图2中的工作电源V5_1&GND1)及副边低压电压源(即图2中的工作电源V5_2&GND2)。由高压采样电路对电动汽车高压电池包的电压值进行采样，经过处理后输出至电压比较电路，经电压比较电路处理后输出至电动汽车的控制器IC的AD口，至此完成高压电压值的采样处理。
具体的，所述第一处理电路的输入端作为高压电压采样端，所述第一处理电路的输入端连接电动汽车高压电池包的电源正极，所述第一处理电路的输出端连接所述第二处理电路，用于对采样的高压电压进行转换、隔离后，输出到所述第二处理电路的正向输入端及反向输入端；
所述第二处理电路经电压比对后，输出最终的采样电压；
所述反馈电路的输入端连接所述第二处理电路的输出端、所述反馈电路的输出端连接所述第二处理电路的反向输入端，用于将所述第二处理电路的输出电压反馈到所述第二处理电路的反向输入端。
本实施例中，隔离式高压采样电路的方案框架图如图1所示。第一处理电路(高压采样电路)部分对高压电池包的电压输出端电压值进行采样，经过隔离芯片U1处理后送入电压比较器U2进行电压比对处理，再经由电压反馈通道(即反馈电路)将电压比较器U2输出的电压值(图2中V6点)反馈至电压比较器U2的反相输入端，而后由电压比较器U2的输出端输出ADC1电压至汽车控制器IC芯片的AD端口。
为结合图2的电路图对本实施例的方案做进一步说明，图2中相关符号及代号解析如下：
VDC为高压电池包的电源正极端电压；V1为高压采样电路采样处理后的电压；V2为隔离芯片U1的正向电压输出端电压；V3为隔离芯片U1的反向电压输出端电压；V4为电压比较器U2芯片的正向电压输入端(即同相输入端IN+)电压；V5为电压比较器U2芯片的反向电压输入端(即反相输入端IN-)电压；V6为电压比较器U2芯片的运放计算结果的电压输出端电压；ADC1为本实施例中电路的最终对外输出电压。
V5_1为隔离芯片U1的原边电压源的正极电压(设定为+5V)；GND1作为原边电压源的负极，也是高压电池包的负极；V5_2为隔离芯片U1的副边及电压比较器U2电路的供电电源正极电压(设定为+5V)；GND2为隔离芯片U1的副边及电压比较器U2电路的供电电源负极。
本实施例中，如图2的电路图所示，所述第一处理电路包括隔离芯片U1、电阻R1～R5、防反二极管D3、工作电源V5_1以及工作电源V5_2，所述电阻R1的一端作为所述高压电压采样端，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2～R5依次串联后接地，所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述隔离芯片U1的关断控制信号端SHDN以及原边接地端GND1接地，所述隔离芯片U1的原边电源端VDD1连接所述工作电源V5_1，所述防反二极管D3阴极连接所述工作电源V5_1、所述防反二极管D3阳极连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin；所述隔离芯片U1的副边电源端VDD2连接所述工作电源V5_2，所述隔离芯片U1的副边接地端GND2接地，所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+输出正向电压信号，所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-输出反向电压信号。原边接地端GND1连接高压电池包的负极。
进一步，所述第一处理电路还包括防反二极管D1，所述防反二极管D1的阴极连接所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点，所述防反二极管D1的阳极接地。
进一步，所述第一处理电路还包括防反二极管D2，所述防反二极管D2的阴极连接所述防反二极管D3阳极与所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin的公共节点，所述防反二极管D2的阳极接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C1，所述滤波电容C1一端连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述滤波电容C1另一端接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C2～C3，所述滤波电容C2一端连接所述工作电源V5_1，所述滤波电容C2另一端接地；所述滤波电容C3一端连接所述工作电源V5_2，所述滤波电容C3另一端接地。
进一步，所述第一处理电路还包括滤波电容C4，所述滤波电容C4与所述滤波电容C3并联。
如图2所示，所述第二处理电路包括电压比较器U2、电阻R6～R8、电阻R10，所述电压比较器U2的电源端V+连接所述工作电源V5_2，所述电压比较器U2的接地端V-接地，所述电压比较器U2的同相输入端IN+通过所述电阻R7连接所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+，所述电压比较器U2的反相输入端IN-通过所述电阻R6连接所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-，所述电阻R8一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点、所述电阻R8另一端接地；所述电压比较器U2的输出端Vo串联所述电阻R10一端，所述电阻R10的另一端输出最终的采样电压。
进一步，所述反馈电路包括电阻R9、隔离电容C6，所述电压比较器U2的输出端Vo与所述电阻R10的公共节点连接所述电阻R9一端，所述电压比较器U2的反相输入端IN-与所述电阻R6的公共节点连接所述电阻R9的另一端，所述电阻R9与所述隔离电容C6并联。
进一步，所述第二处理电路还包括滤波电容C5、滤波电容C7、滤波电容C8，所述滤波电容C5的一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点，所述滤波电容C7的一端连接所述电压比较器U2的电源端V+与所述工作电源V5_2的公共节点，所述滤波电容C8的一端连接所述电阻R8的电压输出端，所述滤波电容C5、所述滤波电容C7、所述滤波电容C8的另一端接地。
隔离芯片U1与电压比较器U2是本发明的核心，设计需要考虑此两种芯片各自的各种技术参数及芯片特征，尤其是外围器件的参数则直接决定了本电路的最终电压值输出特性。另外，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4及电阻R5的电阻值选择则决定了隔离芯片U1的原边电压输入端Vin输入电压值的取值范围和采样精度；电阻R7、电阻R8的取值则决定了输入电压比较器U2同相输入端IN+电压的基准电压值；电阻R6、电阻R9的取值则决定了本实施例的隔离式高压采样电路最终输出的电压值。
本实施例中，隔离芯片U1优选使用型号为ACPL-C87AT或ACPL-C87BT，其内置隔离体，能将原边电压与副边电压进行有效隔离。原边电压输入端Vin的峰峰值范围为0-2V，副边具有两个输出端(即正向电压输出端Vout+和反向电压输出端Vout-)，它的输出电压Vout＝Vout+-Vout-，Vout的峰峰值范围为0-2V。
由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5所构成的高压采样电路，电阻R1～电阻R4串联后，与电阻R5组成分压电阻，其所输出的电压值V1的计算公式如下：V1＝VDC*R5/(R1+R2+R3+R4+R5),其中的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4阻值均大于500KΩ，电阻R5则为5KΩ左右，由此可以保证在VDC为700V时的V1电压值为1.4520V，另外电阻R1～电阻R4这四颗电阻串联的阻值总和高于2MΩ，起到了限流的作用，可以保证送入隔离芯片U1的第二引脚(即原边电压输入端Vin)的电流值非常小，不会对隔离芯片U1造成损坏。防反二极管D1所起的作用为保证V1值始终高于GND1，有效阻止反向电压对隔离芯片U1的电压冲击。滤波电容C1的作用是针对V1进行滤波，以旁路掉交流杂波。防反二极管D2的作用一方面与防反二极管D1类似，另一方面可以保证V1和工作电源V5_1有着差值间隔，防止工作电源V5_1的电压陡增对隔离芯片U1的损害。滤波电容C2的作用为对输入隔离芯片U1原边的工作电源V5_1电压进行滤波。
滤波电容C3与滤波电容C4的作用为对输入隔离芯片U1的副边电源端VDD2的工作电源V5_2电压进行滤波。
电阻R7与电阻R8、滤波电容C5共同构成了电压比较器U2的正相输入端IN+端的基准电压电路，其中V4和V2的电压关系式为：V4＝V2*R8/(R8+R7)。电阻R7与电阻R8共同构成分压电路，其中电阻R7也起到限流的作用，滤波电容C5的作用为对V4进行滤波。电阻R7一般取20KΩ左右，电阻R8一般取30KΩ左右。
由电阻R6、电阻R9、隔离电容C6所共同构成的电压反馈电路所起的作用为将电压比较器U2的输出端Vo引脚输出电压通过电阻R9反馈至电压比较器U2的反相输入端IN-引脚。电阻R6所起的作用为限流，电阻R9的作用为将V6电压反馈至电压比较器U2的反相输入端IN-，隔离电容C6的作用为隔离V5与V6，防止电压反串。电阻R6一般取20KΩ左右，电阻R9一般取30KΩ左右。电阻R10一般取10Ω左右，以保证ADC1的电压值基本等同于V6。滤波电容C8的作用为对ADC1电压进行滤波。
由于电压比较器U2在此所采用的是电压负反馈模式，遵循电流平衡原则，所以此处的V3、V5、V6三者的关系式最终换算为：V6＝2.5*V5-1.5*V3。
更具体的，公式推导过程为：已知前提条件R6＝20kΩ,R9＝30kΩ,VR6为电阻R6的压降，VR9为电阻R9的压降，I总为流经电阻R6、电阻R9的整个通路的总电流，IR6为流经电阻R6的电流。根据串联电路电流相等原则，理论上IR6＝I总。I总＝IR6＝(V3-V5)/R6＝(V3-V5)/20k，V6＝V3-I总*(R6+R9)。根据上式可得：V6＝V3-(V3-V5)/20k*(20k+30k)＝V3-2.5*(V3-V5)＝2.5*V5-1.5*V3。
本实施例隔离式高压采样电路的各个节点的部分电压值测量数据记录如图3所示。本发明电路在验证过程中采用高压电源设备来模拟纯电动汽车的高压电池包，由于受现场高压电源设备最大输出电压(720V)能力的制约，故此处采取的最大VDC值为700V。由测试数据记录表分析可知，700V时V2的电压值为1.9370V，未超过芯片的最大允许输出2.0V的限定值；700V时V6的电压值为2.149V，也未超出后端控制器IC的AD口最大5.0V电压采样限定值，以上证明此发明电路完全满足预期的技术要求。
本实施例的主要特点：
一、电路安全性高：由于采用的隔离芯片U1是一颗光学隔离式芯片，输入端阻抗超过了1GΩ且其内部本身就具备电隔离物理架构，其输入端与输出端呈标准隔离状态，进而可以有效防止输入端高压对输出部分的电气损害。
二、采样精度高：隔离芯片U1的正向电压输出端电压最高限定在DC2.0V，并具备±0.5％的高精确度，且与高压采样输入端相连接的采样电阻均为1％精度，采用此两种特性以保证隔离芯片U1的采样电压输入端(即原边电压输入端Vin)的电压值的高精确度。
三、具备一定的芯片保护措施：在隔离芯片U1的采样电压输入端(即原边电压输入端Vin)连接一个防反二极管D2，防反二极管D2一方面可以防止隔离芯片U1采样电压输入端(即原边电压输入端Vin)的输入电压发生异常时对隔离芯片U1造成的损坏，同时另一方面可以有效遏制此输入电压对隔离芯片U1的原边供电电源V5_1造成的干扰和破坏。
四、系统稳定性高：由于对隔离芯片U1的输出正向电压与反向电压处理采用的是电压比较器U2，此芯片构建的电路采用的是电压负反馈的电压信号处理方式，所以在对隔离芯片U1的输出电压处理上完全能保证其系统的稳定性，且可以将最终的系统输出电压ADC1保证在可控范围以内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隔离式高压采样电路，其特征在于，包括第一处理电路、第二处理电路、反馈电路，
所述第一处理电路的输入端作为高压电压采样端，所述第一处理电路的输出端连接所述第二处理电路，用于对采样的高压电压进行转换、隔离后，输出到所述第二处理电路的正向输入端及反向输入端；
所述第二处理电路经电压比对后，输出最终的采样电压；
所述反馈电路的输入端连接所述第二处理电路的输出端、所述反馈电路的输出端连接所述第二处理电路的反向输入端，用于将所述第二处理电路的输出电压反馈到所述第二处理电路的反向输入端。
2.根据权利要求1所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路包括隔离芯片U1、电阻R1～R5、防反二极管D3、工作电源V5_1以及工作电源V5_2，所述电阻R1的一端作为所述高压电压采样端，所述电阻R1的另一端与所述电阻R2～R5依次串联后接地，所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述隔离芯片U1的关断控制信号端SHDN以及原边接地端GND1接地，所述隔离芯片U1的原边电源端VDD1连接所述工作电源V5_1，所述防反二极管D3阴极连接所述工作电源V5_1、所述防反二极管D3阳极连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin；所述隔离芯片U1的副边电源端VDD2连接所述工作电源V5_2，所述隔离芯片U1的副边接地端GND2接地，所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+输出正向电压信号，所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-输出反向电压信号。
3.根据权利要求2所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路还包括防反二极管D1，所述防反二极管D1的阴极连接所述电阻R4与所述电阻R5的公共节点，所述防反二极管D1的阳极接地。
4.根据权利要求2或3所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路还包括防反二极管D2，所述防反二极管D2的阴极连接所述防反二极管D3阳极与所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin的公共节点，所述防反二极管D2的阳极接地。
5.根据权利要求2或3所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路还包括滤波电容C1，所述滤波电容C1一端连接所述隔离芯片U1的原边电压输入端Vin，所述滤波电容C1另一端接地。
6.根据权利要求2或3所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路还包括滤波电容C2～C3，所述滤波电容C2一端连接所述工作电源V5_1，所述滤波电容C2另一端接地；所述滤波电容C3一端连接所述工作电源V5_2，所述滤波电容C3另一端接地。
7.根据权利要求6所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第一处理电路还包括滤波电容C4，所述滤波电容C4与所述滤波电容C3并联。
8.根据权利要求2所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第二处理电路包括电压比较器U2、电阻R6～R8、电阻R10，所述电压比较器U2的电源端V+连接所述工作电源V5_2，所述电压比较器U2的接地端V-接地，所述电压比较器U2的同相输入端IN+通过所述电阻R7连接所述隔离芯片U1的正向电压输出端Vout+，所述电压比较器U2的反相输入端IN-通过所述电阻R6连接所述隔离芯片U1的反向电压输出端Vout-，所述电阻R8一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点、所述电阻R8另一端接地；所述电压比较器U2的输出端Vo串联所述电阻R10一端，所述电阻R10的另一端输出最终的采样电压。
9.根据权利要求8所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述反馈电路包括电阻R9、隔离电容C6，所述电压比较器U2的输出端Vo与所述电阻R10的公共节点连接所述电阻R9一端，所述电压比较器U2的反相输入端IN-与所述电阻R6的公共节点连接所述电阻R9的另一端，所述电阻R9与所述隔离电容C6并联。
10.根据权利要求8所述一种隔离式高压采样电路，其特征在于，所述第二处理电路还包括滤波电容C5、滤波电容C7、滤波电容C8，所述滤波电容C5的一端连接所述电压比较器U2的同相输入端IN+与所述电阻R7的公共节点，所述滤波电容C7的一端连接所述电压比较器U2的电源端V+与所述工作电源V5_2的公共节点，所述滤波电容C8的一端连接所述电阻R8的电压输出端，所述滤波电容C5、所述滤波电容C7、所述滤波电容C8的另一端接地。
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