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  • 三相电压采样仿真
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    2020-11-28 21:59:33

    运放输入采用电流负反馈,电流负反馈极大的减小了运放输入侧看进去的阻抗,表面看小阻抗不易拾取全部的输入信号电压,但是这么认识是不对的。输入阻抗减小到1/(1+AF),让正向输入端对PGBD的阻抗为0,于是信号电压可以全部加在电阻R4,R2,R3,R10上,这样这几个电阻拾取了全部的

    信号电压,然后转化成电流,这个信号电流全部反馈到到输出端,从而信号以电流的形式被全部拾取。

    所以拾取信号有两种方式,第一是以电压的形式拾取,那么要求运放输入阻抗足够大,这样才能够拾取尽可能多的电压信号

     

    二是以电流的形式拾取,那么要求运放的输入阻抗足够小,这样运放才能分的尽可能多的拾取电流信号。

     

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      电动汽车很多应用中都离不开高压电压采样,比如在BMS以及MCU(电机控制器)中都必须用到。一般MCU中只采一路就可以了,功能安全方案采两路。BMS中可能采集更多。
      高压电压采样设计相对难一点,需要高低压隔离,而且电压范围宽,还需要线性度较好。
      以下对几种常用方案做一个简要对比。

    一、隔离放大器
    

    隔离放大器
    隔离放大器常用型号有三款:

    型号厂商增益误差@25℃非线性@25℃输入失调电压@25℃
    ACPL-C87Avago±1%/±0.5%0.05%-0.3mV
    AMC1311-Q1TI±1%/±0.3%0.01%±0.40.4mV
    SI8931Silicon Labs±0.25%/±0.25%0.01%-0.16mV

      三款隔离放大器都有高低精度两个版本。其中ACPL-C87在MCU中使用的非常广泛,得到了市场的验证。Tesla Model S中就用到了。当然,价格也是最贵的。另外两款价格应该相差不大,从手册上看比ACPL-C87性能更好。增加了一个新功能:支持高压侧电源诊断,适合做功能安全。
      ACPL-C87对高压侧电源的精度有要求,在采样精度要求较高的场合最好使用参考电压源。AMC1311内部集成了参考电压源;SI8931应该也集成了,但不是非常确定,有兴趣可以研究一下。
      这种方案电路简单,适合单路或双路采样的应用。在MCU中尤其适合,高压侧供电可共用IGBT驱动隔离电源,不需要单独做隔离电源。在信号传输路径上占用的资源较少,比如如果跨PCBA传输,只需要占用两个连接器引脚(差分传输)。软件处理非常简单。缺点在于传输的是模拟信号,不适合长距离传输。因为涉及到三级信号放大(电阻分压,隔离放大,差分放大),因此三种方案中该方案精度最差,线性度相对较差,不要单独看隔离放大器的精度,应该看整个信号采样电路的精度!

    二、ADC+通信隔离
    

    ADC
      这种方案会使用到两个集成芯片,高压电压采样在高压侧完成,然后通过数字信号(比如SPI)进行传输,在数字信号传输路径上做隔离。ADC可选性价比较高的TI产品,如果要求高性能的可选ADI的产品。数字隔离芯片可选的厂家也比较多,比如TI、ADI、Silicon Labs都有合适的产品。注意数字信号方向选择正确的前向通道与反向通道的个数。
      这种方案虽然看上去比较复杂,但如果是多路采样的场合,优势明显。因为ADC可选择多通道的。另外,这种方案精度最高,线性度好,主要误差只来源于分压电阻。并且由于是数字信号传输,路径可以相对较长。缺点是信号传输时占用资源较多(最少4个信号),软件处理相对复杂。

    三、差分放大
    

    在这里插入图片描述
      这种方案实际上是一种非隔离方案,电路非常简单,软件处理非常简单,线性度好。最大的优势在于成本最低,不需要隔离电源,不需要隔离通信!注意选择运放时需要选择输入失调电压与输入失调电流越小越好(uV,pA级)。

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    设计原理:采集一个输出范围为20V-28V的Uo电压信号到0-5V,才能更好利用AD模块,所以首先将Uo电压信号与20V做差分运算,将电压降到0-8V,然后通过电阻分压将8V映射到5V范围内。 1.通过仪放将U0与20V差分运算 2.获取20...

    设计原理:采集一个输出范围为20V-28V的Uo电压信号到0-3.3V,才能更好利用AD模块,所以首先将Uo电压信号与20V做差分运算,将电压降到0-8V,然后通过电阻分压将8V映射到5V范围内。
    方法一:
    1.通过仪放将U0与20V差分运算,这里需要获取20V的基准电压和输出阻抗匹配,然后钳位输出电压在-0.7V-4.0V之间,如下述:
    通过仪放将U0与20V差分
    2.获取20V的基准电压
    获取20V的基准电压
    3.分压及输出阻抗匹配(电压跟随器)
    电压跟随器
    4.输出钳位保护
    输出钳位保护
    方法二:
    5.将Uo分压成7份,即将0-28V电压映射为0-4V,同理将+5V分压7份产生2.857V的电压基准
    采样分压

    6.差分并放大2.887倍及钳位电路(3.3/(4-2.857)),差分直接输入给AD输入通道,不需阻抗匹配
    在这里插入图片描述
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  • 高压电压采样之差分放大电路

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      在高压电压采样方案研究一文中提到,可以使用差分放大电路进行高压电压采样。如下图:   该方案有缺陷,如下。整车车身与12V电池负极连接到一起,同属于低压电路,我们可以称之为大地。高压电池包正负极对...

      在高压电压采样方案研究一文中提到,可以使用差分放大电路进行高压电压采样。如下图:
    在这里插入图片描述
      该方案有缺陷,如下。整车车身与12V电池负极连接到一起,同属于低压电路,我们可以称之为大地。没有绝对的绝缘体,电池包的外壳绝缘材料,线速,Y电容等等,可以等效成一个电阻,只不过这个电阻很大。并且这个电阻会随着车身环境状况改变,比如电池包进水可能就会出现绝缘电阻变小。
    在这里插入图片描述
      单纯看差分采样电路是没问题的,如果放到整车环境中,该电路变成了如下图模型。当绝缘电阻Rip与Rin不相等时,电路的放大倍数不再是R2/R1 。
      S1是模拟主动放电的开关,放电电阻为100Ω,DCLink电容初始电压为400V。仿真开始1ms后,主动放电开关闭合,给DCLink电容放电。为了便于做比较,将电压v(p,n),也就是电容两端电压缩小了100倍。可以看到电容电压开始下降,但采样输出v(out)并没有随输入下降而立即下降。也就是说此时母线电压采样是不准的。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
      另外整车有绝缘检测电路,一种典型的方法就是不平衡电桥,也就是在高压正负极与地并联电阻,如下示意图。当开关S1或S2闭合时,就改变了整车的绝缘,上述采样电路就可能出现采样不准的问题。
    在这里插入图片描述

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