CN110542774A - 一种反馈型双向电流磁隔离采样电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种反馈型双向电流磁隔离采样电路，其包括依次连接的电流采样及放大电路、误差放大电路、脉宽调制电路、磁隔离电路和整流输出电路，还包括振荡电路和反馈采样电路，振荡电路的输出端与脉宽调制电路的另一个输入端连接，反馈采样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端连接，反馈采样电路的输入端与所述磁隔离电路的另一个输出端连接。采用本发明的技术方案，实现了功率信号和采样信号的物理隔离，可采样双向电流且采样电流范围宽，采用闭环负反馈消除了器件参数漂移等对输出采样信号的影响，具有采样精度高、温漂低、线性度优等特点。另外，所使用的器件易于获取宇航等级，无辐照敏感器件，适宜在航空航天领域应用。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种反馈型双向电流磁隔离采样电路。
背景技术
在进行大功率电气***电流测量时，为了增加测试安全性、提高测试精度、增强测量电路抗干扰能力、避免功率电路和测量电路之间出现地环路耦合问题，一般需采用隔离采样方式。
传统隔离采样利用线性光电耦合器实现，光电耦合器具有体积小、成本低等优点，适合工业应用。但其传输比温漂系数大，随寿命时间增加也会出现较大偏差，因此难以应用在宽温度范围、长寿命电子产品中。另外光电耦合器受空间粒子的辐射后会出现位移损伤效应，不能用于宇航电子产品中。
现有技术里，在航天DCDC电源模块中一般采用变压器磁隔离技术传递输出电压误差放大信号，但受载波信号驱动能力、整流二极管温漂等参数影响，变压器原边、副边信号跟踪精度不高，线性度较差，不适合在高精度遥测采样电路中应用。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种反馈型双向电流磁隔离采样电路，解决了现有技术的光隔离采样温漂大、老化敏感、无法应用于宇航产品和已有磁隔离技术难以实现高精度采样应用等技术问题。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种反馈型双向电流磁隔离采样电路，其包括依次连接的电流采样及放大电路、误差放大电路、脉宽调制电路、磁隔离电路和整流输出电路，还包括振荡电路和反馈采样电路，所述振荡电路的输出端与脉宽调制电路的另一个输入端连接，所述反馈采样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端连接，所述反馈采样电路的输入端与所述磁隔离电路的另一个输出端连接。
此技术方案，具备双向直流电流采样能力，采样电流范围宽；采用磁隔离方式解决了光隔离易受空间粒子影响的问题，采用变压器绕组负反馈消除了器件参数漂移对输出采样信号的影响，具有采样精度高、温漂低、线性度优等特点。
作为本发明的进一步改进，所述电流采样及放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、运放U11、稳压芯片U12；所述电阻R11为四端子采样电阻，输入电流Iin流经电阻R11转换为电压信号，电阻R11的两个信号输出端分别经过由电阻R12、电阻R13、电容C11、电容C12、电容C13组成的滤波电路后连接运放U11的两个输入端，所述运放U11的输出端通过电阻R18、C14组成的滤波电路后，作为电流采样及放大电路的输出端；所述运放U11的REF端连接稳压芯片U12的输出端，所述运放U11的***分别连接电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17。
作为本发明的进一步改进，所述运放U11的型号为AD624，该AD624为精密仪表运放。
作为本发明的进一步改进，所述误差放大电路包括电阻R71、电阻R72、电阻R73、电容C71、运放U71；所述运放U71的同相端通过电阻R72连接电流采样及放大电路的输出端，所述运放U71的反相端通过电阻R71连接反馈采样电路的输出端，所述运放U71的反相端还通过电阻R73和电容C71串联电路连接其输出端，所述运放U71的输出端作为误差放大电路的输出端。
作为本发明的进一步改进，所述脉宽调制电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、比较器U31和MOS管Q31；所述比较器U31的同相端连接所述误差放大电路的输出端，所述比较器U31的反相端连振荡电路的输出端，所述比较器U31的输出端通过电阻R31连接供电电源，所述比较器U31的输出端还通过电阻R32连接MOS管Q31的栅极；所述MOS管Q31的栅极还通过电阻R33接地，所述MOS管Q31的源极接地，所述MOS管Q31的漏极作为脉宽调制电路的输出端。
作为本发明的进一步改进，所述磁隔离电路包括变压器T41；所述变压器T41原边绕组的一端连接供电电源，另外一端与所述脉宽调制电路的输出端连接；所述变压器T41的两个副边绕组作为磁隔离电路的两个输出端，两个绕组匝数一致。
作为本发明的进一步改进，所述整流输出电路包括整流二极管D51、电容C51、电容C52、电阻R51；所述二极管D51和电容C51组成的整流滤波电路连接所述磁隔离输出电路的一个输出端，将交流信号转换成直流电平，再通过电阻R51和电容C52组成的低通滤波电路后输出Vout信号。
作为本发明的进一步改进，所述反馈采样电路包括整流二极管D61和电容C61；所述二极管D61和电容C61组成的整流滤波电路连接磁隔离输出电路的另一个输出端，将交流信号转换成直流电平，作为反馈采样电路的输出端。
作为本发明的进一步改进，所述振荡电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电容C21、电容C22和比较器U21；所述比较器U21的同相端通过电阻R21接供电电源、通过电阻R22接地、通过电阻R23连接比较器U21的输出端，所述比较器U21的反相端通过电阻C21接地、通过电阻R24连接比较器U21的输出端；所述比较器U21的输出端通过电阻R26、电容C22组成的滤波网络后作为振荡电路的输出端。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，先采用运放将电流信号转换为电压信号，可实现双向电流采样且采样电流范围宽；再利用磁隔离变压器的原边绕组和第一副边绕组传递信号实现了功率信号和采样信号的物理隔离，第二副边绕组的输出可调节原边脉宽调制电路占空比的大小进而修正输出采样信号，可采样双向电流且采样电流范围宽，实现了闭环负反馈，消除了器件参数漂移等对输出采样信号的影响，本发明的采样电路具有采样精度高、温漂低、线性度优等特点。另外，本本发明的技术方案使用的器件易于获取宇航等级，无辐照敏感器件，因此本电路适宜在航空航天领域高精度电流采样场合应用。
附图说明
图1为本发明一种反馈型双向电流磁隔离采样电路的结构示意图。
图2为本发明一种反馈型双向电流磁隔离采样电路的电路结构图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，一种反馈型双向电流磁隔离采样电路，其包括依次连接的电流采样及放大电路、误差放大电路、脉宽调制电路、磁隔离电路和整流输出电路，还包括振荡电路、反馈采样电路，所述振荡电路的输出端与脉宽调制电路的另一个输入端连接，所述反馈采样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端连接，反馈采样电路的输入端与磁隔离电路的另一个输出端连接。
如图2所示，所述电流采样及放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、运放U11、稳压芯片U12。所述电阻R11为四端子采样电阻。输入电流Iin流经四端子采样电阻R11转换为电压信号，电阻R11的两个信号输出端经过电阻R12、电阻R13、电容C11、电容C12、电容C13组成的滤波电路后连接运放U11的两个输入端，U11的输出端通过R18、C14组成的滤波电路后，作为电流采样及放大电路的输出端。运放U11的REF端连接稳压芯片U12的输出，运放U11的***还连接电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17。优选的，运放U11采用精密仪表运放AD624。此电路中，电流采样及放大电路的输出信号Vout1与采样电流Iin的关系为：Vout1=G*Iin+Vref，其中G为运放U11的放大倍数，可根据需求调整；Vref为稳压芯片U12的输出基准信号。当电流为0时，Vout1=Vref，当电流从R11的上端流向下端时，Vout1大于Vref；当有反向电流时，Vout1小于Vref。
如图2所示，所述误差放大电路包括电阻R71、电阻R72、电阻R73、电容C71、运放U71。运放U71的同相端通过电阻R72连接电流采样及放大电路的输出端，U71的反相端通过电阻R71连接反馈采样电路的输出端，运放U71的反相端还通过串联的电阻R73和电容C71连接其输出端，运放U71的输出端作为误差放大电路的输出端。根据运放反馈工作原理，误差放大电路的同相端和反相端电压相等，即反馈采样电路的输出端电压Vout6等于电流采样及放大电路的输出端电压Vout1。
如图2所示，所述脉宽调制电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、比较器U31、MOS管Q31。比较器U31的同相端连接误差放大电路的输出端，比较器U31的反相端连振荡电路的输出端，比较器U31的输出端通过电阻R31连接供电电源，还通过电阻R32连接MOS管Q31的栅极。MOS管Q31的栅极还通过电阻R33接地，MOS管Q31的源极接地，MOS管Q31的漏极作为脉宽调制电路的输出端。脉宽调制电路输出交流方波信号，作为磁隔离电路的输入信号。
如图2所示，所述磁隔离电路包括压器T41，变压器T41原边绕组的一端连接供电电源，另外一端连接脉宽调制电路的输出端。变压器T41的两个副边绕组作为磁隔离电路的两个输出端，两个绕组匝数一致。
如图2所示，所述整流输出电路包括整流二极管D51、电容C51、电容C52、电阻R51。二极管D51和电容C51组成的整流滤波电路连接磁隔离输出电路的第一副边绕组，将交流信号转换成直流电平，再通过电阻R51和电容C52组成的低通滤波电路后输出Vout信号。
如图2所示，所述反馈采样电路包括整流二极管D61和电容C61。二极管D61和电容C61组成的整流滤波电路连接磁隔离输出电路的第二副边绕组，将交流信号转换成直流电平，作为反馈采样电路的输出端。
进一步的，二极管D61与整流输出电路的整流二极管D51的型号一致，电容C61与整流输出电流C51型号一致。因此反馈采样电路输出端信号Vout6等于整流输出电流输出端信号Vout。综上Vout=Vout6=Vout1=G*Iin+Vref。
如图2所示，所述振荡电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电容C21、电容C22、比较器U21。比较器U21的同相端通过电阻R21接供电电源、通过电阻R22接地、通过电阻R23接比较器U21的输出端，比较器U21的反相端通过电阻C21接地、通过电阻R24接U21的输出端。比较器U21的输出端通过电阻R26、电容C22组成的滤波网络后作为振荡电路的输出端。
本实施例先通过高精度仪表运放将电流信号转换为电压信号，实现双向电流采样，利用磁隔离变压器的原边绕组和第一副边绕组传递信号的同时，第二副边绕组的输出可调节原边脉宽调制电路占空比的大小进而修正输出采样信号，实现了闭环负反馈，消除了器件参数漂移等对输出采样信号的影响；另外，本实施例所采用的器件易于获取宇航等级，无辐照敏感器件，因此本电路适宜在航空航天领域高精度电流采样场合应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：其包括依次连接的电流采样及放大电路、误差放大电路、脉宽调制电路、磁隔离电路和整流输出电路，还包括振荡电路和反馈采样电路，所述振荡电路的输出端与脉宽调制电路的另一个输入端连接，所述反馈采样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端连接，所述反馈采样电路的输入端与所述磁隔离电路的另一个输出端连接。
2.根据权利要求1所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述电流采样及放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、运放U11、稳压芯片U12；所述电阻R11为四端子采样电阻，输入电流Iin流经电阻R11转换为电压信号，电阻R11的两个信号输出端分别经过由电阻R12、电阻R13、电容C11、电容C12、电容C13组成的滤波电路后连接运放U11的两个输入端，所述运放U11的输出端通过电阻R18、C14组成的滤波电路后，作为电流采样及放大电路的输出端；所述运放U11的REF端连接稳压芯片U12的输出端，所述运放U11的***分别连接电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17。
3.根据权利要求2所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述运放U11的型号为AD624。
4.根据权利要求3所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述误差放大电路包括电阻R71、电阻R72、电阻R73、电容C71、运放U71；所述运放U71的同相端通过电阻R72连接电流采样及放大电路的输出端，所述运放U71的反相端通过电阻R71连接反馈采样电路的输出端，所述运放U71的反相端还通过电阻R73和电容C71串联电路连接其输出端，所述运放U71的输出端作为误差放大电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述脉宽调制电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、比较器U31和MOS管Q31；所述比较器U31的同相端连接所述误差放大电路的输出端，所述比较器U31的反相端连振荡电路的输出端，所述比较器U31的输出端通过电阻R31连接供电电源，所述比较器U31的输出端还通过电阻R32连接MOS管Q31的栅极；所述MOS管Q31的栅极还通过电阻R33接地，所述MOS管Q31的源极接地，所述MOS管Q31的漏极作为脉宽调制电路的输出端。
6.根据权利要求5所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述磁隔离电路包括变压器T41；所述变压器T41原边绕组的一端连接供电电源，另外一端与所述脉宽调制电路的输出端连接；所述变压器T41的两个副边绕组作为磁隔离电路的两个输出端，两个绕组匝数一致。
7.根据权利要求6所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述整流输出电路包括整流二极管D51、电容C51、电容C52、电阻R51；所述二极管D51和电容C51组成的整流滤波电路连接所述磁隔离输出电路的一个输出端，将交流信号转换成直流电平，再通过电阻R51和电容C52组成的低通滤波电路后输出Vout信号。
8.根据权利要求7所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述反馈采样电路包括整流二极管D61和电容C61；所述二极管D61和电容C61组成的整流滤波电路连接磁隔离输出电路的另一个输出端，将交流信号转换成直流电平，作为反馈采样电路的输出端。
9.根据权利要求8所述的反馈型双向电流磁隔离采样电路，其特征在于：所述振荡电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电容C21、电容C22和比较器U21；所述比较器U21的同相端通过电阻R21接供电电源、通过电阻R22接地、通过电阻R23连接比较器U21的输出端，所述比较器U21的反相端通过电阻C21接地、通过电阻R24连接比较器U21的输出端；所述比较器U21的输出端通过电阻R26、电容C22组成的滤波网络后作为振荡电路的输出端。
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