一種高精密電流互感器的接口電路設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高精密電流互感器的接口電路，特別是利用半導體器件一致性高的特點，在滿足電流互感器負載匹配條件下，以最小的接口干涉特性，獲得電流互感器的真實輸出；電路設(shè)計中電流互感器的信號被優(yōu)化放大，使得后級電路能夠獲得最大的信噪比；接口電路中的直流分量，在信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，能夠在數(shù)字信號處理部分被很容易地濾除。
【專利說明】—種高精密電流互感器的接口電路設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路、電路硬件設(shè)計和DSP設(shè)計領(lǐng)域，特別是一種利用先進的電路設(shè)計技術(shù)，針對高精密電流互感器的接口電路。接口電路在盡可能不影響電流互感器工作以及帶動負載的努力下，降低對信號的干擾以及正確匹配偏置電壓，使得后級電路的處理降低難度，提高信噪比；針對微小的直流偏置偏差，利用成熟的DSP技術(shù)，設(shè)計數(shù)字濾波器濾除相關(guān)的直流分量。
技術(shù)背景
[0002]電流互感器起到變流和電氣隔離作用，是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表、繼電保護等。
[0003]電流互感器是當前智能電網(wǎng)、智能電器中不可或缺的部件，但是由于接口電路設(shè)計不當，造成后級電路處理的開銷指數(shù)式增加，成本上升而且整體性能下降。
[0004]當前的驅(qū)動器電路，將電流互感器以及負載直接暴露在后級電路處理回路中，不考慮電流互感器本身的性能以及后級電路對電流互感器造成的擾動，從而很難達到高精密電流互感器需要的精確度。當前設(shè)計如圖1所示。
[0005]連接關(guān)系如下:電流互感器輸出端口分別與負載電阻R1、R2連接，電阻Rl另外一端與電容C1、C4、電阻R5以及運算放大器負輸入端口連接，電阻R2分別與電阻R4、R3、電容C3、運算放大器的正輸入端口連接，電阻R4接地，電阻R3與電源VCC連接，運算放大器輸出端口與電阻R5、電容C4連接。
[0006]工作過程如下:當電流互感器沒有輸出時，電阻R3、R4分壓，給運算放大器以及電流互感器提供直流偏置，偏置電壓為VCC*R4 / (R3+R4)，運算放大器的負輸入端口電壓與正輸入端口一致，運算放大器的輸出為直流偏置電壓。一般設(shè)定R3=R4，則直流偏置電壓為VCC / 2。
[0007]當電流互感器有電流I流動時，運算放大器正輸入端口電壓為VCC / 2+I*R4，運算放大器輸出端口電壓
[0008]Vout=Vcc / 2+1*(R4+R5)
[0009]在負載電阻R1=R2時，電流互感器輸出端口電壓差為_I*R4，這樣才能夠使得運算放大器的兩個輸入端口電壓相等，滿足運算放大器工作的條件。
[0010]當R4=R1+R2時，電流互感器處于最佳的工作狀態(tài)。
[0011 ] 傳統(tǒng)方法的缺點為:
[0012]電流互感器的輸出直接驅(qū)動放大回路，需要較強的電流驅(qū)動能力；
[0013]電流互感器以單端模式輸出，信號放大倍數(shù)??；
[0014]不同頻率下負載變化時，后級電路對電流互感器的影響增加；
[0015]接口電路不能夠濾除共模信號的干擾；
[0016]電流互感器和接口電路工作在較低的頻帶內(nèi)。[0017]本
【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明是通過如下方法實現(xiàn)的。
[0019]如圖3所示為基于中值偏壓的單邊運算放大器寬頻接口電路，連接關(guān)系為:電流互感器輸出端與負載電阻R3、R4以及PNP晶體管T2、T3基極連接，電阻R4、R3、R6與NPN晶體管Tl的射極連接，Tl基極與電阻R7、R8以及電容C5連接，T2射極與R9、Rl連接，T3射極與RlO、R2連接，運算放大器opAMP負輸入端與電阻Rl、R5以及電容Cl、C2、C4連接，運算放大器opAMP正輸入端與電阻R2、以及電容C3、C2連接，運算放大器opAMP輸出端口與C4、R5連接，晶體管Tl集電極、電阻R8、R9、R10與VCC連接，晶體管T2、T3集電極、電阻R6、R7和電容C1、C3、C5與GND連接。
[0020]工作原理如下:設(shè)定R7=R8，Rload為匹配的負載阻抗，晶體管Tl為電流互感器提供的中間點直流偏置電壓為VCC / 2-Vbe，在電流互感器沒有輸出的情況下，晶體管T2、T3的基極電壓為VCC / 2-Vbe，而射極的直流工作點為VCC / 2-Vbe+Vbe=VCC / 2，即運算放大器opAMP的兩個輸入端口的直流電壓為VCC / 2。
[0021]當電流互感器開始工作時，設(shè)定電流為I，以及負載R3=R4=RLoad / 2，則在T2基極電壓為 VCC / 2-Vbe+I*Rload / 2，T3 基極電壓為 VCC / 2-Vbe_I*Rload / 2。
[0022]T2 射極電壓為 VCC / 2_Vbe+I*Rload / 2+Vbe=VCC / 2+I*Rload / 2
[0023]T3 射極電壓為 VCC / 2-Vbe_I*Rload / 2+Vbe=VCC / 2_I*Rload / 2
[0024]運算放大器正輸入端為T3集電極電壓，則運算放大器的輸出為
[0025]Vout=(正輸入端電壓-負輸入端電壓)/ R1*R5
[0026]=_I*Rload / R1*R5
[0027]晶體管T2基極電流經(jīng)過R3到晶體管Tl射極，晶體管Τ3基極電流經(jīng)過R4到晶體管Tl射極，設(shè)計中只要保證電阻R9與RIO、R3與R4、晶體管Τ2與Τ3的匹配，就可以將高精密電流互感器的輸出無失真地傳遞到后級電路。
[0028]設(shè)定晶體管Τ2、Τ3的電流放大參數(shù)β匹配誤差為5%，電阻R3、R4的匹配誤差為I %，則接口電路直流工作點的誤差為0.05%，遠遠高于一般電流互感器0.1 %的精度。
[0029]在電流互感器處于工作狀態(tài)下，晶體管T2、T3的基極電壓會發(fā)生變化，從而導致相應(yīng)的集電極電流變化。
[0030]T2 射極電流=(VCC_ 集電極電壓)/ R9=(VCC / 2_I*Rload / 2) / R9
[0031]T3 射極電流=(VCC_ 集電極電壓)/ RlO= (VCC / 2+I*Rload / 2) / RlO
[0032]集電極電流的變化會導致Vbe電壓有輕微的偏移，偏移過大會影響精密電流互感器的輸出，在此情況下的措施為
[0033]電阻R9、RlO更換為恒流源；
[0034]電阻Rl、R2、R5的阻值為電阻R3、R4的100倍以上；
[0035]晶體管T2、T3更換為達林頓晶體管。
[0036]本發(fā)明的優(yōu)點為:
[0037]信號的放大倍數(shù)優(yōu)化，有效提高后級ADC的轉(zhuǎn)換范圍，提高信噪比；
[0038]電流互感器與負載作為一個整體，與后續(xù)處理電路實現(xiàn)信號隔離；
[0039]電流互感器的驅(qū)動能力不再有嚴格的要求；
[0040]信號在進入運算放大器之前是全差分的，有效降低噪聲以及共模信號干擾；[0041]接口電路可以工作在更大的頻寬內(nèi)?！緦＠綀D】

【附圖說明】。
[0042]圖1:現(xiàn)在的接口電路結(jié)構(gòu)
[0043]圖2:以地為中點的電流互感器電路結(jié)構(gòu)
[0044]圖3:基于中值偏壓的單邊運算放大器寬頻接口電路
[0045]圖4:低頻全差分運算放大器接口電路
[0046]圖5:高精度全差分運算放大器寬頻接口電路
【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步的詳述。
[0048]如圖2所示以地為中點的電流互感器電路結(jié)構(gòu)，連接關(guān)系為:電流互感器輸出接負載R7、R8以及晶體管T2、T3的基極，Τ2射極與R9、R1連接，T3射極與R10、R2連接，運算放大器的負輸入端口與町、1?4、1?5、(:1、02、(:4連接，運算放大器的正輸入端口與R2、R3、C2、C3連接，運算放大器的輸出端與C4、R5連接，電阻R7、R8、電容C3、C1和晶體管T2、T3集電極接地，R3、R4、R9、RlO與VCC連接。
[0049]工作原理為:一般設(shè)定R1=R2，R3=R4, R7=R8, R9=R10，運算放大器的正輸入端偏執(zhí)電壓=Vbe+(VCC-Vbe) / (R2+R3) *R2，正輸入端偏執(zhí)電壓=Vbe+(VCC-Vbe) / (R1+R4)*R1。
[0050]當電流互感器有輸出電流I，在負載上分別產(chǎn)生壓降，則
[0051]晶體管T2基極電壓為I*R7，晶體管T3基極電壓為_I*R8。
[0052]Vout=-1*Rload / R1*R5
[0053]如圖4所示低頻全差分運算放大器接口電路，連接關(guān)系為:電流互感器的一端輸出與電阻Rl、R3、電容Cl連接，電流互感器另外一端與電阻R2、R4、電容C2連接，全差分運算放大器FDopAMP負輸入端與R3、C3、R6連接，正輸入端與R4、C4、R5連接，全差分運算放大器FDopAMP負輸出端與R5、C4、R8連接，負輸出端與R6、C3、R7連接，運算放大器opAMP正輸入端與電阻R8連接，負輸入端與R7、R9、C5連接，輸出與C5、R9連接。
[0054]工作原理為:一般設(shè)定Rl=R2=Rload / 2，R3=R4，R5=R6，R7=R8，C1=C2。當電流互感器有輸出電流I時，信號經(jīng)過FDopAMP兩路差分放大，在運算放大器opAMP中合成一路。
[0055]FDopAMP 正輸出端信號=I*R1*R6 / R3
[0056]FDopAMP 負輸出端信號=_I*R2*R5 / R4
[0057]運算放大器opAMP輸出為
[0058]Vout=_I*Rload* (R6 / R3)*(R9 / R7
[0059]如圖5所示高精度全差分運算放大器寬頻接口電路，連接關(guān)系為:電流互感器輸出端與負載電阻R3、R4、Cl、C2以及PNP達林頓晶體管T2、T3基極連接，電阻R4、R3、R6與NPN晶體管Tl的射極連接，Tl基極與電阻R7、R8以及電容C5連接，T2射極與R9、R1連接，T3射極與R10、R2連接，全差分運算放大器FDopAMP負輸入端與電阻Rl、Rll以及電容C3連接，運算放大器FDopAMP正輸入端與電阻R2、R12以及電容C4連接，全差分運算放大器FDopAMP正輸出端口與C3、R11以及ADC Module連接并且命名為VoutP，全差分運算放大器FDopAMP負輸出端口與C4、R12以及ADC Module連接并且命名為VoutN，晶體管Tl集電極、電阻R8、R9、R10與VCC連接，晶體管T2、T3集電極、電阻R6、R7和電容C1、C3、C5與GND連接，全差分運算放大器的共模電壓輸入Vcom與晶體管Tl集電極連接。
[0060]工作原理為:一般設(shè)定R3=R4=Rload / 2，C1=C2，R7=R8，R9=R10, R1=R2，R11=R12，C3=C4。
[0061]晶體管Tl為電流互感器提供的中間點直流偏置電壓為VCC / 2_2*Vbe，在電流互感器沒有輸出的情況下，晶體管T2、T3的基極電壓為VCC / 2-2*Vbe，而射極的直流工作點為VCC / 2-2*Vbe+2*Vbe=VCC / 2，即運算放大器opAMP的兩個輸入端口的直流電壓為VCC / 2。
[0062]當電流互感器開始工作時，設(shè)定電流為I，以及負載R3=R4=RLoad / 2，則在T2基極電壓為 VCC / 2-Vbe+I*Rload / 2，T3 基極電壓為 VCC / 2-Vbe_I*Rload / 2。
[0063]T2 射極電壓為 VCC / 2_2*Vbe+I*Rload / 2+2*Vbe=VCC / 2+I*Rload / 2
[0064]T3 射極電壓為 VCC / 2-2*Vbe_I*Rload / 2+2*Vbe=VCC / 2_I*Rload / 2
[0065]全差分運算放大器FDopAMP正輸出端為
[0066]VoutP=I*Rload / 2*(Rll / Rl)
[0067]全差分運算放大器FDopAMP負輸出端為
[0068]VoutN=-1*Rload / 2*(R12 / R2)
【權(quán)利要求】
1.一種高精密電流互感器的接口電路，包括3個部分:直流偏置加入模組、接口電路主干模組、信號放大電路。直流偏置加入模組是針對單電源工作的后級電路，在電流互感器信號中加入直流分量，避免信號失真；接口電路主干模組拾取電流互感器負載上的電壓信號，同時避免對負載造成精度上的損失，以及優(yōu)化直流偏置分量，使得信號的放大倍數(shù)可以設(shè)定在最高值以提高信噪比；信號放大電路根據(jù)設(shè)定的倍數(shù)針對電流互感器信號進行放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述構(gòu)造的電流互感器負載，其特征為:負載為電流互感器制造廠家推薦的最佳數(shù)值，可以為阻性負載，也可以是電容性或者電感性負載。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述構(gòu)造的直流偏置加入模組，其特征為:直流偏置電壓大于電流互感器負載輸出最大值的50%，并且直流偏置電壓施加在電流互感器兩端的電壓是相同的，同時為電流互感器的輸出構(gòu)造一個接地點。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述構(gòu)造的接口電路主干模組，其特征為:接口電路拾取電流互感器輸出負載兩端的電壓信號，而對負載造成的干擾遠遠小于電流互感器精度的要求；接口電路對直流偏置進行信號放大前調(diào)整，調(diào)整到后級電路電源電壓的50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述構(gòu)造的信號放大電路，其特征為:信號放大倍數(shù)是最大的，放大電路中直流偏置分量互相抵消。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的精密電流互感器接口電路，其特征為:電流互感器輸出載負載上的信號被拾取后，直到信號進入運算放大器之前，信號的傳輸是全差分結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的精密電流互感器中直流分量的濾除，其特征為:直流分量僅在信號中占有很低的比例，可以通過數(shù)字濾波器濾除，數(shù)字濾波器的參數(shù)設(shè)定根據(jù)實際需要設(shè)置。
【文檔編號】G01R15/18GK103499726SQ201310454148
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】尹登慶 申請人:深圳市智遠能科技有限公司