交流電源電壓隔離采樣方式的實(shí)現(xiàn)

摘要針對(duì)通信電源健康管理的需求文章介紹了常用的單相交流電壓采樣方式。為滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求文章選用國產(chǎn)化器件實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。通過參數(shù)計(jì)算文章設(shè)計(jì)了以芯片為核心器件的隔離交流采樣電路。此電路通過簡單、可靠的電路采集電壓信息并通過隔離方式將采集信息發(fā)送給上位機(jī)。最終采用模塊化設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模塊的有效性。

關(guān)鍵詞健康管理;國產(chǎn)化;模塊化;交流電壓;隔離采樣

中圖法分類號(hào)：TM76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Realization of voltage isolation sampling mode of AC power supply

Ll Peng

（Hebei Far East Communication System Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：Aiming at the requirement of communication power supply health management，thecommon single-phase AC voltage sampling method is introduced.In order to meet the requirementsof practical engineering applications，the hardware circuit is designed by using home-made devices. Byparameter calculation，an isolated AC sampling circuit based on NSI1311-DSWVR chip is designed.This circuit collects voltage information through simple and reliable circuit，and sends the collectedinformation to the upper computer through isolation mode.Finally，the modular design is adopted toverify the effectiveness of the designed module through experiments.

Key words：health management，localization，modular，AC voltage，isolated sampling

1? 引言

隨著科技進(jìn)步，新型通信設(shè)備對(duì)設(shè)備自身的健康管理要求越來越高。設(shè)備健康管理是基于人機(jī)結(jié)合的具有前瞻性的管理方式，其核心是關(guān)注設(shè)備本身的關(guān)鍵性“健康”指標(biāo)，通過健康狀態(tài)管理和故障預(yù)測(cè)等手段，確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，在事故發(fā)生之前提前做出判斷，避免重大事故的發(fā)生。

電源在通信設(shè)備中具有十分重要的作用，可以說是其心臟。可靠、穩(wěn)定的供電電源是保證設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行的前提[1]。因此，通信設(shè)備對(duì)電源的可靠性要求越來越高。提高其可靠運(yùn)行的方式很多種，目前常見的有通過檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)對(duì)設(shè)備定期檢查、定期維護(hù)保養(yǎng)?，F(xiàn)階段，可以通過將設(shè)備輸入電壓狀態(tài)納入設(shè)備健康管理，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的交流輸入電壓，保證設(shè)備在正常輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，同時(shí)在輸入電壓異常，尤其是輸入電壓長期過高、或過低時(shí)，發(fā)出警告或關(guān)閉供電系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)安全。因此，如何準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、可靠的采集交流電壓信息成為關(guān)鍵。同時(shí)，為了適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭，也為了滿足關(guān)鍵技術(shù)的自主可控要求，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，本文通過采用全國產(chǎn)器件，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)、簡單的交流電壓采樣電路，為通信設(shè)備尤其是通信電源的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

2? 交流電壓采樣方法

為了準(zhǔn)確采集交流電壓，本文選取市面上能買到的便攜式電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)儀器，此類儀器技術(shù)成熟、攜帶方便、外觀簡潔、易于維護(hù)，但是由于體積較大，不適合放置于通信設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電壓采集功能。除成熟產(chǎn)品外，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流電壓采樣電路進(jìn)行了研究，目前常見的方式有過零信號(hào)檢測(cè)、同步直流采樣。在上述方案中，電路相對(duì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是其沒有解決采樣信號(hào)與交流信號(hào)零線或整流橋輸出負(fù)端共地問題，采樣電路安全性有待提高。為了解決共地問題，工程應(yīng)用中采用隔離變壓器的方式，將交流電壓通過固定變比隔離變壓器進(jìn)行降壓，然后通過二極管整流、電容濾波得到低壓直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集，但是工頻變壓器體積較大，重量大等缺點(diǎn)導(dǎo)致其不易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。本文基于隔離運(yùn)算放大器 NSI1311?DSWVR 設(shè)計(jì)了無工頻變壓器的隔離采樣電路，并實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，硬件電路簡單可靠、易于安裝、應(yīng)用方便。

3? 原理框圖

本設(shè)計(jì)的基本原理是：首先，將交變電壓通過橋式整流變換為穩(wěn)定的高壓直流電壓，然后通過輔助電源得到兩個(gè)隔離的5V 電壓，為隔離的采樣電路供電;采樣電路通過分壓方式將高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)，并利用隔離運(yùn)算放大器將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與高壓直流側(cè)不共地的電壓信號(hào)。其基本原理框圖如圖1 所示。

4? 整流濾波電路

本部分使用樂山無線電股份有限公司的型號(hào)為 ABS10的整流橋，其耐壓值為1000V ，正向均值電流值為1A;由于負(fù)載功率較小，結(jié)合成本及通用性等因素，濾波電容選用450V/22uF 電解電容[2]。其電路圖如圖2 所示。

經(jīng)過整流濾波后，輸出電壓 VO1與交流輸入電壓有效值 Vin 的關(guān)系為：

其中，由于上述關(guān)系，并且受電容耐壓值影響，本設(shè)計(jì)最大輸入電壓有效值不超過300V。

5? 輔助電源

輔助電源采用非隔離的 KP3212芯片實(shí)現(xiàn)高壓到+5V1的轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖3 所示。

KP3212是一款高性能低成本 PWM 控制功率開關(guān)，芯片本身集成了高壓650V 高壓 MOSFET，可滿足85Vac ～315Vac 輸入的使用條件，其外圍電路簡單、器件個(gè)數(shù)少，待機(jī)功耗低。同時(shí)，該芯片集成了完備的自恢復(fù)保護(hù)功能，即 VDD 欠壓保護(hù)、逐周期電流限制、輸出過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)等，能夠?yàn)殡娐返陌踩?、可靠運(yùn)行保駕護(hù)航[3～ 5]。

本設(shè)計(jì)中，根據(jù)推薦電路，選取反饋電阻值 R15= 1.2kΩ，R17=2.2 kΩ即可實(shí)現(xiàn)+5V1的穩(wěn)定輸出。然后，通過隔離開關(guān)電源 B0505ST16?W5實(shí)現(xiàn)+5V1與+5V2之間的電氣隔離。具體電路見圖4。

B0505ST16?W5具有高達(dá)5kVAC 的隔離耐壓，因此完全滿足一般設(shè)備的1500VAC 隔離耐壓要求，且內(nèi)置軟啟動(dòng)、過溫保護(hù)、輸出過載保護(hù)以及短路保護(hù)等功能。其外圍電路極其簡單，本設(shè)計(jì)由于只實(shí)現(xiàn)電源隔離功能，因此其外圍電路只需兩個(gè)10uF 電容和一個(gè)0Ω電阻。

6? 采樣電路

為了實(shí)現(xiàn)隔離采樣，使用納新微公司的 NSI1311? DSWVR 的隔離運(yùn)放采樣[6] ，其內(nèi)部框圖如圖5 所示。

NSI1311?DSWVR 采用刷路隔離供電，實(shí)現(xiàn)輸入-輸出兩側(cè)的電氣隔離。其不僅能采樣電壓，高達(dá)5000Vrms 的絕緣電壓還使其具有優(yōu)秀的隔離作用。同時(shí)，NSI1311?DSWVR 的低偏移誤差±1.5mV 和漂移-5～ 30μV/° C ，保證了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。150kV/μs 的高共模瞬變抗擾度也能夠確保提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。其放大比例固定為1 ∶1。

本設(shè)計(jì)利用 NSI1311?DSWVR 完成電壓采樣，其電路圖如圖6 所示。

由于 NSI1311?DSWVR 輸入要求為0.1V ～2V ，因此需要將高壓直流電壓通過高精度電阻分壓，本設(shè)計(jì)中選擇 R3=R4=R5=300kΩ，R9=4.3kΩ，因此運(yùn)算放大器輸入電壓值 VO2為：

同時(shí)，選用圣邦微的運(yùn)算放大器 SGM8276?1AXN5G 將前級(jí)得到的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，傳送給上位機(jī)進(jìn)行 ADC 采樣。

本設(shè)計(jì)選擇 R6=R8=R10=R12= 10kΩ，通過計(jì)算可得供 ADC 采樣的電壓 VADC 為：

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)上位機(jī)通過采樣后，將所得采樣值通過相應(yīng)換算即可得到實(shí)際電壓值，通過計(jì)算以及實(shí)際測(cè)量修正，采用公式（4），得到所測(cè)的電壓值 Vin0：

7? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了便于使用及易于安裝，最終電路封裝為模塊形式，模塊尺寸為36×27×12.7mm ，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。該模塊六面屏蔽，在滿足安全性的同時(shí)，不會(huì)對(duì)其他電路造成電磁輻射，也不易于受到其他設(shè)備電磁輻射影響[7]。

考慮實(shí)際工程應(yīng)用以及設(shè)備安全性，本設(shè)計(jì)采樣交流電壓有效值范圍為85V ～300V ，利用程控交流源，上位機(jī)等完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，每隔5V 取一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試誤差絕對(duì)值如圖8 所示。

由上述結(jié)果可知，測(cè)試值與實(shí)際值接近，誤差較小，可滿足實(shí)際通信設(shè)備對(duì)電源電壓監(jiān)控的要求。

8? 結(jié)束語

本文在不使用工頻變壓器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了交流電源電壓的采樣;利用隔離輔助電源以及隔離運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)了采樣電路的隔離;模塊化設(shè)計(jì)不僅加強(qiáng)了電路本身的安全性，還易于安裝、操作方便;采用國產(chǎn)器件降低了制造成本，增強(qiáng)了模塊的自主可控等級(jí)。這有利于模塊的推廣及應(yīng)用。

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作者簡介：

李朋（1989—） ，碩士，工程師，研究方向：時(shí)間頻率源、開關(guān)電源。