一種不共地系統(tǒng)的電壓門限監(jiān)控電路

邢亞第

（中船重工集團(tuán)公司第七二六研究所,上海201108）

1 引言

電子產(chǎn)品中經(jīng)常需要對某些電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)所監(jiān)控電壓在門限電壓范圍之外時控制芯片產(chǎn)生報警信號[1-3]。比如作者遇到的情況是，由電池供電的系統(tǒng)中，隔離的單片機(jī)需要對對電池電壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電池電壓過低，不大于最大報警電壓（VCA）時，單片機(jī)產(chǎn)生報警信息；當(dāng)電池電壓不小于最小不報警電壓（VCUA）時，單片機(jī)不產(chǎn)生報警信息。如圖1電池電壓的門限監(jiān)控電路所示，圖中隔離轉(zhuǎn)換電路即本次用于不共地系統(tǒng)的電壓門限監(jiān)控電路。隔離轉(zhuǎn)換電路將圖1左邊被監(jiān)控的電壓信號（電池電壓VCC）轉(zhuǎn)化為可被圖1右邊監(jiān)控側(cè)的控制單元（以下簡稱MCU）識別、讀取的信息形式。MCU根據(jù)轉(zhuǎn)化后的信息，推斷出被監(jiān)控電壓是否達(dá)到門限要求。

2 方案設(shè)計

由于被監(jiān)控側(cè)與監(jiān)控側(cè)通過隔離DC/DC分開，分屬不同的電壓基準(zhǔn)，因此監(jiān)控側(cè)的MCU對于被監(jiān)控側(cè)電壓VCC的監(jiān)控需要通過隔離方式。常見的隔離方式有光隔離（光耦、光纖）、電磁隔離（變壓器等）[4]。由于電池組是直流供電，因此變壓器隔離的方式不適用。

光隔離的方式通常采用線性光耦加ADC采樣的方案[5-6]。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實現(xiàn)線性隔離的目的[7]。

圖1 電池電壓的門限監(jiān)控電路

傳統(tǒng)型的隔離轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，該方案的思路是，MCU對線性光耦耦合輸出的電壓采樣值進(jìn)行轉(zhuǎn)換求值，得出光耦前端的電源電壓值，進(jìn)而判斷其值是否超出電壓門限。該方案的優(yōu)點是可以準(zhǔn)確得知被監(jiān)控的電壓值；缺點是所需的元器件較多，成本較高，系統(tǒng)資源消耗也較大，且由于涉及運(yùn)算所以程序編寫、調(diào)試較復(fù)雜，時間開銷也較大。該方案適用于對被監(jiān)控電源的電壓值有實時線性要求的情況。

圖2 傳統(tǒng)型的隔離轉(zhuǎn)換電路框圖

針對以上缺點，當(dāng)未對被監(jiān)控電壓有實時線性要求時，我們可以采用數(shù)字化思維方式，將前端的報警門限電壓與后端MCU的輸入門檻電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換、關(guān)聯(lián)，將對監(jiān)控門限的比較操作前移至MCU的數(shù)字輸入端口。比如本例，僅要求在電池組電壓VCC≤VCA時MCU產(chǎn)生報警信息，VCC≥VCUA時不產(chǎn)生報警信息。因此隔離轉(zhuǎn)換電路僅需在被監(jiān)控電壓的以上兩個門限電壓處輸出不同的的邏輯電平即可。MCU根據(jù)隔離轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的邏輯電平，判斷是否需要產(chǎn)生報警信息，如圖3所示。該方案的優(yōu)點是，MCU的I/O資源開銷大幅下降，由N路輸出變?yōu)閱温份敵觯x用硬件成本也大幅降低，由于將模擬信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，因此提高了抗干擾能力，電路調(diào)試簡單，同時由于MCU無需進(jìn)行復(fù)雜的軟件運(yùn)算，系統(tǒng)的時間開銷也較少。

圖3 新型的隔離轉(zhuǎn)換電路框圖

光耦的輸出無需線性地映射為被監(jiān)控電壓值，僅需確保在預(yù)設(shè)的門限電壓值VCUA與VCA處輸出不同的邏輯電平即可。即，所需光耦輸出值由連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。例如本例，光耦在VCC≤VCA時產(chǎn)生的邏輯電平，觸發(fā)MCU的外部電平中斷，MCU據(jù)此可以快速判斷電池電壓低于報警電壓。

3 系統(tǒng)分析及計算

3.1 系統(tǒng)分析

為了在MCU的數(shù)字輸入端口產(chǎn)生符合數(shù)字門電路要求的邏輯電平，當(dāng)被監(jiān)控電壓處于邊界值時，光耦的光敏三極管應(yīng)處于開關(guān)狀態(tài)。本例中門電路采用正邏輯，當(dāng)VCC≥VCUA時，光耦的光敏三極管應(yīng)為飽和狀態(tài)，并且其在MCU的數(shù)字輸入端口產(chǎn)生的電平應(yīng)滿足MCU的邏輯高電平門檻電壓；同樣，VCC≤VCA時，光耦的光敏三極管應(yīng)為截止?fàn)顟B(tài)（IC=0），和/或其在MCU的數(shù)字輸入端口產(chǎn)生的電平應(yīng)滿足MCU的邏輯低電平的門檻電壓，即三極管輸出的電平邏輯，或者由光耦輸入端提供（由IF=0，導(dǎo)致IC=0，進(jìn)而VI=0），或者由光耦后端MCU的數(shù)字輸入門檻電壓提供（雖然IC＞0，但VI＜UIL）。

光耦通常歸類為流控器件，其轉(zhuǎn)化率CTR=IC/IF類似于三極管中的β。由于CTR在標(biāo)稱范圍內(nèi)離散性較大，為了確保三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，需要光耦在最壞情況下依然能夠滿足設(shè)計要求。即，在VCC≥VCUA條件下，即使CTR屬于標(biāo)稱低值，三極管仍處于飽和狀態(tài)；在VCC≤VCA條件下，即使CTR屬于標(biāo)稱高值三極管仍處于截止?fàn)顟B(tài)，考慮到VCA＜VCUA，以上要求同光耦光敏三極管的特性相反。基于上述原因，采用分壓電阻控制光耦輸入電流IF，進(jìn)而控制光耦光敏三極管輸出電壓的常規(guī)方案不可取。因此應(yīng)該利用某些元器件的數(shù)字特性，在光耦前端將監(jiān)控電壓或光耦的輸入電流進(jìn)行量化處理，進(jìn)而控制光耦光敏三極管輸出符合要求的邏輯電平。為此，本研究選用穩(wěn)壓管，來對前端元件的情況加以分析與計算。

3.2 參數(shù)分析與計算

由穩(wěn)壓管與光耦構(gòu)造的門限電壓監(jiān)控電路如圖4所示。

圖4 使用穩(wěn)壓管與普通光耦的門限電壓監(jiān)控電路

其中所選中的關(guān)鍵器件有穩(wěn)壓管V1，光耦E5，其關(guān)鍵參數(shù)如下：

可知，IZT=2mA，IZK=0.5mA。穩(wěn)壓管的膝點（轉(zhuǎn)折點）電流：I=IZK=0.5mA，即穩(wěn)壓管內(nèi)流過的電流必須不小于IZK=0.5mA才能保證穩(wěn)定電壓的功能。

光耦：

IF∈[0.5,5]時，CTR≥300%（特殊篩選）,待測電源電壓VCC，待測電源最大電壓VCCmax=57V；

單片機(jī)供電電壓：VDD=5V；

單片機(jī)的邏輯門檻電壓:UIH=0.8VDD=4V;UIL=0.18VDD=0.9V；

最小不報警電壓：VCUA=54V，即VCC≥VCUA時不報警（電壓充足）;

最大報警電壓：VCA=50V，即VCC≤VCA時報警（電壓過低）。

在已知上述條件下，需要給出合適的電阻值：R1、R2和 R3。

圖4中光敏三極管采用下拉形式進(jìn)行輸出。三極管輸出處于截止區(qū)或無輸出時，其后端單片機(jī)端口處產(chǎn)生邏輯低電平；三極管飽和輸出時，其在后端單片機(jī)端口處產(chǎn)生邏輯高電平。需要注意的是，三極管輸出處于放大區(qū)時，其在后端單片機(jī)端口處產(chǎn)生的電平不能確保為邏輯高電平。光敏三極管與

普通三極管類似，其飽和輸出條件為：

因此，使光敏三極管飽和輸出的最小光耦輸入電流為:

當(dāng)IF≥IFH時，光敏三極管飽和輸出，且輸出電壓滿足MCU的最小輸入高電壓。

已知 CTR≥300%，取 R3=3.9kΩ，則 IFH=0.43mA。

對于MCU的輸入邏輯低電平，可通過穩(wěn)壓二極管進(jìn)行控制產(chǎn)生。當(dāng)VCC≤VZmin=50V時，認(rèn)為穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，進(jìn)而IF=0，單片機(jī)端口處輸入邏輯低電平，滿足電壓過低產(chǎn)生報警信號的設(shè)計要求。因此，MCU輸入的邏輯低電平完全由穩(wěn)壓管特性控制產(chǎn)生。

為了使穩(wěn)壓管正常工作，流過穩(wěn)壓管的電流應(yīng)大于其膝點電流，即IZ≥IZK=0.5mA。本方案中需要在電壓大于最小不報警電壓時穩(wěn)壓管正常工作，以驅(qū)動光耦在單片機(jī)端口處產(chǎn)生輸入邏輯高電平。由圖4可知，IZ＞IR≥IZK時，穩(wěn)壓管正常工作。

以最低不報警電壓VCUA為邊界條件，計算穩(wěn)壓管正常工作的條件：

代入 VCUA=54V，VZmax=52V，得R1≤ 4kΩ，取R1=3.9kΩ；

為了保護(hù)穩(wěn)壓二極管，應(yīng)對其流過電流進(jìn)行限制?？紤]實際使用情況，應(yīng)對穩(wěn)壓二極管的IZmax進(jìn)行降額[8]。如果采用I級降額，IZlim|i=0.5Izmax=5mA。IR與 IF均隨IZ的增大而增大，因此：

在I級降額的情況下IZmax=IZlim|i=0.5Izmax，代入VCCmax=57V，VZmin=50V，VCUA=54V，VZmax=52V，得：IRmax≈1.8mA，IRmin≈0.51mA，IFmax=3.2mA。限流電阻R2應(yīng)使IF同時滿足IFH與IZlim的要求：

由于VF與IF的正相關(guān)關(guān)系，在利用公式(11)計算IFmax所對應(yīng)的R2的值時，選取IF=IFmax=3.2mA時所對應(yīng)的VF的值，是可以接受的近似運(yùn)算。

通過查光耦參數(shù)圖，如圖5所示，可知VF|IF=3.2mA≈1.25V。

圖5 光偶參數(shù)IF～VF～Ta關(guān)系曲線圖

又由公式(7)、(11)、(12)，可得：

取R2=2kΩ。

查光耦參數(shù)圖，圖中最小IF=1mA，對應(yīng)的VF≈1.2V。又由公式(8)、(11)、(12)，可得：

在R2阻值的選取滿足IZmax，IZmin的同時，還需要滿足IF＞IFH（即IFmin）的要求，也是使光敏三極管飽和輸出的要求。

由于IFmin=(54-52-1.2)/2=0.4mA，而IFH=0.43mA，則 IFmin＜IFH，說明以上 R1，R2，R3的取值無法同時滿足IZ的I級降額、穩(wěn)壓管膝點電流IZK和IF的最小電流IFH這三者的要求。

3.3 參數(shù)修正

修正參數(shù)有兩個思路：下調(diào)IFH(下文的條件a)；降低IZ的降額標(biāo)準(zhǔn)（下文的條件b）。

條件a：下調(diào)IFH

下調(diào) IFH，使 IFmin'≥IFH。根據(jù)公式(3)，提高 R3可以降低IFH。

選取R3=4.7kΩ，IFH=0.354mA ＜I'Fmin

選取R3=4.3kΩ，IFH=0.39 mA＜I'Fmin

所以 R3≥ 4.3kΩ時，同時滿足IZ的I級降額與IFH的要求。

條件b：降低IZ的降額等級至II級

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，有時電路不需工作在I級降額條件，我們可以適當(dāng)降低降額等級至II級。根據(jù)國軍標(biāo)要求，II降額時IZmax|II=0.65IZmax=6.5mA。根據(jù)公式 (6)，R1≤4kΩ，選取R1=3.9kΩ。根據(jù)公式(7)，得IRmax|II=1.8mA。根據(jù)公式 (10)，IFmax|II=IZmax|IIIRmax|II=6.5-1.8=4.7mA。查光耦圖可知，VF|IF=4.7mA≈1.35V。根據(jù)公式(13)得 R2 ≥1.2kΩ，取 R2=1.5kΩ。

根據(jù)公式(7)、(9)、(13)，有：

根據(jù)公式(8)、(14)、(15)，得：

3.4 參數(shù)校驗

校驗不同條件下R1，R2，R3的取值是否滿足電路要求。

條件a:

R1=3.9kΩ±1%，R2=2kΩ±1%，R3=4.7k±1%，穩(wěn)壓二極管采用I級降額，IZmax|I=0.5Izmax=5mA。

計及電阻差值的情況下，有：

且IFmin|a＞IFH|a。

所以，以上電阻取值滿足穩(wěn)壓二極管在I級降額下正常工作，并在取樣電壓大于最小不報警電壓時，光耦輸出端三極管呈現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)。

條件b:

R1=3.9kΩ±1%，R2=1.5kΩ±1%，R3=3.9kΩ±1%，穩(wěn)壓二極管采用II級降額,IZmax|II=6.5Izmax=5mA，IFH|b=0.43mA。

且IFmin|b＞IFH|b。

所以，以上電阻取值滿足穩(wěn)壓二極管在II級降額下正常工作，并在取樣電壓大于最小不報警電壓時，光耦輸出端三極管呈現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)。

4 結(jié)束語

在使用穩(wěn)壓管與普通光耦代替線性光耦與ADC芯片的基礎(chǔ)上，針對構(gòu)建該隔離轉(zhuǎn)換電路的元器件的參數(shù)選取進(jìn)行討論與計算，并根據(jù)不同應(yīng)用條件下的降額標(biāo)準(zhǔn)，對參數(shù)進(jìn)行必要修正。該轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)建，降低了電路成本的同時，使電路結(jié)構(gòu)更緊湊，降低空間需求。進(jìn)一步地，門限電壓向邏輯電平的映射關(guān)系已在電路構(gòu)建階段完成，降低了電路運(yùn)行階段對于后端MCU的運(yùn)算需求。

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