線性光耦在充電樁信號采集隔離電路中的應用

交流充電樁是新能源汽車的配套基礎設施之一，交流充電樁的普及程度直接影響到新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。為了設計一款高可靠、低成本的交流充電樁，服務新能源汽車及交通運輸行業(yè)的發(fā)展需求，文章提出使用線性光耦HCNR200/201設計交流充電樁CP信號采集隔離電路，并分析了隔離傳輸電路設計工作原理及實際應用領域，可有效解決電動汽車交流充電樁CP電壓信號采集電路設計問題。

交通強國;線性光耦;HCNR200/201;充電樁;線性控制

U469.72A481744

0 引言

為了響應我國政策號召，促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)智慧交通強國之夢，建設方便、快捷、高效、安全的智能交流充電樁，是服務現(xiàn)代交通運輸產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的需求，同時也是一項惠民工程?，F(xiàn)代電子線路按照用電高低壓分為弱電和強電，兩者是兩個相對立的概念，弱電一般指直流24 V以下或交流36 V以內(nèi)的音視頻、網(wǎng)絡電信號;而強電指電工領域的電力部分，具有高電壓、大電流、大功率等特點。電子工程師設計系統(tǒng)控制電路一般使用弱電直流24 V以下供電，常見電子線路使用5 V或者3.3 V供電。在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)中通常有弱電和強電同時存在的情況，并且經(jīng)常需要使用弱電數(shù)字線路去測量和控制強電模擬線路，因而弱電數(shù)字電子線路和強電模擬電子線路之間需要設計電氣隔離電路，提高系統(tǒng)的可靠性，同時要求測量和控制的精度較高。

在工業(yè)控制及測量電路中，工程師經(jīng)常需要對高壓強電線路進行電壓、電流信號采集及控制，涉及運用弱電線路采集控制強電的電路設計，弱電和強電之間一般設計線性隔離電路以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，同時提高采集信號的精度。常見隔離電路經(jīng)常廣泛應用在開關電源、強電采集控制等數(shù)字和模擬線路中，起到電氣隔離、減少信號串擾等作用。許多隔離電路只起到數(shù)字隔離的作用，達不到線性隔離的效果。為了提高采集和控制的精度，有些應用領域需要設計線性隔離采集控制電路。本文引入線性光耦HCNR200/201構成的線性隔離電路，該光耦具有隔離電壓峰值高達8 000 V、輸入和輸出電壓跟隨線性度好（典型值0.01%）等優(yōu)點[1]，可實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的線性隔離作用。

1 汽車交流充電樁CP信號簡介

隨著我國對電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大力推進，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步跟上發(fā)達國家步伐，充電樁作為電動汽車的“加電站”，在一定時期內(nèi)具有很大市場需求[2]。電動汽車交流充電樁控制導引功能信號的英文名稱為Control Pilot Function，簡稱CP。CP線上的電壓值根據(jù)充電過程分三種狀態(tài)，典型直流電壓值分別為12 V、9 V、6 V。充電樁微處理器STM32F103RCT6通過使用內(nèi)部模數(shù)轉換ADC對CP電壓采集，經(jīng)過辨別三種差別的電壓值來判別充電狀態(tài)，因此交流充電樁需要設計一個能采集識別直流電壓6～12 V的接口電路。同時，充分考慮信號采集精度和線性度問題，通過設計隔離電路減少強電和弱電之間的信號干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 線性光耦的工作原理

2.1 線性光耦HCNR200/201簡介

HCNR200/201集成電路芯片是Agilent公司生產(chǎn)的高精度線性光電耦合器[3]，該器件具有增益?zhèn)鬟f線性度典型值高達0.01%、直流信號帶寬>1 MHz、隔離電壓高達1 414 V等優(yōu)點，可工作在單極性/雙極性、交流/直流、反向/正向多種工作模式，常用于工業(yè)控制、電機電源監(jiān)測、模擬信號隔離等領域。

HCNR200/201通常采用400mil寬體DIP8雙列直插封裝，各個引腳結構頂視示意圖如圖1所示。

HCNR200/201內(nèi)部由一個鋁砷化鎵光電發(fā)射二極管LED和兩個光電接收管PD1和PD2構成，如圖1所示。其中，PD1為反饋光敏二極管起到反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)定LED的作用，對LED工作非線性有效的補償，PD2為輸出光敏二極管，當在芯片第1、2引腳外加一定電壓VF時，流過LED的電流為IF，LED發(fā)出的光通量被PD1和PD2吸收，流過PD1和PD2的電流分別為IPD1和IPD2，查閱芯片手冊可得到IPD1和IPD2的大小和IF成一定線性比例關系[4]，電流增益K1和K2分別為：

K1=IPD1IF （1）

K2=IPD2IF （2）

2.2 HCNR200/201典型應用電路

HCNR200/201應用電路需配合運算放大器使用，線性隔離典型電路結構如圖2所示。

圖2中輸入電壓為VIN，根據(jù)運算放大器虛短虛斷的工作原理得知A1同相輸入端電壓V+和反相輸入端電壓V-均為0 V，因此根據(jù)歐姆定律可以推算出流過PD1的電流為：

IPD1=VINR1 （3）

圖2中輸出電壓為VOUT，同樣根據(jù)運算放大器虛短虛斷的工作原理及歐姆定律可以推算出流過PD2的電流為：

IPD2=VOUTR2 （4）

又因為HCNR200/201傳輸轉換增益K3有以下關系：

K3=IPD2IPD1 （5）

根據(jù)HCNR200/201芯片手冊參數(shù)特性可知K3的典型值為1，即流過兩個光敏接收管的電流IPD2和IPD1相等，由式（3）～（5）可以推算出輸出電壓VOUT和輸入電壓VIN的函數(shù)關系為：

VOUT=R2R1×VIN （6）

由式（6）可知，線性隔離電路的輸出電壓和輸入電壓之間的比例關系由電阻R2和R1阻值大小決定，用戶可以選擇不同的阻值使得輸出電壓得到放大、衰減或者跟隨相等。

2.3 HCNR200/201實際應用電路

HCNR200/201芯片實踐應用電路需要增加外圍阻容元器件，穩(wěn)固輸入部分流過LED的電流，從而優(yōu)化電路的功能，線性隔離實際應用電路結構如圖3所示。

圖3實際應用電路中HCNR200/201在光電壓模式下工作，運算放大器A1、A2構成反相比例放大電路，輸入電壓信號VIN和輸出VOUT相位相同，C1起到負反饋的作用，同時能夠濾除電路中的毛刺干擾信號，避免鋁砷化鎵光電發(fā)射二極管LED遭到干擾信號的沖擊[1]。在純電容電路中，通過交流信號的頻率F和電容量C及容抗XC有如下關系：

F=12πCXC （7）

按照式（7）分析，當通過的交流信號頻率升高，容抗XC將會變小，運放的增益隨之降低，因此加入C1對運放的通頻帶有一定的影響，在實際使用中選擇合適的C1容值即可。R3是LED的限流電阻，用于限制LED的發(fā)光強度，C2具有頻率補償?shù)墓δ茏饔肹5]。

3 CP信號采集電路的設計

3.1 運放的選擇

從芯片HCNR200/201手冊參數(shù)介紹說明可知，經(jīng)過發(fā)射LED二極管的額定電流為1～20 mA之間[1]，選擇的運放輸出驅(qū)動電流必須>20 mA這個條件，本文選擇使用TI旗下BB公司推出的高精密低功耗運算放大器OPA2277，該序列運放輸出驅(qū)動電流高達35 mA，并且具有高精度、低噪聲、極低的輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高共模信號抑制比等優(yōu)點。輸出運放A2使用低電壓DC3.3V單電源供電，因此選擇軌至軌輸入/輸出運放TLV2732，該運放供電電源電壓范圍為DC 2.7～16 V，滿足設計需求。

3.2 電阻的選擇

CP信號典型直流電壓值分別為12 V、9 V、6 V，但實際電壓有一定的誤差范圍，國家標準中CP監(jiān)測點直流電壓范圍為5.2～12.8 V，而充電樁微處理器STM32F103RCT6的內(nèi)部ADC最大輸入電壓為直流3.3 V，因此實際設計中CP輸入電壓經(jīng)過0.25倍的電阻分壓衰減網(wǎng)絡使得線性隔離電路的輸入電壓為1.3～3.2 V，根據(jù)式（6）該線性隔離電路設計采用R1=R2，輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT相等。

HCNR200/201光耦通過鋁砷化鎵發(fā)射LED二極管的額定電流為1～20 mA，根據(jù)芯片手冊可得電流增益K1有以下關系：

K1=IPD1IF=0.5% （8）

可以計算出流過PD1的電流IPD1范圍為5～100 uA，根據(jù)歐姆定律可以計算R1的取值范圍為：

R1=VINIPD1=1.3～3.2 V5～100 uA=13～640 K （9）

實際使用中取R1=R2=160 KΩ，保證IPD1和IPD2的電流值在理論范圍內(nèi)。R3限流電阻理論值約為：

R3=R1×0.5%=160 K×0.005=800 （10）

但是考慮到器件的離散性及整體電路的線性度，通過實際驗證R3最終選擇390 Ω線性度更好。

3.3 硬件電路的設計

根據(jù)以上論證與分析可以得出CP電壓信號采集隔離電路如圖4所示。

圖4中R4和R5構成電阻分壓電路，根據(jù)電阻分壓公式計算得Vin電壓為1.3～3.2 V，輸入運放OPA2277使用直流12 V供電，輸出運放TLV2372使用直流3.3 V供電。輸入地線和充電樁的PE線相連，而輸出地線為信號數(shù)字地線，兩者互相隔離，起到消除干擾、提高穩(wěn)定性的作用。

4 硬件仿真的電路設計

電子工程師設計硬件電路過程中經(jīng)常借助EDA虛擬仿真軟件輔助設計驗證電路的可行性，提高電路設計成功率，縮短開發(fā)周期。常見虛擬電路仿真軟件有英國Lab Center Electronics公司出版的Proteus軟件和美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真軟件Multisim。Proteus主要應用在單片機及數(shù)字電路方面的仿真設計[6];而Multisim軟件更適合應用在工業(yè)控制及模擬電路的仿真。本文使用Multisim軟件繪制CP信號線性采集隔離電路仿真圖，設置好仿真環(huán)境后即可在線運行，并可查看結果。虛擬仿真電路原理圖如圖5所示。

通過圖5的虛擬仿真電路理論運行結果及實際測試數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過對表1的數(shù)據(jù)進行分析，仿真電路的數(shù)據(jù)是對器件參數(shù)理想化計算的結果，實際應用要考慮器件的離散性。該隔離采集電路在輸入電壓>0.8 V時，線性度相對誤差在0.6%以內(nèi);輸入電壓<0.8 V以下時線性度有所下降。該電路用于識別判斷交流充電樁CP輸入信號直流電壓1.3～3.2 V（0.25倍衰減后）完全符合設計精度要求，并且可以用于其他高壓電路采集隔離電路應用，如380 V大功率電機的電流采集監(jiān)測電路等領域。

5 交流充電樁的應用

我國在“十三五”規(guī)劃中提出綠色環(huán)保節(jié)能減排新的發(fā)展目標，把新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。充電樁的建設普及是保證電動汽車可持續(xù)發(fā)展的最重要基礎設施之一。目前我國電動汽車充電樁的配置相對落后，在一定程度上影響了電動汽車的普及。要建設智慧交通、實現(xiàn)交通強國夢需要加大充電樁的建設。

現(xiàn)階段交流充電樁仍然是建設的主流。交流充電樁相對于直流充電樁具有結構簡單、成本低、安裝便捷、技術成熟、對電網(wǎng)改造要求低等優(yōu)點，它可直接接入普通家用單相交流220 V居民用電線路，適合安裝在公用停車場及私人車庫，目前小型車多采用交流充電樁的充電方式。根據(jù)權威數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2020年我國公共充電樁當中交流充電樁總量高達49.8萬臺，占比61.71%;而直流充電樁為30.9萬臺，占比38.29%。

交流充電樁的應用在服務西部交通建設方面發(fā)揮著重要的作用。目前充電樁在發(fā)達省份及一線城市普及較為廣泛，而在西部邊遠山區(qū)或者二、三線城市，因經(jīng)濟相對落后，充電樁的普及遠遠不足，加快推進交流充電樁項目建設仍然是這些地區(qū)政府部門的重點工作。本文研究設計的隔離電路已經(jīng)在廣西南寧市庫侖新能源充電系統(tǒng)中使用，目前在廣西南寧市庫侖高新二期集中式、庫侖江南皇氏、庫侖仙葫、庫侖永恒智慧廣場等充電站投入使用，該交流充電樁正常穩(wěn)定運行時間超過3年以上，工作效果良好，具有很好的推廣發(fā)展前景。

6 結語

本文分析了線性隔離電路在硬件電路設計中的重要性及應用領域，詳細介紹交流充電樁控制導引功能信號采集電路設計要求，闡述了線性光耦HCNR200/201的功能特點及參數(shù)指標，論證由HCNR200/201構成線性隔離采集電路的設計過程及參數(shù)推導。該模塊電路開發(fā)已投入到廣西多個新能源電動汽車交流充電站使用，整體運行效果良好。

[1]李海波，林 輝.線性光耦HCNR200在電流采樣中的應用[J].世界電子元器件，2003（11）：37-38.

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[4]鄧醉杰，葉麗花，黃守道，等.復合勵磁永磁同步發(fā)電機端電壓采樣隔離電路——線性光耦HCNR200的應用[J].防爆電機，2006（2）：36-38.

[5]譚穎琦，范大鵬，陶 溢.基于線性光耦HCNR200的DSP采集電路設計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2006（6）：46-48.

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