使用光学耦合隔离器的低功率电流电压感测的系统和方法技术方案

本申请描述的是使用光学耦合隔离器的低功率电流电压感测的系统和方法。在各种实施例中，光耦合器取代在常见设计中使用的笨重的变压器。在实施例中，光学耦合隔离器用作功率栅极以减少功耗。通过选择适当的光电晶体管和可调整偏置电阻器以将光电二极管的正向电流在功能上设置得尽可能小以减少电池放电同时为光学晶体管提供充足的增益，可以获得进一步功率节省。在某些实施例中，可以选择偏置电压点处于光电二极管的接通电压。在实施例中，可以通过调整可以由微控制器控制的功率栅控控制信号的频率调整电压和电流传感器的功耗。实施例可以用来产生提供小的形状因子、高测量准确度、可靠性和持久性的低成本替代方案。

System and Method of Low Power Current and Voltage Sensing Using Optical Coupled Isolator

This application describes a system and method for low power current and voltage sensing using an optical coupling isolator. In various embodiments, optical couplers replace bulky transformers used in common designs. In an implementation, the optical coupling isolator is used as a power gate to reduce power consumption. Further power savings can be achieved by choosing appropriate phototransistors and adjustable bias resistors to minimize the forward current of photodiodes in function so as to reduce battery discharge and provide sufficient gain for optical transistors. In some embodiments, the bias voltage point can be selected to be on-voltage of the photodiode. In the implementation example, the power consumption of the voltage and current sensor can be adjusted by adjusting the frequency of the power grid control signal which can be controlled by the microcontroller. Embodiments can be used to generate low-cost alternatives that provide small shape factors, high measurement accuracy, reliability and durability.

【技术实现步骤摘要】
使用光学耦合隔离器的低功率电流电压感测的系统和方法相关申请的交叉引用本申请根据35USC§119(e)要求于2017年6月25日提交的、标题为“SystemsandMethodsforLow-PowerCurrent&VoltageSensingUsinganOpticallyCoupledIsolator”并且将KarlWang列为专利技术人的美国临时专利申请62/524,609号(案卷编号20136-2150P)的优先权权益。前述专利文献全部内容并且为全部目的通过引用合并在此。
本专利技术一般地涉及传感器，并且尤其涉及使用光学耦合隔离器进行低功率电流和电压感测的系统和方法。
技术介绍
智能仪表电压和电流传感系统需要高电压与低电压域之间的电气电路隔离。实现电气隔离的一种常见方法是使用变压器。使用变压器监控电压或者电流的一个缺点在于例如通过非常靠近计量设备放置强磁铁而饱和变压器铁芯，电压和电流传感电路容易被篡改。使用变压器的设计的另一个缺点在于这种设计倾向于易受电磁干扰，这消极地影响测量准确度。考虑到计量设备的无处不在，采用具有低功耗的设计，使得设备可以延长时间段操作，由此减少生产和维护成本将是期望的。而且，采用提供增强的系统性能、可靠性、可制造性、可测试性和操作能力的低维护智能仪表将是期望的。因此，需要的是满足这些需求的系统和方法。
技术实现思路
本专利技术因而提供一种使用低功率感测高电压电路中的电压或者电流的方法，所述方法包括：将传感器耦合到彼此电气隔离的低电压电路和高电压电路；将开关耦合到所述低电压电路和所述高电压电路；使用所述低电压电路激活所述开关，所述开关使得所述传感器通电；响应于所述传感器通电，检测代表所述高电压电路中存在的高电压和高电流中的至少一个的电流；以及使用所述低电压电路生成代表所述高电压和所述高电流中的至少一个的输出电压。根据上面描述的方法的一个单独实施例，还包括：经由载运所述电流的采样电阻器对所述电流进行采样。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，还包括：使用耦合在包括在所述高电压电路中的两个电力线路之间的分压器对所述高电压进行采样。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，还包括：经由偏置电阻器调整光源的正向电流，以便以所述光源的接通电压操作所述光源。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，其中所述偏置电阻器的偏置电压由所述高电压电路中的电池调整。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，还包括：根据施加到所述开关的栅控电压停用所述传感电路，以减少所述传感器的功耗。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，其中所述输出电压与所述电流成比例地变化。本专利技术还提供一种使用低功率感测高电压电路中的电压或者电流的系统，所述系统包括：传感器，被配置为将低电压电路光学地耦合到高电压电路，所述传感器能够检测代表所述高电压电路中的高电压和高电流中的至少一个的电流；开关，被配置为将所述低电压电路光学地耦合到所述高电压电路，所述开关响应于被激活而使得所述传感器通电；以及输出节点，耦合到所述低电压电路以生成代表所述电流的输出电压。根据上面描述的系统的一个单独实施例，其中所述传感器包括第一光源和与所述第一光源电气隔离的第一光学接收器，并且其中所述开关包括第二光源和与所述第二光源电气隔离的第二光学接收器。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中所述第二光学接收器是光电晶体管、光电二极管和光电三端双向可控硅中的一个。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中所述第一光源和第二光源中的至少一个是红外发光二极管。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，还包括：耦合到所述第一光源和所述第二光学接收器的电池。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，还包括：耦合到所述第二光学接收器的采样电阻器，所述采样电阻器传导所述电流。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，还包括：耦合在所述传感器与所述开关之间以调整所述第一光源的偏置条件的偏置电阻器，所述传感器不受电磁干扰影响并且处于将环境光排除在外的气密密封环境中。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中所述低电压电路包括耦合到所述开关的栅控电压节点，所述栅控电压激活所述开关，使得所述传感器通电。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中栅控信号由微控制器生成，其调整感测周期和采样周期使得减少所述传感器的功耗。本专利技术还提供一种使用低功率感测高电压电路中的电压或者电流的系统，所述系统包括：传感器，被配置为将低电压电路光学地耦合到高电压电路，所述传感器能够检测代表所述高电压电路中的高电压的电流；开关，被配置为将所述低电压电路光学地耦合到所述高电压电路，所述开关响应于被激活而使得所述传感器通电；以及输出节点，耦合到所述低电压电路，所述输出节点生成代表所述高电压的输出电压。根据上面描述的系统的一个单独实施例，其中所述传感器包括第一光源和与所述第一光源电气隔离的第一光学接收器，并且其中所述开关包括第二光源和与所述第二光源电气隔离的第二光学接收器。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，还包括耦合到所述第二光学接收器和所述高电压电路内的偏置电阻器中的至少一个以采样所述高电压的采样电阻器。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中所述低电压电路包括耦合到所述开关的栅控电压节点，所述栅控电压激活所述开关，使得所述传感器通电。本专利技术还提供一种使用低功率来感测高电压电路中的电压或电流的方法，所述方法包括：使用耦合在低电压电路和高电压电路之间的第一光耦合器来激活耦合在所述低电压电路和所述高电压电路之间的第二光耦合器；以及所述第二光耦合器响应于被激活而在所述低电压电路中产生电流，该电流代表所述高电压电路中的电流。根据上面描述的方法的一个单独实施例，其中所述第一光耦合器作为使电流能够流过所述第二光耦合器的功率栅控开关来操作。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，还包括经由偏置电阻器调整光源的正向电流以在所述光源的导通电压下操作所述光源。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，其中所述偏置电阻器的偏置电压由所述高电压电路中的电池来调节。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，其中所述低电压电路输出与所述高电压电路中的电流成比例变化的电压。根据上面描述的任何方法的一个单独实施例，还包括根据施加到所述第一光耦合器的栅控电压停用所述第一光耦合器，以降低所述第二光耦合器的功耗。本专利技术还提供一种使用低功率来感测高电压电路中的电压或电流的系统，所述系统包括：高电压电路和低电压电路；以及耦合在所述高电压电路和所述低电压电路之间的第一光耦合器以及第二光耦合器，所述第一光耦合器激活所述第二光耦合器，所述第二光耦合器响应于被激活而在所述低电压电路中产生电流，所述电流代表所述高电压电路中的电流。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中，所述第一光耦合器和所述第二光耦合器中的至少一个包括彼此电隔离的光源和光学接收器。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中，所述光学接收器是光电晶体管，光电二极管和光三端双向可控硅开关中的一个。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，其中所述光源是红外发光二极管。根据上面描述的任何系统的一个单独实施例，还包括耦合到所述光学接收器的电池。根据上面描述的任何系统的一个单独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用低功率来感测高电压电路中的电压或电流的方法，所述方法包括：使用耦合在低电压电路和高电压电路之间的第一光耦合器来激活耦合在所述低电压电路和所述高电压电路之间的第二光耦合器；以及所述第二光耦合器响应于被激活而在所述低电压电路中产生电流，该电流代表所述高电压电路中的电流。

【技术特征摘要】
2017.06.25 US 62/524,609;2017.09.28 US 15/719,3121.一种使用低功率来感测高电压电路中的电压或电流的方法，所述方法包括：使用耦合在低电压电路和高电压电路之间的第一光耦合器来激活耦合在所述低电压电路和所述高电压电路之间的第二光耦合器；以及所述第二光耦合器响应于被激活而在所述低电压电路中产生电流，该电流代表所述高电压电路中的电流。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光耦合器作为使电流能够流过所述第二光耦合器的功率栅控开关来操作。3.根据权利要求1所述的方法，还包括经由偏置电阻器调整光源的正向电流以在所述光源的导通电压下操作所述光源。4.根据权利要求1所述的方法，还包括根据施加到所述第一光耦合器的栅控电压停用所述第一光耦合器，以降低所述第二光耦合器的功耗。5.一种使用低功率来感测高电压电路中的电压或电流的系统，所述系统包括：高电压电路和低电压电路；以及耦合在所述高电压电路和所述低电压电路之间的第一光耦合器以及第二光耦合器，所述第一光耦合器激活所述第二光耦合器，所述第二光耦合器响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·L·王，
申请(专利权)人：国际科技大学基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US