一种高精密电流互感器的接口电路设计方法技术

本发明专利技术涉及一种高精密电流互感器的接口电路，特别是利用半导体器件一致性高的特点，在满足电流互感器负载匹配条件下，以最小的接口干涉特性，获得电流互感器的真实输出；电路设计中电流互感器的信号被优化放大，使得后级电路能够获得最大的信噪比；接口电路中的直流分量，在信号经过AD转换后，能够在数字信号处理部分被很容易地滤除。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种高精密电流互感器的接口电路，特别是利用半导体器件一致性高的特点，在满足电流互感器负载匹配条件下，以最小的接口干涉特性，获得电流互感器的真实输出；电路设计中电流互感器的信号被优化放大，使得后级电路能够获得最大的信噪比；接口电路中的直流分量，在信号经过AD转换后，能够在数字信号处理部分被很容易地滤除。【专利说明】—种高精密电流互感器的接口电路设计方法
本专利技术涉及集成电路、电路硬件设计和DSP设计领域，特别是一种利用先进的电路设计技术，针对高精密电流互感器的接口电路。接口电路在尽可能不影响电流互感器工作以及带动负载的努力下，降低对信号的干扰以及正确匹配偏置电压，使得后级电路的处理降低难度，提高信噪比；针对微小的直流偏置偏差，利用成熟的DSP技术，设计数字滤波器滤除相关的直流分量。技术背景电流互感器起到变流和电气隔离作用，是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。电流互感器是当前智能电网、智能电器中不可或缺的部件，但是由于接口电路设计不当，造成后级电路处理的开销指数式增加，成本上升而且整体性能下降。当前的驱动器电路，将电流互感器以及负载直接暴露在后级电路处理回路中，不考虑电流互感器本身的性能以及后级电路对电流互感器造成的扰动，从而很难达到高精密电流互感器需要的精确度。当前设计如图1所示。连接关系如下:电流互感器输出端口分别与负载电阻R1、R2连接，电阻Rl另外一端与电容C1、C4、电阻R5以及运算放大器负输入端口连接，电阻R2分别与电阻R4、R3、电容C3、运算放大器的正输入端口连接，电阻R4接地，电阻R3与电源VCC连接，运算放大器输出端口与电阻R5、电容C4连接。工作过程如下:当电流互感器没有输出时，电阻R3、R4分压，给运算放大器以及电流互感器提供直流偏置，偏置电压为VCC*R4 / (R3+R4)，运算放大器的负输入端口电压与正输入端口一致，运算放大器的输出为直流偏置电压。一般设定R3=R4，则直流偏置电压为VCC / 2。当电流互感器有电流I流动时，运算放大器正输入端口电压为VCC / 2+I*R4，运算放大器输出端口电压Vout=Vcc / 2+1*(R4+R5)在负载电阻R1=R2时，电流互感器输出端口电压差为_I*R4，这样才能够使得运算放大器的两个输入端口电压相等，满足运算放大器工作的条件。当R4=R1+R2时，电流互感器处于最佳的工作状态。 传统方法的缺点为:电流互感器的输出直接驱动放大回路，需要较强的电流驱动能力；电流互感器以单端模式输出，信号放大倍数小；不同频率下负载变化时，后级电路对电流互感器的影响增加；接口电路不能够滤除共模信号的干扰；电流互感器和接口电路工作在较低的频带内。本
技术实现思路
本专利技术是通过如下方法实现的。如图3所示为基于中值偏压的单边运算放大器宽频接口电路，连接关系为:电流互感器输出端与负载电阻R3、R4以及PNP晶体管T2、T3基极连接，电阻R4、R3、R6与NPN晶体管Tl的射极连接，Tl基极与电阻R7、R8以及电容C5连接，T2射极与R9、Rl连接，T3射极与RlO、R2连接，运算放大器opAMP负输入端与电阻Rl、R5以及电容Cl、C2、C4连接，运算放大器opAMP正输入端与电阻R2、以及电容C3、C2连接，运算放大器opAMP输出端口与C4、R5连接，晶体管Tl集电极、电阻R8、R9、R10与VCC连接，晶体管T2、T3集电极、电阻R6、R7和电容C1、C3、C5与GND连接。工作原理如下:设定R7=R8，Rload为匹配的负载阻抗，晶体管Tl为电流互感器提供的中间点直流偏置电压为VCC / 2-Vbe，在电流互感器没有输出的情况下，晶体管T2、T3的基极电压为VCC / 2-Vbe，而射极的直流工作点为VCC / 2-Vbe+Vbe=VCC / 2，即运算放大器opAMP的两个输入端口的直流电压为VCC / 2。当电流互感器开始工作时，设定电流为I，以及负载R3=R4=RLoad / 2，则在T2基极电压为 VCC / 2-Vbe+I*Rload / 2，T3 基极电压为 VCC / 2-Vbe_I*Rload / 2。T2 射极电压为 VCC / 2_Vbe+I*Rload / 2+Vbe=VCC / 2+I*Rload / 2T3 射极电压为 VCC / 2-Vbe_I*Rload / 2+Vbe=VCC / 2_I*Rload / 2运算放大器正输入端为T3集电极电压，则运算放大器的输出为Vout=(正输入端电压-负输入端电压)/ R1*R5=_I*Rload / R1*R5晶体管T2基极电流经过R3到晶体管Tl射极，晶体管Τ3基极电流经过R4到晶体管Tl射极，设计中只要保证电阻R9与RIO、R3与R4、晶体管Τ2与Τ3的匹配，就可以将高精密电流互感器的输出无失真地传递到后级电路。设定晶体管Τ2、Τ3的电流放大参数β匹配误差为5%，电阻R3、R4的匹配误差为I %，则接口电路直流工作点的误差为0.05%，远远高于一般电流互感器0.1 %的精度。在电流互感器处于工作状态下，晶体管T2、T3的基极电压会发生变化，从而导致相应的集电极电流变化。T2 射极电流=(VCC_ 集电极电压)/ R9=(VCC / 2_I*Rload / 2) / R9T3 射极电流=(VCC_ 集电极电压)/ RlO= (VCC / 2+I*Rload / 2) / RlO集电极电流的变化会导致Vbe电压有轻微的偏移，偏移过大会影响精密电流互感器的输出，在此情况下的措施为电阻R9、RlO更换为恒流源；电阻Rl、R2、R5的阻值为电阻R3、R4的100倍以上；晶体管T2、T3更换为达林顿晶体管。本专利技术的优点为:信号的放大倍数优化，有效提高后级ADC的转换范围，提高信噪比；电流互感器与负载作为一个整体，与后续处理电路实现信号隔离；电流互感器的驱动能力不再有严格的要求；信号在进入运算放大器之前是全差分的，有效降低噪声以及共模信号干扰；接口电路可以工作在更大的频宽内。【专利附图】【附图说明】。图1:现在的接口电路结构图2:以地为中点的电流互感器电路结构图3:基于中值偏压的单边运算放大器宽频接口电路图4:低频全差分运算放大器接口电路图5:高精度全差分运算放大器宽频接口电路【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术的内容作进一步的详述。如图2所示以地为中点的电流互感器电路结构，连接关系为:电流互感器输出接负载R7、R8以及晶体管T2、T3的基极，Τ2射极与R9、R1连接，T3射极与R10、R2连接，运算放大器的负输入端口与町、1?4、1?5、(:1、02、(:4连接，运算放大器的正输入端口与R2、R3、C2、C3连接，运算放大器的输出端与C4、R5连接，电阻R7、R8、电容C3、C1和晶体管T2、T3集电极接地，R3、R4、R9、RlO与VCC连接。工作原理为:一般设定R1=R2，R3=R4, R7=R8, R9=R10，运算放大器的正输入端偏执电压=Vbe+(VCC-Vbe) / (R2+R3) *R2，正输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精密电流互感器的接口电路，包括3个部分：直流偏置加入模组、接口电路主干模组、信号放大电路。直流偏置加入模组是针对单电源工作的后级电路，在电流互感器信号中加入直流分量，避免信号失真；接口电路主干模组拾取电流互感器负载上的电压信号，同时避免对负载造成精度上的损失，以及优化直流偏置分量，使得信号的放大倍数可以设定在最高值以提高信噪比；信号放大电路根据设定的倍数针对电流互感器信号进行放大。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹登庆，
申请(专利权)人：深圳市智远能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：