一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路及控制方法与流程

1.本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路及控制方法。


背景技术：

2.传统的电压互感器只能变换交流信号，对直流电压不再适用。随着高电压技术的发展，线路中的直流信号越来越多，常见的直流信号变换有霍尔传感器和线性光耦两种方案。在霍尔传感器方案中，限流电阻损耗的功率可达到数十瓦，引起的温升带来较大的测量误差；在线性光耦方案中，线性光耦的温漂和一致性得不到保证。基于两种方案的电压传感器均不能达到高精度的技术要求。


技术实现要素：

3.针对上述电压传感器均不能达到高精度技术要求的技术问题，本发明提供了一种隔离性强、寿命长、功耗低的交直流电压传感器的电容隔离放大器电路及控制方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，包括输入级、隔离屏障和输出级，所述输入级与隔离屏障电性连接，所述隔离屏障与输出级电性连接；
6.所述输入级包括阻容分压信号调理电路、第一放大器、调制器、第一驱动器、第一接收器和第一带隙基准，所述阻容分压信号调理电路与第一放大器的输入端电性连接，所述第一放大器的输出端与调制器的输入端电性连接，所述调制器的输入端电性连接有第一接收器、第一带隙基准，所述调制器的输出端电性连接有第一驱动器，所述第一驱动器、第一接收器分别通过隔离屏障与输出级电性连接。
7.所述隔离屏障采用基于二氧化硅的双电容隔离屏障。隔离屏障将输入级和输出级分开，形成高端和低端电压域之间的隔离屏障，具有高抗磁性和更强的噪声抑制能力防止高共模噪声电流电压信号进入，干扰或损坏敏感电路。
8.所述输出级包括第二接收器、滤波器、第二放大器、第二驱动器、晶振和第二带隙基准，所述第二接收器与滤波器的输入端电性连接，所述滤波器的输入端分别与晶振、第二带隙基准电性连接，所述滤波器的输出端电性连接有第二放大器，所述晶振电性连接有第二驱动器。
9.所述第一放大器采用全差分放大器，所述调制器采用二阶δσ调制器。采用全差分放大器的输入方式，有效消除了共模干扰的缺点。
10.所述第一驱动器通过隔离屏障与第二接收器电性连接，所述第一接收器通过隔离屏障与第二驱动器电性连接。
11.所述滤波器采用四阶有源低通滤波器，所述第二放大器采用精密运算放大器。
12.所述阻容分压信号调理电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容，所述第一电阻连接有第一放大器的正输入端，所述第二电阻连接有第一放
大器的负输入端，所述第一电阻与第二电阻之间连接有第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容，所述第三电阻、第四电阻串联连接，所述第一电容、第二电容串联连接，所述第三电阻与第四电阻并联连接有第一电容与第二电容。
13.所述第三电阻与第四电阻之间接地，所述第一电容与第二电容之间接地。
14.一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路的控制方法，包括下列步骤：
15.s1、所述第一放大器驱动调制器；
16.s2、所述调制器接收第一带隙基准的内部基准电压和接收第一接收器的时钟信号，使用内部基准电压和时钟信号，将接收的第一放大器的输出信号转换为数字比特流；
17.s3、所述第一驱动器接收调制器的输出的数字比特流和时钟信号，接收的信号通过隔离屏障传输到输出级的第二接收器；
18.s4、所述滤波器接收第二带隙基准的内部基准电压和晶振的时钟信号，使用内部基准电压和时钟信号，将接收的数字比特流同步转换为模拟信号，同时滤除高频成分，并发送至第二放大器；
19.s5、所述第二驱动器接收晶振产生的时钟信号，并经过隔离屏障发送至第一接收器，从而保证电容隔离放大器电路的控制过程时间信号同步。
20.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
21.1、本发明中第一放大器采用全差分放大器的输入方式，有效消除了共模干扰的缺点；
22.2、本发明中输入级与输出级通过采用基于二氧化硅的双电容隔离屏障隔开，具有高抗磁性和更强的噪声抑制能力防止高共模噪声电流电压信号进入，干扰或损坏敏感电路；
23.3、本发明相比传统的霍尔传感器和线性光耦直流信号变换方案，电路设计更加简单，可提供高达5kv的增强型电隔离，使用寿命极长，功率耗散较低。
附图说明
24.图1为本发明的电路连接图。
25.其中：1为输入级，2为隔离屏障，3为输出级，4为阻容分压信号调理电路，5为第一放大器，6为调制器，7为第一驱动器，8为第一接收器，9为第一带隙基准，10为第二接收器，11为滤波器，12为第二放大器，13为第二驱动器，14为晶振，15为第二带隙基准，r1为第一电阻，r2为第二电阻，r3为第三电阻，r4为第四电阻，c1为第一电容，c2为第二电容。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元
件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.如图1所示，第一放大器5的输入端接收阻容分压信号调理电路4的输出信号，第一放大器5的输出端连接调制器6，用于驱动调制器6，调制器6输入端接收第一放大器5的输出信号，同时调制器6输入端通过第一带隙基准9和第一接收器8接收基准电压参考和时钟发生器的输出信号，调制器6使用内部基准电压参考和时钟发生器将模拟输入信号转换为数字比特流，第一驱动器7接收调制器6的输出的数字比特流和时钟信号，接收的信号通过隔离屏障2传输到输出级3的第二接收器10，滤波器11通过第二带隙基准15和晶振14接收内部基准电压参考和晶振的输出信号，滤波器11使用内部基准电压参考和晶振，将低压侧的数字比特流同步转换为模拟信号，同时滤除高频成分，第二放大器12接收滤波器11输出的模拟信号；晶振14产生的时钟信号发送至第二驱动器13和滤波器11，第二驱动器13的时钟信号经过隔离屏障发送至输入级1的第一接收器8，从而保证输入级1和输出级3的时间信号同步。本发明相比传统的霍尔传感器和线性光耦直流信号变换方案，电路设计更加简单，可提供高达5kv的增强型电隔离，使用寿命极长，功率耗散较低。
29.上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：包括输入级(1)、隔离屏障(2)和输出级(3)，所述输入级(1)与隔离屏障(2)电性连接，所述隔离屏障(2)与输出级(3)电性连接；所述输入级(1)包括阻容分压信号调理电路(4)、第一放大器(5)、调制器(6)、第一驱动器(7)、第一接收器(8)和第一带隙基准(9)，所述阻容分压信号调理电路(4)与第一放大器(5)的输入端电性连接，所述第一放大器(5)的输出端与调制器(6)的输入端电性连接，所述调制器(6)的输入端电性连接有第一接收器(8)、第一带隙基准(9)，所述调制器(6)的输出端电性连接有第一驱动器(7)，所述第一驱动器(7)、第一接收器(8)分别通过隔离屏障(2)与输出级(3)电性连接。2.根据权利要求1所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述隔离屏障(2)采用基于二氧化硅的双电容隔离屏障。3.根据权利要求1所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述输出级(3)包括第二接收器(10)、滤波器(11)、第二放大器(12)、第二驱动器(13)、晶振(14)和第二带隙基准(15)，所述第二接收器(10)与滤波器(11)的输入端电性连接，所述滤波器(11)的输入端分别与晶振(14)、第二带隙基准(15)电性连接，所述滤波器(11)的输出端电性连接有第二放大器(12)，所述晶振(14)电性连接有第二驱动器(13)。4.根据权利要求1所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述第一放大器(5)采用全差分放大器，所述调制器(6)采用二阶δσ调制器。5.根据权利要求3所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述第一驱动器(7)通过隔离屏障(2)与第二接收器(10)电性连接，所述第一接收器(8)通过隔离屏障(2)与第二驱动器(13)电性连接。6.根据权利要求3所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述滤波器(11)采用四阶有源低通滤波器，所述第二放大器(12)采用精密运算放大器。7.根据权利要求1所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述阻容分压信号调理电路(4)包括第一电阻(r1)、第二电阻(r2)、第三电阻(r3)、第四电阻(r4)、第一电容(c1)、第二电容(c2)，所述第一电阻(r1)连接有第一放大器(5)的正输入端，所述第二电阻(r2)连接有第一放大器(5)的负输入端，所述第一电阻(r1)与第二电阻(r2)之间连接有第三电阻(r3)、第四电阻(r4)、第一电容(c1)、第二电容(c2)，所述第三电阻(r3)、第四电阻(r4)串联连接，所述第一电容(c1)、第二电容(c2)串联连接，所述第三电阻(r3)与第四电阻(r4)并联连接有第一电容(c1)与第二电容(c2)。8.根据权利要求7所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路，其特征在于：所述第三电阻(r3)与第四电阻(r4)之间接地，所述第一电容(c1)与第二电容(c2)之间接地。9.根据权利要求1-8任一项所述的一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：s1、所述第一放大器(5)驱动调制器(6)；s2、所述调制器(6)接收第一带隙基准(9)的内部基准电压和接收第一接收器(8)的时钟信号，使用内部基准电压和时钟信号，将接收的第一放大器(5)的输出信号转换为数字比特流；
s3、所述第一驱动器(7)接收调制器(6)的输出的数字比特流和时钟信号，接收的信号通过隔离屏障(2)传输到输出级(3)的第二接收器(10)；s4、所述滤波器(11)接收第二带隙基准(15)的内部基准电压和晶振(14)的时钟信号，使用内部基准电压和时钟信号，将接收的数字比特流同步转换为模拟信号，同时滤除高频成分，并发送至第二放大器(12)；s5、所述第二驱动器(13)接收晶振(14)产生的时钟信号，并经过隔离屏障发送至第一接收器(8)，从而保证电容隔离放大器电路的控制过程时间信号同步。

技术总结
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种交直流电压传感器的电容隔离放大器电路及控制方法，包括输入级、隔离屏障和输出级，所述输入级与隔离屏障电性连接，所述隔离屏障与输出级电性连接。本发明中第一放大器采用全差分放大器的输入方式，有效消除了共模干扰的缺点；本发明中输入级与输出级通过采用基于二氧化硅的双电容隔离屏障隔开，具有高抗磁性和更强的噪声抑制能力防止高共模噪声电流电压信号进入，干扰或损坏敏感电路；本发明相比传统的霍尔传感器和线性光耦直流信号变换方案，电路设计更加简单，可提供高达5kV的增强型电隔离，使用寿命极长，功率耗散较低。功率耗散较低。功率耗散较低。


技术研发人员：曹锐 王云鹏 吴丽蓉 赵利 阎晓红 陈志远 王金浩 李瑞 李胜文 刘翼肇 杨洋
受保护的技术使用者：国网山西省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2022.01.18
技术公布日：2022/3/25