王新艷，徐 征，王旭龍，江 絳，李小鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

隨著能源問題和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，開發(fā)和利用新型清潔能源已成為一個(gè)重要課題。新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也成為汽車行業(yè)的新導(dǎo)向。燃料電池汽車、電動汽車、插電式混合動力汽車等已經(jīng)不斷被推向市場。由于生產(chǎn)廠商、設(shè)計(jì)用途不同，電動汽車的工作電壓等級也各有不同。工作電壓作為基本參數(shù)，測試成為理所當(dāng)然的事情。當(dāng)工作電壓達(dá)到上百伏時(shí)，強(qiáng)電對弱信號的影響也要考慮在內(nèi)，其檢測已不能只用簡單的電阻分壓來實(shí)現(xiàn)，這就需要應(yīng)用傳感器處理，將強(qiáng)電成比例地轉(zhuǎn)化為弱電信號。本文對霍爾電壓傳感器在電動車母線高壓條件下的使用方法及參數(shù)設(shè)計(jì)和選型問題進(jìn)行研究。

1 核心器件的選型

1.1 電壓傳感器的選型

在設(shè)計(jì)之初，先選定核心器件——電壓傳感器，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)。電壓傳感器最重要的是誤差問題，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定必須從減小誤差的角度考慮[1]。為防止母線高壓對弱信號電路的影響，采用電壓隔離的方式采集母線電壓，所以選擇霍爾電壓傳感器。它是一種利用霍爾效應(yīng)，將原邊電壓通過外置或內(nèi)置電阻，將電流限制在mA級，此電流經(jīng)過多匝繞組后，再經(jīng)聚磁材料將原邊電流產(chǎn)生的磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，并感應(yīng)出相應(yīng)電動勢。該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后，反饋給補(bǔ)償線圈進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流（被測電壓通過限流電阻產(chǎn)生）產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，從而在磁芯中保持磁通為零。實(shí)際上霍爾電壓傳感器利用的是和磁平衡閉環(huán)霍爾電流傳感器一樣的技術(shù)，即零磁通霍爾電流傳感器。本文采用霍爾電壓傳感器TBV5/25A，相關(guān)參數(shù)[2]如表1所示。設(shè)計(jì)電路時(shí)，以此參數(shù)為依據(jù)。根據(jù)所要測試的母線電壓設(shè)計(jì)合理的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，若選擇不當(dāng)，會燒壞電壓傳感器。

表1 TBV5/25A參數(shù)

1.2 運(yùn)算放大器的選擇原則

TBV5/25A霍爾電壓傳感器的輸出為電流型，通過對地電阻轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。后級電路也將作為傳感器的負(fù)載而影響其精度，所以利用運(yùn)算放大器構(gòu)成一級電壓跟隨器，其輸入阻抗高、輸出阻抗低，可以很好地起到阻抗匹配的作用。

LM2904N，工作溫度與TBV5/25A一致。該運(yùn)算放大器是2個(gè)獨(dú)立、高增益、具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p路運(yùn)算放大器，是專門為汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器，響應(yīng)時(shí)間在μs級，可以使用雙電源供電，電源電流極低，可與傳感器使用同路電源。兩路放大器可以一路用于電壓跟隨，一路用作信號放大，沒有多余的引腳需要做特殊處理，不會因?yàn)槟承┮_的懸空而干擾電路。

2 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 輸入電阻

電壓傳感器的輸入信號為電壓信號，需要用電阻轉(zhuǎn)換成電流信號。TBV5/25A的測試電流范圍為7 mA，則有：

電壓傳感器若僅適用內(nèi)部電阻，最高測量電壓為4.55 V。若母線電壓為500 V，需要外部串聯(lián)電阻才能增大測量范圍。本設(shè)計(jì)串聯(lián)100 kΩ的電阻，可測量的最大電壓為：

在使用功率電阻時(shí)，因發(fā)熱問題而影響電路的穩(wěn)定性。因此，盡量留有余量，可選用200 kΩ/3 W（1±1%）的功率電阻，2個(gè)并聯(lián)，得到100 kΩ的電阻。需要注意的是，電阻的選擇也必須從減小誤差出發(fā)。電阻不穩(wěn)定是造成分壓器誤差的一個(gè)重要原因，它的大小決定于所選電阻的溫度系數(shù)[3]，當(dāng)工作時(shí)間較長時(shí)，必須考慮溫度問題。

2.2 測量電阻

電壓傳感器的輸出是電流信號，需要用電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號。在傳感器的技術(shù)手冊上，給出的測量電阻最小為100 Ω，最大為350 Ω。本設(shè)計(jì)中將5個(gè)510 Ω/0.5 W（1±1%）的電阻并聯(lián)，得到大約100 Ω的測量電阻。若最大測量電壓≤500V，則輸出電流最大為25mA。

3 電路的實(shí)現(xiàn)及工作過程

3.1 電源電路

汽車中常用的電瓶電壓為12 V，電壓傳感器與運(yùn)算放大器供電電源需要+15 V和-15 V，且不需要提供大功率。在本設(shè)計(jì)中，采用DC-DC升壓[4]，由變壓器次級的兩組繞組獲得+15 V和-15 V，電壓傳感器所需電流較小，此電源可保證電路正常工作，電源電路如圖1所示。

3.2 高壓采集電路

圖2所示為高壓采集信號處理電路。測量電壓經(jīng)VIN+、VIN-輸入，經(jīng)電壓傳感器TBV5/25輸出相應(yīng)的電流，經(jīng)測量電阻R12～R16，將電流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓，再經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行放大。調(diào)節(jié)R6，即可獲得所需的比例系數(shù)。在測量直流時(shí)，傳感器輸入與最終輸出電壓的比例關(guān)系為：

（1）隔離放大電路 為防止后級放大電路對測量電阻的影響，本設(shè)計(jì)加入了一級電壓跟隨電路。該電壓跟隨器的輸入阻抗高，輸出阻抗低。當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對前級電路開路，所以不會對電壓傳感器的輸出電流分流，保證了測量電路的精度，同時(shí)，使前、后級電路之間互不影響。

電壓跟隨器后的放大電路對經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行放大，得到適合微處理器處理的電壓信號。

圖1 電源電路

圖2 高壓采集電路

（2）運(yùn)放的調(diào)零與補(bǔ)償 目前的芯片制作技術(shù)，為使集成度高、節(jié)約成本，對于雙運(yùn)放和四運(yùn)放，內(nèi)部調(diào)零已經(jīng)取消。雖然運(yùn)放內(nèi)部的三極管電路采用差分輸入、密勒電容等做了一定的補(bǔ)償措施[5]，可以暫時(shí)看成是一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng)。但是，對于精度要求比較高的系統(tǒng)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。三極管的偏置電流導(dǎo)致了運(yùn)算放大器的失調(diào)電流及失調(diào)電壓的存在，即使沒有輸入信號，因?yàn)槠埔矔幸欢ǖ妮敵隽俊．?dāng)采集到的電壓信號為交流信號時(shí)，就會對測量的精度造成很大的影響。所以本設(shè)計(jì)電路也加入了調(diào)零電路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2組成調(diào)零電路。

對于引入負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，輸入端一般存在幾皮法的寄生電容，包括運(yùn)放的輸入電容以及布線分布電容，它會與反饋電阻構(gòu)成一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)，引起輸出電壓相位滯后，使得當(dāng)輸入信號的頻率很高時(shí)，引起運(yùn)放的高頻響應(yīng)變差。上限頻率約為：Wh=1/（2πRC）。其中：R為反饋電阻；C為運(yùn)放輸入電容。從式中可知，若R的取值太大，上限頻率就會嚴(yán)重下降，R與C同時(shí)引入，相位滯后可能會引起寄生振蕩。若反饋電阻取值小，雖然上限頻率會上升，但是放大倍數(shù)會下降。為了維持較高的放大倍數(shù)，可以在反饋電阻上并聯(lián)補(bǔ)償電容，2個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了相位補(bǔ)償，使相位超前量與滯后量得到相互補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中，C1即實(shí)現(xiàn)此功能。運(yùn)算放大器存在輸出電容，輸出電容與運(yùn)算放大器的輸出電阻即組成RC電路，產(chǎn)生附加相移。此附加相移累加滿足振蕩條件就會產(chǎn)生寄生振蕩，使電路不穩(wěn)定。解決方法：在運(yùn)算放大器的輸出端串聯(lián)一個(gè)幾百歐姆的電阻，與負(fù)載電容相隔離。本設(shè)計(jì)中，R10即實(shí)現(xiàn)此功能。

4 實(shí)際電路及零漂測試

使用Altium Designer軟件，繪制電路圖并制作PCB板。對傳感器這樣的敏感器件，在線路布局時(shí)，要注意強(qiáng)電與弱電的分離以及抗干擾處理，布局合理且傳感器信號處理部分要進(jìn)行敷銅。本設(shè)計(jì)使用的實(shí)際電路如圖3所示。在進(jìn)行電路調(diào)試時(shí)，首先調(diào)試調(diào)零電路，保證在無輸入時(shí)，輸出為0 V，不會因漂移而引起輸出信號的失真，然后再對整個(gè)電路進(jìn)行級聯(lián)調(diào)試。

圖3 實(shí)物圖

電路中加入調(diào)零電路，因此需要進(jìn)行零漂測試，意在說明調(diào)零電路的重要性。在本設(shè)計(jì)電路中，若不加入調(diào)零電路，用示波器探測輸出波形，如圖4所示。由圖4可以看到，當(dāng)輸入電壓為0 V時(shí)，因電路中各分布參數(shù)等的影響，輸出電壓為19.375 mV。在精度要求不高的場合，可以不加調(diào)零電路。本設(shè)計(jì)中加入調(diào)零電路，精度幾乎可以達(dá)到100%。

圖4 零漂測試

5 結(jié)束語

目前，高壓采集電路已經(jīng)應(yīng)用于電動汽車試驗(yàn)平臺、UPS實(shí)驗(yàn)平臺等需要測試中壓、高壓的場合。為增加設(shè)計(jì)的實(shí)用性，設(shè)計(jì)時(shí)已綜合考慮了其應(yīng)用范圍和使用環(huán)境的要求，可以直接用于測量交流中壓、高壓的場合。

[1]遲永久，牛海清.電阻分壓器及電壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析[J].變壓器，2002，39（5）：2.

[2]南京中霍傳感科技有限公司.TBV5/25A數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2013-04-25].http：//esales.iianews.com/product/2007-03/27441.23/param.dhtml.

[3]牛海清，林莘.電壓傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及誤差特性研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29（4）：3-4.

[4]陳麗，鄒慶化.一種低壓DC-DC升壓電路的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（3）：2-2.

[5]黃云川.低壓微功耗軌至軌輸出CMOS運(yùn)放研究設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[6]張偉，李根富.電壓傳感器在日立大容量變頻器中的應(yīng)用及故障案例[J].變頻器的故障處理，2009，30（6）：1-2.