一種不共地系統的電壓門限監控電路

邢亞第

（中船重工集團公司第七二六研究所,上海201108）

1 引言

電子產品中經常需要對某些電壓進行監控，當所監控電壓在門限電壓范圍之外時控制芯片產生報警信號[1-3]。比如作者遇到的情況是，由電池供電的系統中，隔離的單片機需要對對電池電壓進行監控。當電池電壓過低，不大于最大報警電壓（VCA）時，單片機產生報警信息；當電池電壓不小于最小不報警電壓（VCUA）時，單片機不產生報警信息。如圖1電池電壓的門限監控電路所示，圖中隔離轉換電路即本次用于不共地系統的電壓門限監控電路。隔離轉換電路將圖1左邊被監控的電壓信號（電池電壓VCC）轉化為可被圖1右邊監控側的控制單元（以下簡稱MCU）識別、讀取的信息形式。MCU根據轉化后的信息，推斷出被監控電壓是否達到門限要求。

2 方案設計

由于被監控側與監控側通過隔離DC/DC分開，分屬不同的電壓基準，因此監控側的MCU對于被監控側電壓VCC的監控需要通過隔離方式。常見的隔離方式有光隔離（光耦、光纖）、電磁隔離（變壓器等）[4]。由于電池組是直流供電，因此變壓器隔離的方式不適用。

光隔離的方式通常采用線性光耦加ADC采樣的方案[5-6]。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變，增加一個光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現線性隔離的目的[7]。

圖1 電池電壓的門限監控電路

傳統型的隔離轉換電路如圖2所示，該方案的思路是，MCU對線性光耦耦合輸出的電壓采樣值進行轉換求值，得出光耦前端的電源電壓值，進而判斷其值是否超出電壓門限。該方案的優點是可以準確得知被監控的電壓值；缺點是所需的元器件較多，成本較高，系統資源消耗也較大，且由于涉及運算所以程序編寫、調試較復雜，時間開銷也較大。該方案適用于對被監控電源的電壓值有實時線性要求的情況。

圖2 傳統型的隔離轉換電路框圖

針對以上缺點，當未對被監控電壓有實時線性要求時，我們可以采用數字化思維方式，將前端的報警門限電壓與后端MCU的輸入門檻電壓進行轉換、關聯，將對監控門限的比較操作前移至MCU的數字輸入端口。比如本例，僅要求在電池組電壓VCC≤VCA時MCU產生報警信息，VCC≥VCUA時不產生報警信息。因此隔離轉換電路僅需在被監控電壓的以上兩個門限電壓處輸出不同的的邏輯電平即可。MCU根據隔離轉換電路產生的邏輯電平，判斷是否需要產生報警信息，如圖3所示。該方案的優點是，MCU的I/O資源開銷大幅下降，由N路輸出變為單路輸出，選用硬件成本也大幅降低，由于將模擬信息進行數字化轉化，因此提高了抗干擾能力，電路調試簡單，同時由于MCU無需進行復雜的軟件運算，系統的時間開銷也較少。

圖3 新型的隔離轉換電路框圖

光耦的輸出無需線性地映射為被監控電壓值，僅需確保在預設的門限電壓值VCUA與VCA處輸出不同的邏輯電平即可。即，所需光耦輸出值由連續信號轉變為離散信號。例如本例，光耦在VCC≤VCA時產生的邏輯電平，觸發MCU的外部電平中斷，MCU據此可以快速判斷電池電壓低于報警電壓。

3 系統分析及計算

3.1 系統分析

為了在MCU的數字輸入端口產生符合數字門電路要求的邏輯電平，當被監控電壓處于邊界值時，光耦的光敏三極管應處于開關狀態。本例中門電路采用正邏輯，當VCC≥VCUA時，光耦的光敏三極管應為飽和狀態，并且其在MCU的數字輸入端口產生的電平應滿足MCU的邏輯高電平門檻電壓；同樣，VCC≤VCA時，光耦的光敏三極管應為截止狀態（IC=0），和/或其在MCU的數字輸入端口產生的電平應滿足MCU的邏輯低電平的門檻電壓，即三極管輸出的電平邏輯，或者由光耦輸入端提供（由IF=0，導致IC=0，進而VI=0），或者由光耦后端MCU的數字輸入門檻電壓提供（雖然IC＞0，但VI＜UIL）。

光耦通常歸類為流控器件，其轉化率CTR=IC/IF類似于三極管中的β。由于CTR在標稱范圍內離散性較大，為了確保三極管工作在開關狀態，需要光耦在最壞情況下依然能夠滿足設計要求。即，在VCC≥VCUA條件下，即使CTR屬于標稱低值，三極管仍處于飽和狀態；在VCC≤VCA條件下，即使CTR屬于標稱高值三極管仍處于截止狀態，考慮到VCA＜VCUA，以上要求同光耦光敏三極管的特性相反。基于上述原因，采用分壓電阻控制光耦輸入電流IF，進而控制光耦光敏三極管輸出電壓的常規方案不可取。因此應該利用某些元器件的數字特性，在光耦前端將監控電壓或光耦的輸入電流進行量化處理，進而控制光耦光敏三極管輸出符合要求的邏輯電平。為此，本研究選用穩壓管，來對前端元件的情況加以分析與計算。

3.2 參數分析與計算

由穩壓管與光耦構造的門限電壓監控電路如圖4所示。

圖4 使用穩壓管與普通光耦的門限電壓監控電路

其中所選中的關鍵器件有穩壓管V1，光耦E5，其關鍵參數如下：

可知，IZT=2mA，IZK=0.5mA。穩壓管的膝點（轉折點）電流：I=IZK=0.5mA，即穩壓管內流過的電流必須不小于IZK=0.5mA才能保證穩定電壓的功能。

光耦：

IF∈[0.5,5]時，CTR≥300%（特殊篩選）,待測電源電壓VCC，待測電源最大電壓VCCmax=57V；

單片機供電電壓：VDD=5V；

單片機的邏輯門檻電壓:UIH=0.8VDD=4V;UIL=0.18VDD=0.9V；

最小不報警電壓：VCUA=54V，即VCC≥VCUA時不報警（電壓充足）;

最大報警電壓：VCA=50V，即VCC≤VCA時報警（電壓過低）。

在已知上述條件下，需要給出合適的電阻值：R1、R2和 R3。

圖4中光敏三極管采用下拉形式進行輸出。三極管輸出處于截止區或無輸出時，其后端單片機端口處產生邏輯低電平；三極管飽和輸出時，其在后端單片機端口處產生邏輯高電平。需要注意的是，三極管輸出處于放大區時，其在后端單片機端口處產生的電平不能確保為邏輯高電平。光敏三極管與

普通三極管類似，其飽和輸出條件為：

因此，使光敏三極管飽和輸出的最小光耦輸入電流為:

當IF≥IFH時，光敏三極管飽和輸出，且輸出電壓滿足MCU的最小輸入高電壓。

已知 CTR≥300%，取 R3=3.9kΩ，則 IFH=0.43mA。

對于MCU的輸入邏輯低電平，可通過穩壓二極管進行控制產生。當VCC≤VZmin=50V時，認為穩壓管不導通，進而IF=0，單片機端口處輸入邏輯低電平，滿足電壓過低產生報警信號的設計要求。因此，MCU輸入的邏輯低電平完全由穩壓管特性控制產生。

為了使穩壓管正常工作，流過穩壓管的電流應大于其膝點電流，即IZ≥IZK=0.5mA。本方案中需要在電壓大于最小不報警電壓時穩壓管正常工作，以驅動光耦在單片機端口處產生輸入邏輯高電平。由圖4可知，IZ＞IR≥IZK時，穩壓管正常工作。

以最低不報警電壓VCUA為邊界條件，計算穩壓管正常工作的條件：

代入 VCUA=54V，VZmax=52V，得R1≤ 4kΩ，取R1=3.9kΩ；

為了保護穩壓二極管，應對其流過電流進行限制。考慮實際使用情況，應對穩壓二極管的IZmax進行降額[8]。如果采用I級降額，IZlim|i=0.5Izmax=5mA。IR與 IF均隨IZ的增大而增大，因此：

在I級降額的情況下IZmax=IZlim|i=0.5Izmax，代入VCCmax=57V，VZmin=50V，VCUA=54V，VZmax=52V，得：IRmax≈1.8mA，IRmin≈0.51mA，IFmax=3.2mA。限流電阻R2應使IF同時滿足IFH與IZlim的要求：

由于VF與IF的正相關關系，在利用公式(11)計算IFmax所對應的R2的值時，選取IF=IFmax=3.2mA時所對應的VF的值，是可以接受的近似運算。

通過查光耦參數圖，如圖5所示，可知VF|IF=3.2mA≈1.25V。

圖5 光偶參數IF～VF～Ta關系曲線圖

又由公式(7)、(11)、(12)，可得：

取R2=2kΩ。

查光耦參數圖，圖中最小IF=1mA，對應的VF≈1.2V。又由公式(8)、(11)、(12)，可得：

在R2阻值的選取滿足IZmax，IZmin的同時，還需要滿足IF＞IFH（即IFmin）的要求，也是使光敏三極管飽和輸出的要求。

由于IFmin=(54-52-1.2)/2=0.4mA，而IFH=0.43mA，則 IFmin＜IFH，說明以上 R1，R2，R3的取值無法同時滿足IZ的I級降額、穩壓管膝點電流IZK和IF的最小電流IFH這三者的要求。

3.3 參數修正

修正參數有兩個思路：下調IFH(下文的條件a)；降低IZ的降額標準（下文的條件b）。

條件a：下調IFH

下調 IFH，使 IFmin'≥IFH。根據公式(3)，提高 R3可以降低IFH。

選取R3=4.7kΩ，IFH=0.354mA ＜I'Fmin

選取R3=4.3kΩ，IFH=0.39 mA＜I'Fmin

所以 R3≥ 4.3kΩ時，同時滿足IZ的I級降額與IFH的要求。

條件b：降低IZ的降額等級至II級

根據應用場合的不同，有時電路不需工作在I級降額條件，我們可以適當降低降額等級至II級。根據國軍標要求，II降額時IZmax|II=0.65IZmax=6.5mA。根據公式 (6)，R1≤4kΩ，選取R1=3.9kΩ。根據公式(7)，得IRmax|II=1.8mA。根據公式 (10)，IFmax|II=IZmax|IIIRmax|II=6.5-1.8=4.7mA。查光耦圖可知，VF|IF=4.7mA≈1.35V。根據公式(13)得 R2 ≥1.2kΩ，取 R2=1.5kΩ。

根據公式(7)、(9)、(13)，有：

根據公式(8)、(14)、(15)，得：

3.4 參數校驗

校驗不同條件下R1，R2，R3的取值是否滿足電路要求。

條件a:

R1=3.9kΩ±1%，R2=2kΩ±1%，R3=4.7k±1%，穩壓二極管采用I級降額，IZmax|I=0.5Izmax=5mA。

計及電阻差值的情況下，有：

且IFmin|a＞IFH|a。

所以，以上電阻取值滿足穩壓二極管在I級降額下正常工作，并在取樣電壓大于最小不報警電壓時，光耦輸出端三極管呈現開關導通狀態。

條件b:

R1=3.9kΩ±1%，R2=1.5kΩ±1%，R3=3.9kΩ±1%，穩壓二極管采用II級降額,IZmax|II=6.5Izmax=5mA，IFH|b=0.43mA。

且IFmin|b＞IFH|b。

所以，以上電阻取值滿足穩壓二極管在II級降額下正常工作，并在取樣電壓大于最小不報警電壓時，光耦輸出端三極管呈現開關導通狀態。

4 結束語

在使用穩壓管與普通光耦代替線性光耦與ADC芯片的基礎上，針對構建該隔離轉換電路的元器件的參數選取進行討論與計算，并根據不同應用條件下的降額標準，對參數進行必要修正。該轉換電路的構建，降低了電路成本的同時，使電路結構更緊湊，降低空間需求。進一步地，門限電壓向邏輯電平的映射關系已在電路構建階段完成，降低了電路運行階段對于后端MCU的運算需求。

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