大功率無線充電系統(tǒng)模擬量電流采樣保護(hù)電路的一種實(shí)現(xiàn)方法

崔志博 朱學(xué)軍

摘 要：在分析無線充電系統(tǒng)過流檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，闡述了模擬量電流采樣保護(hù)電路的工作原理，給出了其設(shè)計(jì)過程，并重點(diǎn)對(duì)采樣放大和比較值保護(hù)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該設(shè)計(jì)的有效性。設(shè)計(jì)方案具有精度高、抗干擾和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于大功率設(shè)備過流采樣和保護(hù)電路工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：大功率;無線充電;電流采樣;過流保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM930.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0133-04

Abstract： Based on the analysis of over-current detection system of wireless charging system， the working principle of analog current sampling protection circuit was described， and its design process was given. The design of sampling amplification and comparison protection circuit was analyzed emphatically. The experimental test proved the validity of the design. The design scheme has the advantages of high precision， anti-interference and reliable performance. It can be widely used in the design practice of over-current sampling and protection circuit for high-power equipment.

Keywords： high power;wireless charging system ;current sampling;overcurrent protection

隨著電力電子器件、技術(shù)和控制系統(tǒng)的日益成熟，大功率的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。模擬量電流采樣保護(hù)電路對(duì)無線充電系統(tǒng)的顯示、控制和保護(hù)起著至關(guān)重要的作用，是無線充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。模擬量采樣電路的性能，直接影響無線充電系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)的精確性以及整個(gè)系統(tǒng)安全保護(hù)的可靠性[1]。

1 無線充電系統(tǒng)過流檢測(cè)系統(tǒng)概述

無線充電系統(tǒng)主電路包括發(fā)射主電路和接收主電路兩部分。其中，發(fā)射部分的主電路稱為原邊電路，接收部分的主電路稱為副邊電路。無線充電系統(tǒng)主電路與模擬量電流采樣電路框圖如圖1所示。原邊電路三相交流電通過開關(guān)送給三相橋式整流，經(jīng)支撐電容濾波穩(wěn)壓后變成直流，再經(jīng)高頻逆變驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能。副邊電路由接收線圈將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)高頻

整流濾波變成直流后，再經(jīng)Buck電路降壓后傳給電池，完成無線電能傳輸[2]。

為保證主電路的控制精度和安全性，控制電路需要高精度霍爾傳感器采集主電路電流?；魻杺鞲衅鞯闹饕饔檬菍⒋箅娏鳎ㄉ习貯以上）轉(zhuǎn)化為小電流（mA級(jí)），并供給模擬量電流采樣保護(hù)調(diào)理電路進(jìn)行采樣和保護(hù)信號(hào)處理。經(jīng)處理后的采樣和保護(hù)信號(hào)傳給主控板ECU，以用于顯示、控制和保護(hù)。

2 模擬量采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖2所示為模擬量電流采樣保護(hù)調(diào)理電路工作原理框圖。其主要由霍爾電流傳感器、模擬量采樣保護(hù)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD和ECU等組成。其中，模擬量采樣保護(hù)調(diào)理電路由采樣放大調(diào)理電路和過流保護(hù)調(diào)理電路兩部分組成?；魻栯娏鱾鞲衅鲗⒋箅娏鬓D(zhuǎn)換為小電流后首先通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過濾波和運(yùn)算放大器處理變換成需要的電壓信號(hào)。經(jīng)過采樣濾波放大后的電壓信號(hào)一路通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給ECU進(jìn)行顯示、運(yùn)算和控制;另一路則經(jīng)過整流、比較和反相等處理后再送到ECU用于故障保護(hù)[3]。下面以30kW大功率無線充電系統(tǒng)為例，三相380V交流電，進(jìn)線側(cè)額定電流45.6A。

2.1 采集放大調(diào)理電路

由于無線充電系統(tǒng)進(jìn)線側(cè)額定電流為45.6A，按1.5倍電氣安全保護(hù)硬件閾值考慮時(shí)安全電流為68.4A。選擇LEM公司的LAH 100-P型的電流型霍爾傳感器，該傳感器精度等級(jí)為±0.25%，原邊額定電流100A，副邊額定電流50mA，轉(zhuǎn)換系數(shù)1∶2 000，采樣電阻RM 取值為0～11Ω，在di/dt為100A/μs時(shí)達(dá)到額定電流90%所需要的響應(yīng)時(shí)間一般小于500ns。因此，這款傳感器具有精度高、響應(yīng)時(shí)間短、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。為增加采樣電路的抗干擾能力，需要在采樣放大調(diào)理電路基礎(chǔ)上增加一階RC低通濾波電路，具體電路形式如圖3所示。

由于采樣電壓[Ui]取決于采樣電阻[RM]，放大系數(shù)取決于運(yùn)算電阻[R1]和[R2]，兩者均與一階RC低通濾波器無關(guān)，因此，在計(jì)算采樣電阻[RM]和放大器運(yùn)算電阻阻值[R1]和[R2]時(shí)，可省略RC低通濾波器，得到簡(jiǎn)化后的采樣放大電路如圖4所示。

根據(jù)運(yùn)算放大器虛短和虛斷的特性，得到放大后的輸出電壓[Uo]的計(jì)算公式為：

（1）

當(dāng)霍爾傳感器原邊達(dá)到額定電流時(shí)，副邊額定峰值電流[IPMAX=2IPN=0.052]A，此時(shí)放大后的采樣電壓[Uo=UMAX=5V]，代入式（1）后可得：

（2）

由于采樣電阻[RM]的取值范圍為0～11Ω，設(shè)計(jì)過程中取[RM=4.7Ω]，[R1=1kΩ]，[R2=15kΩ]，可滿足設(shè)計(jì)要求。額定情況在采樣電阻為4.7Ω時(shí)，采樣電阻消耗功率僅為0.011 75W，單個(gè)電阻消耗功率較小，選擇1個(gè)功率為1W阻值為4.7Ω的金屬膜片電阻即可。電流經(jīng)采樣濾波放大調(diào)理后變換一定電壓，再經(jīng)AD傳給ECU，用于無線充電系統(tǒng)的顯示控制等。

2.2 采集放大調(diào)理電路

為增加無線充電系統(tǒng)的安全性，需要設(shè)計(jì)專門的過流保護(hù)調(diào)理電路，以保障功率器件不受損壞。圖5將采樣放大調(diào)理電路后的正弦電壓，經(jīng)過運(yùn)放組成全波整流電路變成正弦上半波，然后再經(jīng)過比較器電路變成0～5V的高低電平信號(hào)。如果ECU管腳電壓為3.3V，則還需要經(jīng)0～5V階躍電平信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的反相器轉(zhuǎn)變成3.3～0V的階躍電平信號(hào)。

全波整流電路的運(yùn)算放大器需要2路運(yùn)放進(jìn)行處理，加上采樣放大調(diào)理電路需要1路運(yùn)放，可見，至少需要集成3路運(yùn)放才能滿足設(shè)計(jì)要求，而具有14-pin的OPA4277集成4路運(yùn)算放大器可滿足設(shè)計(jì)要求。全波整流和反相器電路的設(shè)計(jì)較為常見，采用經(jīng)典電路即可，這里不再贅述。比較器所在電路設(shè)計(jì)與主電路保護(hù)閾值、比較器特性有一定關(guān)系，需要選取合適的阻值構(gòu)成過流比較值電路，屬于設(shè)計(jì)難點(diǎn)。下面以圖6比較值典型電路為例重點(diǎn)進(jìn)行闡述。

如圖6所示，[Ux]為正弦上半波經(jīng)電阻R1和R2分壓后的電壓信號(hào);[Vr]為比較器參考電壓;[Uox]為比較器輸出電壓（0～5V階躍信號(hào)）。由芯片資料可知，比較器輸出電壓發(fā)生階躍的臨界點(diǎn)為[Ux=Vr]。比較器輸出電壓[Uox]發(fā)生階躍存在兩種情況：一種是[Uox]發(fā)生0～5V階躍，另一種則相反。設(shè)計(jì)時(shí)，需要從上述兩種情況出發(fā)，當(dāng)[Uox]發(fā)生0～5V階躍時(shí)，即比較器發(fā)生階躍前初始電平為低，此時(shí)若[Ux>Vr]，則輸出電壓[Uox]就會(huì)由0V變?yōu)?V發(fā)生階躍;當(dāng)[Uox]發(fā)生5～0V階躍時(shí)，即比較器發(fā)生階躍前初始電平為高，此時(shí)若[Ux≤Vr]，則輸出電壓[Uox]就會(huì)由5V變?yōu)?V發(fā)生階躍。

當(dāng)[Uox]發(fā)生0～5V階躍時(shí)，假設(shè)此時(shí)輸入電壓為[Uih]，得到跳變前比較器簡(jiǎn)化分析電路如圖7所示。

由運(yùn)放特性和KCL定律可知：

（3）

對(duì)公式（3）進(jìn)行處理后可得：

（4）

當(dāng)[Uox]發(fā)生5～0V階躍時(shí)，假設(shè)此時(shí)輸入電壓為[Uil]，得到跳變前比較器簡(jiǎn)化分析電路如圖8所示。

由運(yùn)放特性和KCL定律可知：

（5）

對(duì)公式（5）進(jìn)行處理后可得：

（6）

為保證過流保護(hù)的精確性，需要選用精密基準(zhǔn)電源提供參考電壓[Vr]。ADR127因精度高、功耗低、封裝小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用，可為此次設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的1.25V電壓。當(dāng)發(fā)生階躍時(shí)，[Ux=Vr=1.25V]，將其帶入公式（4）和（6）得到簡(jiǎn)化公式（7）和（8）。

（7）

（8）

由2.1節(jié)可知，進(jìn)線側(cè)電流保護(hù)閾值為68.4A，計(jì)算得到保護(hù)動(dòng)作電壓值[Uih]=68.4/100×5=3.42V。發(fā)生保護(hù)后，保護(hù)動(dòng)作恢復(fù)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)線側(cè)電流應(yīng)為額定電流45.6A，計(jì)算可得恢復(fù)電壓值為[Uil]=45.6/100×5=2.28V。經(jīng)優(yōu)化分析，選取[R1=4.7k]、[R2=3.16k]、[R3=20k]、[R4=1.24k]貼片電阻可滿足設(shè)計(jì)要求。將選取后的電阻重新代入公式（7）和（8），計(jì)算可得到實(shí)際過流保護(hù)動(dòng)作和恢復(fù)電壓分別為3.40V和2.28V，保護(hù)動(dòng)作電流和恢復(fù)電流分別為68.0和45.6A，另外過流保護(hù)動(dòng)作電壓3.40V大于后級(jí)反相器門限電壓2V，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 模擬量采樣保護(hù)調(diào)理電路測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的有效性，可通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行測(cè)試。如圖9所示，利用交流穩(wěn)壓電源模擬霍爾電流傳感器產(chǎn)生34mA（對(duì)應(yīng)保護(hù)閾值68A）正弦電流施加在控制回路中，用4通道的示波器分別測(cè)量采樣放大后的輸出電壓MIU（CH1通道）、經(jīng)全波整流分壓電阻分壓后輸出電壓[Ux]（CH3通道）、比較值電路輸出電壓（CH2通道）和反相器輸出電壓（CH4通道），得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。實(shí)驗(yàn)波形與圖5過流保護(hù)電路調(diào)理電路設(shè)計(jì)分析吻合，有效證明了設(shè)計(jì)電路的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文給出了大功率模擬量采集保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并重點(diǎn)對(duì)采樣放大電路和比較值保護(hù)電路設(shè)計(jì)過程和阻值選取進(jìn)行了分析，最后通過實(shí)際測(cè)試證明了理論設(shè)計(jì)的有效性。設(shè)計(jì)方案具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可作為大功率無線充電系統(tǒng)模擬量過流采樣保護(hù)電路設(shè)計(jì)的典型方案。

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