王新艷，徐 征，王旭龍，江 絳，李小鵬

（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

隨著能源問題和環(huán)境問題的日趨嚴重，開發(fā)和利用新型清潔能源已成為一個重要課題。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、設計用途不同，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)，測試成為理所當然的事情。當工作電壓達到上百伏時，強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現(xiàn)，這就需要應用傳感器處理，將強電成比例地轉化為弱電信號。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)設計和選型問題進行研究。

1 核心器件的選型

1.1 電壓傳感器的選型

在設計之初，先選定核心器件——電壓傳感器，并以此為基礎進行相應電路的設計。電壓傳感器最重要的是誤差問題，其結構和參數(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，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，并感應出相應電動勢。該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后，反饋給補償線圈進行補償。該補償線圈產(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，即零磁通霍爾電流傳感器。本文采用霍爾電壓傳感器TBV5/25A，相關參數(shù)[2]如表1所示。設計電路時，以此參數(shù)為依據(jù)。根據(jù)所要測試的母線電壓設計合理的輸入電阻網(wǎng)絡，若選擇不當，會燒壞電壓傳感器。

表1 TBV5/25A參數(shù)

1.2 運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，通過對地電阻轉換為相應的電壓。后級電路也將作為傳感器的負載而影響其精度，所以利用運算放大器構成一級電壓跟隨器，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。該運算放大器是2個獨立、高增益、具有內(nèi)部頻率補償?shù)碾p路運算放大器，是專門為汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)設計的運算放大器，響應時間在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，不會因為某些引腳的懸空而干擾電路。

2 主要參數(shù)的設計

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。本設計串聯(lián)100 kΩ的電阻，可測量的最大電壓為：

在使用功率電阻時，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重要原因，它的大小決定于所選電阻的溫度系數(shù)[3]，當工作時間較長時，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，需要用電阻轉換成電壓信號。在傳感器的技術手冊上，給出的測量電阻最小為100 Ω，最大為350 Ω。本設計中將5個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。在本設計中，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輸出相應的電流，經(jīng)測量電阻R12～R16，將電流轉換為對應的電壓，再經(jīng)電壓跟隨器進行放大。調(diào)節(jié)R6，即可獲得所需的比例系數(shù)。在測量直流時，傳感器輸入與最終輸出電壓的比例關系為：

（1）隔離放大電路 為防止后級放大電路對測量電阻的影響，本設計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。當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路，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，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轉換后的電壓進行放大，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）運放的調(diào)零與補償 目前的芯片制作技術，為使集成度高、節(jié)約成本，對于雙運放和四運放，內(nèi)部調(diào)零已經(jīng)取消。雖然運放內(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償措施[5]，可以暫時看成是一個單極點系統(tǒng)。但是，對于精度要求比較高的系統(tǒng)還是遠遠不夠的。三極管的偏置電流導致了運算放大器的失調(diào)電流及失調(diào)電壓的存在，即使沒有輸入信號，因為漂移也會有一定的輸出量。當采集到的電壓信號為交流信號時，就會對測量的精度造成很大的影響。所以本設計電路也加入了調(diào)零電路。R1、R2、R3、R4、R8、D1、D2組成調(diào)零電路。

對于引入負反饋的運算放大器，輸入端一般存在幾皮法的寄生電容，包括運放的輸入電容以及布線分布電容，它會與反饋電阻構成一個滯后網(wǎng)絡，引起輸出電壓相位滯后，使得當輸入信號的頻率很高時，引起運放的高頻響應變差。上限頻率約為：Wh=1/（2πRC）。其中：R為反饋電阻；C為運放輸入電容。從式中可知，若R的取值太大，上限頻率就會嚴重下降，R與C同時引入，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)補償電容，2個RC網(wǎng)絡構成了相位補償，使相位超前量與滯后量得到相互補償。本設計中，C1即實現(xiàn)此功能。運算放大器存在輸出電容，輸出電容與運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：在運算放大器的輸出端串聯(lián)一個幾百歐姆的電阻，與負載電容相隔離。本設計中，R10即實現(xiàn)此功能。

4 實際電路及零漂測試

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，要注意強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行敷銅。本設計使用的實際電路如圖3所示。在進行電路調(diào)試時，首先調(diào)試調(diào)零電路，保證在無輸入時，輸出為0 V，不會因漂移而引起輸出信號的失真，然后再對整個電路進行級聯(lián)調(diào)試。

圖3 實物圖

電路中加入調(diào)零電路，因此需要進行零漂測試，意在說明調(diào)零電路的重要性。在本設計電路中，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，當輸入電壓為0 V時，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。本設計中加入調(diào)零電路，精度幾乎可以達到100%。

圖4 零漂測試

5 結束語

目前，高壓采集電路已經(jīng)應用于電動汽車試驗平臺、UPS實驗平臺等需要測試中壓、高壓的場合。為增加設計的實用性，設計時已綜合考慮了其應用范圍和使用環(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構設計和實驗分析[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.電壓傳感器結構設計及誤差特性研究[J].華北電力大學學報，2002，29（4）：3-4.

[4]陳麗，鄒慶化.一種低壓DC-DC升壓電路的實現(xiàn)[J].機電產(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運放研究設計[D].成都：電子科技大學，2007.

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