[发明专利]一种高精密电流互感器的接口电路设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和DSP设计领域，特别是一种利用先进的电路设计技术，针对高精密电流互感器的接口电路。接口电路在尽可能不影响电流互感器工作以及带动负载的努力下，降低对信号的干扰以及正确匹配偏置电压，使得后级电路的处理降低难度，提高信噪比；针对微小的直流偏置偏差，利用成熟的DSP技术，设计数字滤波器滤除相关的直流分量。

技术背景

电流互感器起到变流和电气隔离作用，是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。

电流互感器是当前智能电网、智能电器中不可或缺的部件，但是由于接口电路设计不当，造成后级电路处理的开销指数式增加，成本上升而且整体性能下降。

当前的驱动器电路，将电流互感器以及负载直接暴露在后级电路处理回路中，不考虑电流互感器本身的性能以及后级电路对电流互感器造成的扰动，从而很难达到高精密电流互感器需要的精确度。当前设计如图1所示。

连接关系如下：电流互感器输出端口分别与负载电阻R1、R2连接，电阻R1另外一端与电容C1、C4、电阻R5以及运算放大器负输入端口连接，电阻R2分别与电阻R4、R3、电容C3、运算放大器的正输入端口连接，电阻R4接地，电阻R3与电源VCC连接，运算放大器输出端口与电阻R5、电容C4连接。

工作过程如下：当电流互感器没有输出时，电阻R3、R4分压，给运算放大器以及电流互感器提供直流偏置，偏置电压为VCC*R4／(R3+R4)，运算放大器的负输入端口电压与正输入端口一致，运算放大器的输出为直流偏置电压。一般设定R3=R4，则直流偏置电压为VCC／2。

当电流互感器有电流I流动时，运算放大器正输入端口电压为VCC／2+I*R4，运算放大器输出端口电压

Vout=Vcc／2+I*(R4+R5)

在负载电阻R1=R2时，电流互感器输出端口电压差为-I*R4，这样才能够使得运算放大器的两个输入端口电压相等，满足运算放大器工作的条件。

当R4=R1+R2时，电流互感器处于最佳的工作状态。

传统方法的缺点为：

电流互感器的输出直接驱动放大回路，需要较强的电流驱动能力；

电流互感器以单端模式输出，信号放大倍数小；

不同频率下负载变化时，后级电路对电流互感器的影响增加；

接口电路不能够滤除共模信号的干扰；

电流互感器和接口电路工作在较低的频带内。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图3所示为基于中值偏压的单边运算放大器宽频接口电路，连接关系为：电流互感器输出端与负载电阻R3、R4以及PNP晶体管T2、T3基极连接，电阻R4、R3、R6与NPN晶体管T1的射极连接，T1基极与电阻R7、R8以及电容C5连接，T2射极与R9、R1连接，T3射极与R10、R2连接，运算放大器opAMP负输入端与电阻R1、R5以及电容C1、C2、C4连接，运算放大器opAMP正输入端与电阻R2、以及电容C3、C2连接，运算放大器opAMP输出端口与C4、R5连接，晶体管T1集电极、电阻R8、R9、R10与VCC连接，晶体管T2、T3集电极、电阻R6、R7和电容C1、C3、C5与GND连接。

工作原理如下：设定R7=R8，Rload为匹配的负载阻抗，晶体管T1为电流互感器提供的中间点直流偏置电压为VCC／2-Vbe，在电流互感器没有输出的情况下，晶体管T2、T3的基极电压为VCC／2-Vbe，而射极的直流工作点为VCC／2-Vbe+Vbe=VCC／2，即运算放大器opAMP的两个输入端口的直流电压为VCC／2。

当电流互感器开始工作时，设定电流为I，以及负载R3=R4=RLoad／2，则在T2基极电压为VCC／2-Vbe+I*Rload／2，T3基极电压为VCC／2-Vbe-I*Rload／2。

T2射极电压为VCC／2-Vbe+I*Rload／2+Vbe=VCC／2+I*Rload／2

T3射极电压为VCC／2-Vbe-I*Rload／2+Vbe=VCC／2-I*Rload／2

运算放大器正输入端为T3集电极电压，则运算放大器的输出为

Vout=(正输入端电压-负输入端电压)／R1*R5

=-I*Rload／R1*R5