纯运放实现隔离采样方案设计

Question

由于双向逆变器只用一个MCU且在前级，后级的AC及母线电压采样就需要隔离电路。不理解如何实现，前级运放的地应该与MCU共地吧？那后级的电压如何通过运放检测呢，以哪个电压做参考地呢，前后级的地如何连接呢？请哪位兄弟帮忙提供母线和AC电压的完整检测电路部分，谢谢！

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

对于纯运放实现的隔离采样方案，可以采用光耦合器、数字隔离器或变压器耦合等技术来实现信号的隔离。这里，我将详细解释一种基于光耦合器的交流电压检测电路，该电路可以确保前后级信号地之间的电气隔离。

电路原理

在图32所示的电路中，主要由以下几个部分组成：

1. 前端电压分压网络：由R91, R92, R93, R94组成的分压网络用于将交流电压Vac降至运放输入范围内。
2. 运放放大器：U12.2作为差分放大器，用于放大分压后的信号，并提供必要的增益。
3. 光耦合器：用于实现信号的电气隔离，其内部包含一个发光二极管(LED)和一个光电晶体管或光电三极管。
4. 后端信号处理：包括R101和C48组成的滤波网络，以及R100和R99组成的偏置电路。

设计步骤

步骤1: 前级电压分压

• Vac经过R91, R92, R93, R94分压至适合运放输入的范围。
• R91 = R92 = R93 = R94 = 200KΩ

步骤2: 运放配置

• U12.2设置为差分放大器，增益由R97, R98, R95, R96决定。
• R97 = R98 = 200KΩ, R95 = R96 = 1.69KΩ (假设)

步骤3: 光耦合器选择

• 选用高速光耦合器，例如HCPL-0600，其具有较高的带宽和良好的线性特性。

步骤4: 后级信号处理

• R101和C48组成低通滤波器，用于滤除高频噪声。
• R100和R99用于提供直流偏置，确保输出信号在运放的线性工作区域内。

隔离原理

• 光耦合器内部的LED由前级电路驱动，当有信号时，LED发光，使光电晶体管导通，从而将信号传递到后级电路。
• LED和光电晶体管之间没有电气连接，实现了信号的电气隔离。

地线处理

• 前级电路的地（ANAGND）与后级电路的地是电气隔离的。
• 可以通过光耦合器的输出侧接地来间接实现前后级地的连接，但实际中应避免直接电气连接，以免破坏隔离效果。

完整电路图描述

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|                |    |                 |   |                   |
|   Vac          |----|  R91   R92      |---| U12.2 (差分放大器)|---光耦合器---> 后级电路
|                |    |                 |   |                   |
|                |    |  R93   R94      |   |                   |
+----------------+    +-----------------+   +-------------------+
                                            |
                                            | R101
                                            |
                                            +-- C48 --+
                                            |          |
                                            +----------+

在这个设计中，光耦合器是实现隔离的关键组件。通过精心设计的信号路径和适当的元器件选择，可以确保交流电压的准确检测，同时保持电气隔离，防止高电压对敏感电子设备的影响。