线性光耦在充电桩信号采集隔离电路中的应用

交流充电桩是新能源汽车的配套基础设施之一，交流充电桩的普及程度直接影响到新能源汽车产业的发展速度。为了设计一款高可靠、低成本的交流充电桩，服务新能源汽车及交通运输行业的发展需求，文章提出使用线性光耦HCNR200/201设计交流充电桩CP信号采集隔离电路，并分析了隔离传输电路设计工作原理及实际应用领域，可有效解决电动汽车交流充电桩CP电压信号采集电路设计问题。

交通强国;线性光耦;HCNR200/201;充电桩;线性控制

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0 引言

为了响应我国政策号召，促进新能源汽车产业的发展，实现智慧交通强国之梦，建设方便、快捷、高效、安全的智能交流充电桩，是服务现代交通运输产业经济发展的需求，同时也是一项惠民工程。现代电子线路按照用电高低压分为弱电和强电，两者是两个相对立的概念，弱电一般指直流24 V以下或交流36 V以内的音视频、网络电信号;而强电指电工领域的电力部分，具有高电压、大电流、大功率等特点。电子工程师设计系統控制电路一般使用弱电直流24 V以下供电，常见电子线路使用5 V或者3.3 V供电。在现代自动控制系统中通常有弱电和强电同时存在的情况，并且经常需要使用弱电数字线路去测量和控制强电模拟线路，因而弱电数字电子线路和强电模拟电子线路之间需要设计电气隔离电路，提高系统的可靠性，同时要求测量和控制的精度较高。

在工业控制及测量电路中，工程师经常需要对高压强电线路进行电压、电流信号采集及控制，涉及运用弱电线路采集控制强电的电路设计，弱电和强电之间一般设计线性隔离电路以提高系统的稳定性及可靠性，同时提高采集信号的精度。常见隔离电路经常广泛应用在开关电源、强电采集控制等数字和模拟线路中，起到电气隔离、减少信号串扰等作用。许多隔离电路只起到数字隔离的作用，达不到线性隔离的效果。为了提高采集和控制的精度，有些应用领域需要设计线性隔离采集控制电路。本文引入线性光耦HCNR200/201构成的线性隔离电路，该光耦具有隔离电压峰值高达8 000 V、输入和输出电压跟随线性度好（典型值0.01%）等优点[1]，可实现模拟信号与数字信号之间的线性隔离作用。

1 汽车交流充电桩CP信号简介

随着我国对电动汽车产业发展的大力推进，产业发展逐步跟上发达国家步伐，充电桩作为电动汽车的“加电站”，在一定时期内具有很大市场需求[2]。电动汽车交流充电桩控制导引功能信号的英文名称为Control Pilot Function，简称CP。CP线上的电压值根据充电过程分三种状态，典型直流电压值分别为12 V、9 V、6 V。充电桩微处理器STM32F103RCT6通过使用内部模数转换ADC对CP电压采集，经过辨别三种差别的电压值来判别充电状态，因此交流充电桩需要设计一个能采集识别直流电压6～12 V的接口电路。同时，充分考虑信号采集精度和线性度问题，通过设计隔离电路减少强电和弱电之间的信号干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

2 线性光耦的工作原理

2.1 线性光耦HCNR200/201简介

HCNR200/201集成电路芯片是Agilent公司生产的高精度线性光电耦合器[3]，该器件具有增益传递线性度典型值高达0.01%、直流信号带宽>1 MHz、隔离电压高达1 414 V等优点，可工作在单极性/双极性、交流/直流、反向/正向多种工作模式，常用于工业控制、电机电源监测、模拟信号隔离等领域。

HCNR200/201通常采用400mil宽体DIP8双列直插封装，各个引脚结构顶视示意图如图1所示。

HCNR200/201内部由一个铝砷化镓光电发射二极管LED和两个光电接收管PD1和PD2构成，如图1所示。其中，PD1为反馈光敏二极管起到反馈调节稳定LED的作用，对LED工作非线性有效的补偿，PD2为输出光敏二极管，当在芯片第1、2引脚外加一定电压VF时，流过LED的电流为IF，LED发出的光通量被PD1和PD2吸收，流过PD1和PD2的电流分别为IPD1和IPD2，查阅芯片手册可得到IPD1和IPD2的大小和IF成一定线性比例关系[4]，电流增益K1和K2分别为：

K1=IPD1IF （1）

K2=IPD2IF （2）

2.2 HCNR200/201典型应用电路

HCNR200/201应用电路需配合运算放大器使用，线性隔离典型电路结构如图2所示。

图2中输入电压为VIN，根据运算放大器虚短虚断的工作原理得知A1同相输入端电压V+和反相输入端电压V-均为0 V，因此根据欧姆定律可以推算出流过PD1的电流为：

IPD1=VINR1 （3）

图2中输出电压为VOUT，同样根据运算放大器虚短虚断的工作原理及欧姆定律可以推算出流过PD2的电流为：

IPD2=VOUTR2 （4）

又因为HCNR200/201传输转换增益K3有以下关系：

K3=IPD2IPD1 （5）

根据HCNR200/201芯片手册参数特性可知K3的典型值为1，即流过两个光敏接收管的电流IPD2和IPD1相等，由式（3）～（5）可以推算出输出电压VOUT和输入电压VIN的函数关系为：

VOUT=R2R1×VIN （6）

由式（6）可知，线性隔离电路的输出电压和输入电压之间的比例关系由电阻R2和R1阻值大小决定，用户可以选择不同的阻值使得输出电压得到放大、衰减或者跟随相等。

2.3 HCNR200/201实际应用电路

HCNR200/201芯片实践应用电路需要增加外围阻容元器件，稳固输入部分流过LED的电流，从而优化电路的功能，线性隔离实际应用电路结构如图3所示。

图3实际应用电路中HCNR200/201在光电压模式下工作，运算放大器A1、A2构成反相比例放大电路，输入电压信号VIN和输出VOUT相位相同，C1起到负反馈的作用，同时能够滤除电路中的毛刺干扰信号，避免铝砷化镓光电发射二极管LED遭到干扰信号的冲击[1]。在纯电容电路中，通过交流信号的频率F和电容量C及容抗XC有如下关系：

F=12πCXC （7）

按照式（7）分析，当通过的交流信号频率升高，容抗XC将会变小，运放的增益随之降低，因此加入C1对运放的通频带有一定的影响，在实际使用中选择合适的C1容值即可。R3是LED的限流电阻，用于限制LED的发光强度，C2具有频率补偿的功能作用[5]。

3 CP信号采集电路的设计

3.1 运放的选择

从芯片HCNR200/201手册参数介绍说明可知，经过发射LED二极管的额定电流为1～20 mA之间[1]，选择的运放输出驱动电流必须>20 mA这个条件，本文选择使用TI旗下BB公司推出的高精密低功耗运算放大器OPA2277，该序列运放输出驱动电流高达35 mA，并且具有高精度、低噪声、极低的输入失调电压、低输入偏置电流、高共模信号抑制比等优点。输出运放A2使用低电压DC3.3V单电源供电，因此选择轨至轨输入/输出运放TLV2732，该运放供电电源电压范围为DC 2.7～16 V，满足设计需求。

3.2 电阻的选择

CP信号典型直流电压值分别为12 V、9 V、6 V，但实际电压有一定的误差范围，国家标准中CP监测点直流电压范围为5.2～12.8 V，而充电桩微处理器STM32F103RCT6的内部ADC最大输入电压为直流3.3 V，因此实际设计中CP输入电压经过0.25倍的电阻分压衰减网络使得线性隔离电路的输入电压为1.3～3.2 V，根据式（6）该线性隔离电路设计采用R1=R2，输入电压VIN和输出电压VOUT相等。

HCNR200/201光耦通过铝砷化镓发射LED二极管的额定电流为1～20 mA，根据芯片手册可得电流增益K1有以下关系：

K1=IPD1IF=0.5% （8）

可以计算出流过PD1的电流IPD1范围为5～100 uA，根据欧姆定律可以计算R1的取值范围为：

R1=VINIPD1=1.3～3.2 V5～100 uA=13～640 K （9）

实际使用中取R1=R2=160 KΩ，保证IPD1和IPD2的电流值在理论范围内。R3限流电阻理论值约为：

R3=R1×0.5%=160 K×0.005=800 （10）

但是考虑到器件的离散性及整体电路的线性度，通过实际验证R3最终选择390 Ω线性度更好。

3.3 硬件电路的设计

根据以上论证与分析可以得出CP电压信号采集隔离电路如图4所示。

图4中R4和R5构成电阻分压电路，根据电阻分压公式计算得Vin电压为1.3～3.2 V，输入运放OPA2277使用直流12 V供电，输出运放TLV2372使用直流3.3 V供电。输入地线和充电桩的PE线相连，而输出地线为信号数字地线，两者互相隔离，起到消除干扰、提高稳定性的作用。

4 硬件仿真的电路设计

电子工程师设计硬件电路过程中经常借助EDA虚拟仿真软件辅助设计验证电路的可行性，提高电路设计成功率，缩短开发周期。常见虚拟电路仿真软件有英国Lab Center Electronics公司出版的Proteus软件和美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真软件Multisim。Proteus主要应用在单片机及数字电路方面的仿真设计[6];而Multisim软件更适合应用在工业控制及模拟电路的仿真。本文使用Multisim软件绘制CP信号线性采集隔离电路仿真图，设置好仿真环境后即可在线运行，并可查看结果。虚拟仿真电路原理图如图5所示。

通过图5的虚拟仿真电路理论运行结果及实际测试数据记录如表1所示。

通过对表1的数据进行分析，仿真电路的数据是对器件参数理想化计算的结果，实际应用要考虑器件的离散性。该隔离采集电路在输入电压>0.8 V时，线性度相对误差在0.6%以内;输入电压<0.8 V以下时线性度有所下降。该电路用于识别判断交流充电桩CP输入信号直流电压1.3～3.2 V（0.25倍衰减后）完全符合设计精度要求，并且可以用于其他高压电路采集隔离电路应用，如380 V大功率电机的电流采集监测电路等领域。

5 交流充电桩的应用

我国在“十三五”规划中提出绿色环保节能减排新的发展目标，把新能源汽车产业作为战略性重点发展产业。充电桩的建设普及是保证电动汽车可持续发展的最重要基础设施之一。目前我国电动汽车充电桩的配置相对落后，在一定程度上影响了电动汽车的普及。要建设智慧交通、实现交通强国梦需要加大充电桩的建设。

现阶段交流充电桩仍然是建设的主流。交流充电桩相对于直流充电桩具有结构简单、成本低、安装便捷、技术成熟、对电网改造要求低等优点，它可直接接入普通家用单相交流220 V居民用电线路，适合安装在公用停车场及私人车库，目前小型车多采用交流充电桩的充电方式。根据权威数据统计显示，2020年我国公共充电桩当中交流充电桩总量高达49.8万台，占比61.71%;而直流充电桩为30.9万台，占比38.29%。

交流充电桩的应用在服务西部交通建设方面发挥着重要的作用。目前充电桩在发达省份及一线城市普及较为广泛，而在西部边远山区或者二、三线城市，因经济相对落后，充电桩的普及远远不足，加快推进交流充电桩项目建设仍然是这些地区政府部门的重点工作。本文研究设计的隔离电路已经在广西南宁市库仑新能源充电系统中使用，目前在广西南宁市库仑高新二期集中式、库仑江南皇氏、库仑仙葫、库仑永恒智慧广场等充电站投入使用，该交流充电桩正常稳定运行时间超过3年以上，工作效果良好，具有很好的推广发展前景。

6 结语

本文分析了线性隔离电路在硬件电路设计中的重要性及应用领域，详细介绍交流充电桩控制导引功能信号采集电路设计要求，阐述了线性光耦HCNR200/201的功能特点及参数指标，论证由HCNR200/201构成线性隔离采集电路的设计过程及参数推导。该模块电路开发已投入到广西多个新能源电动汽车交流充电站使用，整体运行效果良好。

[1]李海波，林 辉.线性光耦HCNR200在电流采样中的应用[J].世界电子元器件，2003（11）：37-38.

[2]韦家正，覃 喜.基于物联网微信扫码交流充电桩的设计与研究[J].广西民族大学学报（自然科学版），2020，26（2）：82-86.

[3]杨小晨，王 欣.高精度线性光耦HCNR200/201及其应用[J].仪器仪表用户，2003（5）：41-42.

[4]邓醉杰，叶丽花，黄守道，等.复合励磁永磁同步发电机端电压采样隔离电路——线性光耦HCNR200的应用[J].防爆电机，2006（2）：36-38.

[5]谭颖琦，范大鹏，陶 溢.基于线性光耦HCNR200的DSP采集电路设计与实现[J].电测与仪表，2006（6）：46-48.

[6]徐 伟，马进颖.蔡氏混沌电路在Multisim软件中的设计与仿真[J].電子器件，2013，36（6）：904-909.