在电力系统自动化、新能源电动汽车及高压储能领域，常需采样检测 100Vdc～1000Vdc 的高压直流母线电压。设计人员需结合成本与精度选择合适的采样方案。本文分享一种强电与弱电完全隔离的高压直流母线电压采样电路，可有效抑制高压侧对低压侧的电磁干扰，显著提高采样精度。电路原理如图1所示。
图1 采用线性光 电耦合器HCNR200实现高压直流母线电压的精确采样
信号隔离分为磁耦隔离和光耦隔离两类。光耦隔离以光为媒介，通过光电耦合器件实现输入与输出的电气隔离，能有效切断地环路干扰，抑制尖峰脉冲和噪声。HCNR200 属于电流型光耦，相比普通非线性光耦，具有更高的线性度、精度和稳定性。
图1所示检测电路由运放U1～U3、线性光耦U4、电阻R1～R10、电容C1～C7及TVS管VD1组成。Vbus+/Vbus- 为高压母线正/负极输入，Vout+/Vout- 为检测输出，可直接接入 A/D 转换器或 CPU 的 A/D 引脚进行运算处理。
线性光耦 HCNR200（AVAGO）内部集成发光二极管 D1、反馈光敏二极管 D2 和输出光敏二极管 D3。工作时，驱动电流 IF 使 D1 发出红外光，分别照射 D2 和 D3：D2 吸收部分光通量产生控制电流 IPD1，用于调节 IF 以补偿 D1 的非线性和漂移；D3 产生的输出电流 IPD2 与光通量呈线性比例。根据规格书，K1 = IPD1/IF = 0.5%（典型值），K3 = IPD2/IPD1 = 1（典型值）。
图2 线性光电耦合器HCNR200内部结构示意图
详细工作原理分析：电阻R1～R7、运放U1、线性光电耦合器U4中的D1、D2以及电容C1、C2共同构成输入电压电流转换电路，电阻R1～R6的作用是将输入的高压直流母线电压转换为输入电流，采用多个电阻进行串并联是为了增大电气安全距离以及电阻耐受功率，电容C2可以防止电路产生振荡，滤除电路中的毛刺，R7为发光二极管D1的限流电阻，C1为电源滤波电容。
根据理想运放"虚短""虚断"概念：VU1- = VU1+ = 0，IU1- = 0，故 R1～R6 电流全部流向 U4 的反馈光敏二极管 D2，即：IPD1 = [(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6)。IPD1 反向调节 U1 输出及驱动电流 IF，使 VU1- 维持在 0V 参考电位。U1 及周边器件实质构成电流并联负反馈电路。
R8～R10、U2～U3、U4 中的 D3 及 C3～C7 构成输出电流-电压转换电路。D3 受 D1 光照，输出电流 IPD2 随之稳定线性变化：
U2 + R8：电流-电压转换器，VU2OUT = R8 × IPD2；C3 与 R8 并联构成低通滤波器，滤除 U4 产生的高频噪声。
U3：射极跟随器，提高输出带载能力，隔离前后级电路，提升采样精度。
R9/C5、R10/C7：传输线路滤波，滤除高频噪声与干扰。
VD1（TVS管）：后端芯片过电压保护。
因此，电路输入与输出电压的转换关系为：
(Vout+) - (Vout-) = VU2OUT = R8 × IPD2 = R8 × IPD1 = R8 × [(Vbus+) - (Vbus-)] / (R1//R2 + R3//R4 + R5//R6)
将该关系式反推并转换为程序语言，即可计算出输入端的直流高压。
输入端的电压-电流转换电路与输出端的电流-电压转换电路供电电气隔离、互不共地，从而实现强电与弱电的完全隔离，减小高压部分对低压部分的电磁干扰。此外，为提高信号分辨率和抗干扰能力，两侧供电均采用 12Vdc。
图1 电路所有元器件参数如表1所示。为提高采样精度，部分关键器件参数计算如下（非常重要）：
(1) 确定最大驱动电流 IF：
HCNR200 规格书中，K1 = IPD1/IF = 0.5%（典型值），K3 = IPD2/IPD1 = 1（典型值）；IPD2、IPD1 的测试电流范围为 5nA～50μA（如图3所示）。在此区间内 IPD2 与 IPD1 高度一致，对应 IF = 1μA～10mA，故取 IF 最大值为 10mA。
图3 线性光电耦合器HCNR200规格书中主要参数(a)
（2）电阻R1～R6计算：如前所述，IPD1能取的最大值 为50uA，这也就是被测输入电压最大时的IPD1，电动汽车高压直流母线最高电压一般不超过750Vdc，所以R1～R6总电阻R1-6的计算公式为：R1-6≥750Vdc/50uA=15MΩ，因此R1～R6选取相同规格电阻，阻值/功率/精度为10MΩ/1W/1%；
（3）电阻R7计算：HCNR200规格书中给出的LED 正向压降VF=1.6Vdc（典型值，如图4所示），当运放U1输出电压为0V时，IF取最大值10mA，所以R7的计算公式为：R7≥（12Vdc-1.6Vdc）/10mA=1.04KΩ，因此R7阻值/功率/精度选用1KΩ/0.25W/5%；
图4 线性光电耦合器HCNR200规格书中主要参数(b)
（4）电阻R8计算：因为Vout+/Vout-会直接接入A/D转换器或CPU的A/D管脚进行运算处理，假如后端选择CPU型号为：STM32F107VCT6，其内部ADC 基准电平VREF拟定为3.3Vdc，为了使检测电路输出不越限，应控制VU2OUT ≤3.3Vdc，即R8≤3.3Vdc / IPD2 = 3.3Vdc / 50uA = 66 KΩ，因此R8阻值/功率/精度选用64.9KΩ/0.1W/1%；
（5）运放U1～U3：如果输入直流母线电压较低，经过电流传输、光电感应和电流电压变换后，最后的输出电压幅度可能会比较小，在运放端甚至会出现截止失真（下限截止），同时，运放的失调电压、偏置电流对电压采样精度也有很大影响，因此，选择运放型号为：OPA2171AIDR，该运放属于高精度型，输入失调电压典型值为0.25mV，输入偏置电流小于15pA，基本可以满足采样精度的要求。
表1 本文提出的直流母线电压检测电路所有电子元器件参数规格表
利用图1电路及表1参数设计的高压直流母线电压检测电路，通过高压直流电源模拟输入，实测0～500Vdc电压范围的采样精度如表2所示，可见该采样电路能实现较高精度的高压直流检测。
表2 按照图1电路及表1参数设计的高压直流母线电压检测电路实测结果对比
设计时需注意以下几点：
其一，应用该电路前请详细阅读 HCNR200 规格书；
其二，R1～R6 的阻值需根据直流总压检测范围确定，数量可增减（但须满足爬电距离要求）——阻值过大影响低端检测精度，过小则电阻发热甚至致 IPD1 越限；
其三，运放选型需注意失调电压、偏置电流不宜过大，且多数高精度运放需双电源供电；若规格书未注明支持单电源，切勿以单电源方式使用，否则轻则影响精度，重则无法正常工作。
图1 所示电路即市面上可购的"直流电压变换器/传感器"的内部原理，单价约 200 元，掌握后便可灵活应用于各类控制器。本文借助线性光耦 HCNR200 实现了高压直流母线的精确检测及强弱电隔离，有效抑制了电磁干扰；同时因中间传输为电流信号而非电压信号，消除了大部分电压噪声，显著提高了采样精度。
