AD输入钳位保护电路

目录

一、 钳位原理

二、 滤波问题

三、R的取值问题

1、二极管的额定正向电流

2、RC低通滤波

四、开板流程

1、查看单片机原理图常用的AD采样I/O口

2、查看单片机板子上实际引出I/ O位置

3、绘制原理图、PCB图

4、下单开板,焊接电路

5、测试


前言

        在电赛题的电力电子方向,电路系统往往都会工作在大电流高电压的情况下。我们需要采集电流电压的信息,这些大电压电流信号便会间接作用到单片机的采集端口。以常用的stm32单片机为例,单片机自带12位的AD,正常采集的电压范围为0~3.3V。若系统出现故障,电压突然升高,采样口电压大于5V就极🈶可能损坏AD口,所以在采样口前端加一个保护措施很有必要。


一、 钳位原理

利用二极管的单向导电性,即可实现钳位功能。原理图如下所示:

        当输入电压大于Vcc+VD1时,D1二极管会导通。当输入电压小于-VD2时,D2二极管会导通。最终实现一个钳位到-VD2到Vcc+VD1的效果。

二极管选型问题:

T4(1N4148):1N4148 是一种开关二极管,耐压100V,电流150mA,反向恢复速度快。

S4(1N5819):1N5819是肖特基二极管,它的反向耐压40V,额定正向电流1A,1N5819的反向恢复时间极短,适合高频电路工作。

1N4148和1N5819的区别:

1、高频、低压、大电流特性是1N5819二极管与普通二极管的不同点,它广泛被应用于开关电源、变频器、驱动器等电路,作高频、低压、大电流整流、续流、保护二极管使用。

2、1N5819的特点是速度超快(开关损耗低),正向压降特低(电压损耗低),不过反向耐压也低,通常少于60V,适用于低压(不高于12V)开关电源。

3、1N5819二极管的另一个用途是稳压,利用其反向特性。所以,耐压低,而电流又不大的时候,可以考虑用稳压管代替。

4、1N4148是点接触型的小电流高频开关二极管,速度高,不过工作电流才150mA,广泛用于信号频率较高的电路。

5、1N5819管的反向漏电比较大一点,但是电容小,速度快。但是还没1N4148快,毕竟1N4148的用途是高频检波,而不是整流。

 经过比对:IN5819更适合用于本电路。一是有更小的导通压降,二是有更大的正向电流。

二、R的取值问题

1、二极管的额定正向电流

当输入电压大于3.3V+管压降时,电流会通过R1流经D1到3V3。

Vin=Vcc+VD1+I*R1

Vout = Vcc+VD1

        从输入输出表达式来看,输出电压Vout不会随着输入的变化而变化。会一直钳位在Vcc+VD1。但是在实际电路测试过程中,出现了电压钳不住的现象。同时还会抬高Vcc稳压源的电压,如下图:

测试条件:使用信号源(输出阻抗:50欧姆)给出正弦波。使用示波器观察输出波形。

导致该现象的原因是:二极管D1的正向导通电流过小(使用的是1N4148:150mA),R的取值太小(100欧姆)。I*R1的值是有限的,那么Vcc就会被抬高,输出电压也会随之被抬升。

解决方法:把电阻R1增大到1K欧姆,就能够钳住。入下图:

        更换额定电流更大的1N5819二极管也能改善。

2、RC低通滤波

        使用到AD采样就会涉及到奈奎斯特采样定理:采样频率必须大于信号最大频率的两倍。才能实现无失真采样。

        在电力电子方向系统中,一般需要采集的量有直流电压,直流电流,交流电压。其中直流电压和电流的变化一般都不会很大,这一般都是PI所调节控制的对象。其中频率最大也就是50Hz左右。采样的要求的频率一般STM32的采样频率都能够满足。

        采样前的滤波是很有必要的,滤除带外噪声。

        一阶RC低通滤波的截止频率计算公式为:

f =\frac{1}{2\pi*R*C }

在上一步已经可以初步确定R的取值大小,所以再确定C的值就可以了。

3、分压电路输出阻抗

在实际电压采集图如下:

 

这个时候其实R1便会与分压电路的输出阻抗(R2//R3)串联起来。

        一会影响到钳位的压降(会更容易钳住)。

        二会影响到低通滤波的实际截止频率。

所以需要根据实际电路给出最佳的参数取值。


四、开板流程

如何才能为单片机开一片合适输入钳位保护板呢。

1、查看单片机原理图常用的AD采样I/O口

2、查看单片机板子上实际引出I/ O位置

3、绘制原理图、PCB图

4、下单开板,焊接电路

5、测试

测试方法:使用信号源输出正弦波,使用示波器观察输出波形。

测试结果:由于第二版的二极管封装使用了1N4148的封装,所以没用使用IN5819二极管,导致全文中所有的波形图片的测试结果都是使用1N4148二极管的结果。

第三版只需要把二极管的更换成IN5819的就可以了达到更完美的效果。

 

总结

        虽然这是很简单的一个电路,但是在制作的过就会遇到很多的奇怪现象,出现很多的问题。结合实际,去寻找原因,解决问题。

        继续努力

        完结撒花

### STM32 分压电路输入设计与实现 STM32 的 GPIO 结构支持多种工作模式,其中包括模拟输入模式。当使用 ADC 对外部信号进行采样时,通常需要对接入的信号进行预处理,比如分压和保护。这种设计能够有效防止过高的电压损坏 MCU 或影响测量精度。 #### 保护原理 在实际应用中,如果输入信号超出电源范围(如高于 VCC 或低于 GND),可能会导致芯片受损或不稳定运行。因此,在设计分压电路的同时加入二极管是非常必要的。二极管的作用是将输入电压限制在一个安全范围内,即使输入端接收到异常高压也不会传递到内部电路[^3]。 以下是典型的分压加钳位电路设计方案: ```plaintext Vin ---- R1 ----|>|---- Vcc (D1正向连接至Vcc) | |----<|---- Gnd (D2反向接地) | R2 ---- MCU Pin ``` 在这个电路中: - **R1 和 R2 构成分压网络**,用于降低输入电压 Vin 到适合 ADC 范围内的值。 - **D1 是一个正向偏置二极管**,它会在输入电压超过 Vcc+VD1 时导通,从而将多余电流分流到供电轨而不是进入 MCU 引脚。 - **D2 反向连接到地线**,用来阻止负电压施加于引脚上。 #### 设计注意事项 为了确保该方案的有效性和可靠性,需注意以下几点参数设置: 1. **电阻选型**: - 根据最大允许输入阻抗以及目标衰减比例选取合适的 R1 和 R2 数值; - 合适的比例既能保证足够的分辨率又能减少功率损耗。 2. **二极管规格**: - 使用快速恢复肖特基二极管代替普通硅整流器以获得更低的前向压降(Vf),这样能更精确控制上限阈值; - 确认所选用型号能在预期浪涌条件下承受住大瞬态电流冲击而不失效。 3. **热管理考量**: 如果预计会有频繁的大幅波动或者长时间处于极限状态,则应考虑增加散热措施以防局部温度过高引发隐患。 4. **滤波电容**(可选项): 添加一个小容量陶瓷电容器靠近MCU引脚可以帮助平滑高频噪声干扰并进一步稳定读数效果。 上述方法不仅适用于单独通道的数据采集场景下对外界传感器输出加以防护,同时也广泛应用于多路复用系统当中作为通用接口解决方案之一. ```c // 示例代码展示如何初始化GPIO为模拟输入模式以便配合前述硬件电路完成数据获取功能. void Configure_ADC_Input(void){ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // Enable clock for Port A /*Configure pin PA0 as Analog Input */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); } ```
评论 4
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值