背景

我們有一款產品，需要檢測三相電流，根據檢測的電流進行裝置的保護；

該產品對成本敏感，而且外殼尺寸也有限，需要儘量精簡單電路設計；

綜合考慮之後，我設計了以下的檢測電路：

三相電流檢測

電路分析

L1為電流互感器的線圈，初、次極匝數比為2000：1。

R4為互感器次極的取樣電路，選為25Ω。

R2為運放反相端輸入電阻，選為4。7K。

MCU工作電壓3。3V經過R5、R6分壓之後送入到運放的同相輸入端；

R1為運放反饋端電阻，選為47K。

C1為反饋端電容，用於與R1構成低通濾波器，濾除高頻干擾；

R3為MCU A/D輸入端的限流電路，用於當運放與MCU不是同時上電時，限制從運放輸出端經過MCU的上拉二極體向MCU供電電源上的電容的充電電流；

C2為MCU A/D輸入腳的濾波電路，其作用為與R3構成低通濾波器，濾除高頻干擾；

運放選用LM224，其支援單電源供電；單電源供電時，工作電源範圍為：+3。0V-+30V。

同相輸入的直流電平透過放大之後，給電流訊號提供直流工作點；

透過運放的加、減運算將交流的電流訊號抬升到直流工作點上，使得輸入MCU的電壓大於零；

在同相端輸入的直流電壓，經過運放放大之後，在運放輸出端輸出的直流工作點電壓為：

直流工作點電壓

在反相端輸入的電流互感器次極訊號Vin，經過運放反相放大之後，在輸出端得到的電壓為：

交流輸出電壓

根據電路疊加原理，運放總的輸出電壓為：

運放輸出電壓

透過在同相輸入端輸入直流電壓，將輸出電壓的直流電平抬升至1.65V，

使得輸入MCU的交流訊號可以達到3。3V峰-峰值，從而可以做到最大的測試量程。

需要測試的市電電流額定真有效值為7。5A，經過2000：1的交流互感器，

在次極得到的電流訊號額定真有效值值為5mA，經過25Ω取樣電阻取樣得到真有效值為125mV的電壓；電壓峰-峰值為：125*sqrt（2）*2=265mV。

把測試量程設定為額定值的1。2倍，滿量程對應的同相端輸入電壓的峰-峰值為265mV*1。2=318mV。

而運放輸出端滿量程的峰-峰值為3。3V，因此，放大倍數為3。3V/318mV=10。5。

綜合上述考慮，反相端輸入的交流訊號的放大倍數選為10，R1選47KΩ，R2選4.7KΩ。

在供電方面，經過寬電壓輸入的AC-DC電源得到5V之後，再透過LDO得到3。3V電源給MCU等供電；

由於，運放為單電源5V供電，所以其輸出電壓範圍為0V-3。5V。

而A/D埠最高電壓為3。3V。

所以不需要在埠增加保護二極體進行輸入高壓保護。

總結

1）根據所需測試訊號的額定值確定量程，根據量程以及電流互感器變比、取樣電阻阻值確認運放放大倍數為10。

2）將交流訊號的直流電平抬升到1.65V以獲得交流訊號不失真測量的最大量程，根據放大倍數11確認同相端輸入的電壓電壓，從而選擇合適的電阻阻值對3.3V的電壓進行分壓。這裡選擇2.2K和47K。

3) 運放選擇單電源5V供電，節省了負電源的電路和成本，而且輸入到MCU的訊號不需要經過二極體鉗位。

4) 反饋端電容以及A/D取樣輸入端電容的容值選擇、濾波網路分析在後續文章中再詳細講解。