一种过零检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种过零检测电路。


背景技术：

2.电压过零是指交流信号的电压从正半周向负半周转换或从负半周向正半周转换经过零位，该零位与参考点的电压差为零。在电子线路设计中，通常使用电压过零作为时间参考点，为了获得交流信号的电压过零而产生了电压过零检测电路。市面上常用的几种过零检测，一是用光耦器或者比较器搭成，这种电路成本高且检测出来的上升沿和下降沿精度不高；二是变压器先把电压降下来，再用三极管检测，这样成本大，体积大；三是直接用单只三极管搭成，这样在电路耐压不高，在某些低成本的板卡，没有tvs管，很难过得了浪涌和雷击测试。


技术实现要素：

3.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的过零检测电路耐压不高的缺陷，从而提供一种过零检测电路。
4.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
5.本实用新型实施例提供一种过零检测电路，包括：整流电路、分压电路、电压跟随电路、开关电路，其中，整流电路的第一端输入待检测交流信号，整流电路的第二端与分压电路的第一端连接；电压跟随电路的第一端与分压电路的第二端连接，电压跟随电路的控制端与外设电源连接，电压跟随电路的第二端接地，电压跟随电路的第三端与开关电路的控制端连接；开关电路的第一端与外设电源连接，开关电路的第二端接地；分压电路的第三端接地；当待检测交流信号处于第一半轴时，电压跟随电路导通、开关电路关断，开关电路的第三端持续输出第一电平信号；当待检测交流信号处于第二半轴时，电压跟随电路使得开关电路的控制端的电压维持在预设电压阈值，开关电路导通，开关电路的第三端持续输出第二电平信号。
6.在一实施例中，整流电路包括：二极管，二极管的阳极输入待检测交流信号，二极管的阴极与分压电路的第一端连接。
7.在一实施例中，分压电路包括：第一分压电阻及第二分压电阻，其中，第一分压电阻的第一端与整流电路的第二端连接，第一分压电阻的第二端与电压跟随电路的第一端、第二分压电阻的第一端连接，第二分压电阻的第二端接地。
8.在一实施例中，电压跟随电路包括：第三分压电阻、第四分压电阻及第一开关管，其中，第三分压电阻的第一端与外设电源连接，第三分压电阻的第二端与第一开关管的控制端连接，第一开关管的第一端与第一分压电阻的第二端连接，第一开关管的第二端通过第四分压电阻接地，第一开关管的第二端还与开关电路的控制端连接。
9.在一实施例中，第一开关管为npn型igbt。
10.在一实施例中，开关电路包括：上拉电阻及第二开关管，其中，第二开关管的控制
端与第一开关管的第二端连接，第二开关管的第一端通过上拉电阻与外设电源连接，第二开关管的第二端接地；当待检测交流信号处于第一半轴时，第一开关管导通、第二开关管关断，第二开关管的第二端持续输出第一电平信号；当待检测交流信号处于第二半轴时，第一开关管使得第二开关管的控制端的电压维持在预设电压阈值，第二开关管导通，第二开关管的第二端持续输出第二电平信号。
11.在一实施例中，第二开关管为nmos管。
12.在一实施例中，过零检测电路还包括：电源模块，电源模块与电压跟随电路的控制端、开关电路的第一端连接，电源模块用于为电压跟随电路、开关电路供电。
13.本实用新型技术方案，具有如下优点：
14.本实用新型提供的过零检测电路，当待检测交流信号处于第一半轴时，电压跟随电路导通、开关电路关断，开关电路的第三端持续输出第一电平信号；当待检测交流信号处于第二半轴时，电压跟随电路使得开关电路的控制端的电压维持在预设电压阈值，开关电路导通，开关电路的第三端持续输出第二电平信号。从而仅通过增加电压跟随电路，即可在待检测交流信号升压过程中，将开关电路的控制端电压维持在预设电压阈值，使得待检测交流信号中即使有较大的浪涌电流，也不会损坏开关电路。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本实用新型实施例提供的过零检测电路的一个具体示例的示意图；
17.图2为本实用新型实施例提供的过零检测电路的电路拓扑；
18.图3为本实用新型实施例提供的过零检测电路的另一个具体示例的示意图。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
20.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技
术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
22.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
23.实施例
24.本实用新型实施例提供一种过零检测电路，如图1所示，包括：整流电路1、分压电路2、电压跟随电路3、开关电路4。
25.如图1所示，整流电路1的第一端输入待检测交流信号，整流电路1的第二端与分压电路2的第一端连接；电压跟随电路3的第一端与分压电路2的第二端连接，电压跟随电路3的控制端与外设电源连接，电压跟随电路3的第二端接地，电压跟随电路3的第三端与开关电路4的控制端连接；开关电路4的第一端与外设电源连接，开关电路4的第二端接地；分压电路2的第三端接地。
26.具体地，本实用新型实施例的整流电路1可以阻止第一半轴的待检测交流信号、通过第二半轴的待检测交流信号，待检测交流信号处于不同半轴时，开关电路4能够输出不同电平的电压信号，通过捕捉该电压信号的电平跳变，即可得到待检测交流信号的过零点。
27.具体地，当待检测交流信号处于第一半轴时，电压跟随电路3导通、开关电路4关断，开关电路4的第三端持续输出第一电平信号，该第一电平信号可以为高电平信号；当待检测交流信号处于第二半轴时，电压跟随电路3使得开关电路4的控制端的电压维持在预设电压阈值，开关电路4导通，开关电路4的第三端持续输出第二电平信号，该第二电平信号可以为低电平信号。其中，第一半轴可以为负半轴、第二半轴可以为正半轴。
28.具体地，当开关电路4的控制端直接与分压电路2的第二端直接连接时，那么当待检测交流信号处于正半轴时，随着待检测交流信号幅值的上升，开关电路4的控制端的电压将会越来越高，因此为了提高过零检测电路的耐压性，设置电压跟随电路3，电压跟随电路3在待检测交流信号幅值的上升过程中，使得开关电路4的控制端电压维持在预设电压阈值。
29.在一具体实施例中，如图2所示，整流电路1包括：二极管d1，二极管d1的阳极输入待检测交流信号(即图2中的vac)，二极管d1的阴极与分压电路2的第一端连接(即图2中的r1的一端)。
30.具体地，本实用新型实施例中，整流电路1为一个具有单向导电性的二极管d1，根据二极管d1特性，因此，该二极管d1可以通过正半轴的待检测交流信号、阻止负半轴的待检测交流信号，需要说明的是，该整流电路1可以为其它具有单向导电性的电路，在此不作限制。
31.在一具体实施例中，如图2所示，分压电路2包括：第一分压电阻r1及第二分压电阻r2，其中，第一分压电阻r1的第一端与整流电路1的第二端(即二极管d1的阴极)连接，第一分压电阻r1的第二端与电压跟随电路3的第一端(即第一开关管q1的第一端)、第二分压电阻r2的第一端连接，第二分压电阻r2的第二端接地。
32.在一具体实施例中，如图2所示，电压跟随电路3包括：第三分压电阻r3、第四分压电阻r5及第一开关管q1，第一开关管q1为npn型igbt，其中，第三分压电阻r3的第一端与外设电源(vdd端)连接，第三分压电阻r3的第二端与第一开关管q1的控制端连接，第一开关管q1的第一端与第一分压电阻r1的第二端连接，第一开关管q1的第二端通过第四分压电阻r5接地，第一开关管q1的第二端还与开关电路4的控制端连接。
33.在一具体实施例中，如图2所示，开关电路4包括：上拉电阻r4及第二开关管q2，第二开关管q2为nmos管，其中，第二开关管q2的控制端与第一开关管q1的第二端连接，第二开关管q2的第一端通过上拉电阻r4与外设电源(vdd端)连接，第二开关管q2的第二端接地。
34.具体地，当待检测交流信号处于第一半轴时，第一开关管q1导通、第二开关管q2关断，第二开关管q2的第二端持续输出第一电平信号；当待检测交流信号处于第二半轴时，第一开关管q1使得第二开关管q2的控制端的电压维持在预设电压阈值，第二开关管q2导通，第二开关管q2的第二端持续输出第二电平信号。
35.本实用新型实施例提供的过零检测电路的一个具体示例的电路结构如2所示，其中，r1和r2组成一个分压电路2，整流后的待检测交流信号经过这两个电阻分压后得到一个比较小的与正半轴交流电压成正比的电压，其大小是由r1和r2的阻值比例决定。r3和r5也是个分压作用，vdd通过这两电阻得到一个较小的直流电压。r4是个上拉电阻。三极管q1在电路中充当电压跟随器。当待检测交流信号处于负半轴时，q1射极电压是r3和r5的分压与q1的导通电压的差值；当待检测交流信号处于正半轴时，q1射极电压维持在预设电压阈值(预设电压阈值＝vdd-0.7v)，其中0.7为q1的导通电压。由于q1的射极与q2的栅极连接，因此，当待检测交流信号处于负半轴时，q1导通，q2栅极的电压为r3和r5的分压与q1导通电压的差值，由于该差值较小，因此q2截止，q2的漏极电压为vdd；当待检测交流信号处于正半轴时，q2的栅极电压为r1和r2的分压，因为d1二极管d1有压降，且r1和r2的分压电压要达到q2栅极的开启电压，q2才导通，q2导通后，q2的漏极电压为0。因此，在待检测交流信号的一个周期内，q2的漏极电压为vdd的时间比为0的时间长一点点，即mcu捕捉到的高电平的时间比低电平的时间长一点点，高电平与低电平的占空比约为50％。然后再通过mcu的软件补偿，可以在应用中得到过零信号与交流电压的过零位同步。
36.由上述可知，r1和r2的阻值比例过高会降低耐压值，比例过低会导致mcu检测出来的方波占空比偏离较大，因此可根据实际应用选用合适的比例。r3和r5的值比例也不能太高，若二者分压大于q2门极开启电压，q2将一直处于导通状态，q2漏极一直输出低电平，mcu一直捕捉低电平信号，至此由于没有电压转换，就检不到过零信号。此外，q1是电路中的关键器件，交流电压经过r1和r2的分压，落在q1的集电极上，q1的vce耐压大小，决定可通过交流电压的大小。选型时，可选vce尽量大的三极管。
37.进一步地，若待检测交流信号为正负半轴交替的信号，则当待检测交流信号从负压向正压慢慢增大，待检测交流信号处于负压时，由于二极管d1d1存在，待检测交流信号无法通过，r1和r2的分压是0v，q2的栅极电压是r3和r5的分压，此时q2的栅极电压为低电平，q2截止，漏极输出高电平vdd。当待检测交流信号从负压穿过零点，再慢慢增大的同时，r1和r2的分压与r3的r5的分压也一起慢慢增大，当r1和r2分压大于q2的开启电压时，q2导通，q2漏极输出低电平0v，此时mcu捕捉到一个下降沿。r1和r2分压继续升高，高于vdd-0.7v时，r3和r5的电压保持在vdd-0.7v，因此即使r1和r2继续增大，二者增大的电压也仅落在q1的vce上，q2的栅极电压维持为vdd-0.7v。因此当有很大的浪涌进来时，浪涌经过r1和r2的分压，变小后加载在q1的vce上，vce的耐压是比较大的，而q2的栅极也保持在vdd-0.7v，所以整个电路器件都保证在安全电压范围内了。而能抗多大的浪涌，取决于参数的先择，浪涌电压vl＝vce*(r1+r2)/r2。其中vce是q1的集电极和射极之间的电压。
38.下面以d2选择型号为普通二极管m7，r1的取值470kr，r2、r3和r4的取值24kr，r5取
值10k,q1型号为mmbt5551，其vce耐压值为180v,q2型号为bss138，栅极开启电压是1.3v，vdd取值3.3v，进行说明：
39.①
当待检测交流信号处于负半轴时，q1集电极的电压是0v，q1基极是高电压，处于导通状态，q1的射极电压是r3和r5的分压，即v35＝vdd*(r5/r3+r5)-0.7＝0.27v，0.27小于q2的开启电压，q2截止，mcu检测到是高电平3.3v。
40.②
当待检测交流信号从负电压变成正电压，再慢慢增大的过程中，因为q1是导通状态，q2栅极电压等于r1和r2的分压，所以q2栅极电压也跟着慢慢增大，当q2栅极电压大于1.3v时，q2导通，mcu检测到低电平0v，实现了一次边沿转换。此时的待检测交流信号电压大小是vac＝1.3*(r1+r2)/r2＝26.7v。
41.③
当待检测交流信号电压从26.7v再慢慢增大，q2栅极的电压也跟着慢慢增大。当q2栅极电压增大到vdd-0.7＝2.6v时，q2栅极将会保持在2.6v，不会跟着交流电增大，就算出现很大的浪涌，q2也会一直保持在安全电压2.6v内。
42.④
待检测交流信号电压增到最大，又从最大往下掉，掉到小于26.7v时，此时q2的栅极电压就小于1.3v。q2截止，mcu检测到高电压3.3v，又现实一次电平转换。
43.基于上述情况，q1值选取mmbt5551，vce＝180v，可通过最大交流电压vmax＝180*(r2+r1)/r2＝3705v，不难看出，q1的作用就是提供一个安全的开启电压给q2，只要q1的vce足够大，就能抗更大的电压。
44.在一具体实施例中，如图3所示，过零检测电路还包括：电源模块5，电源模块5与电压跟随电路3的控制端、开关电路4的第一端连接，电源模块5用于为电压跟随电路3、开关电路4供电。
45.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。