绝缘检测电路方案：发现问题→分析问题→解决问题全过程

一、发现问题

前段时间，在对公司控制板进行硬件架构升级时，把绝缘检测电路（原为外部的一个小模块）整合进了控制板中，原绝缘检测电路方案如下图所示：

这是一种改进的非平衡桥模式的绝缘检测方案。其中，Rx、Ry分别是待测DC+对PE、DC-对PE等效电阻；R7、R8是非平衡桥臂；K1、K2为继电器开关；R3、R4为电压采样电阻，两端分别接至两路A/D采样电路进行电压采样。该方案的原理为：

绝缘检测电路不工作时，K1、K2断开，避免电路参数对整机绝缘性能的影响；K1闭合时，采样一次电压，可以列出一个方程；然后K2闭合（K1保持闭合），再采样一次电压，又可以列出一个方程，两个未知数，两个方程，可以计算出Rx、Ry。具体说明如下：

第一次，闭合K1，测量Rx‖（R1+R3）分压Up、Ry‖（R2+R4）分压Un，列方程：

第二次，再次闭合K2，Rx ‖（R1+R3）‖R7 分压U+、Ry‖（R2+R4）‖R8 分压U-，列方程：

联立上面等式，可求得正负母线电压对地的绝缘电阻值与U+、U-、Up、Un之间的关系：

但是，同事说现场反馈该检测方案在实际使用过程中，对部分外部设备会误报：本身绝缘没有问题，但根据计算结果会误报为有问题，影响外部设备的正常使用。

经过很长一段时间也没有找到问题发生的原因，为了解决这个问题，对会误报的外部设备，增加了平衡模式的方案：即假定没有绝缘故障时Rx、Ry为无穷大。检测时，只闭合K1。

若默认Rx为无穷大，则可得：
Ry=Vy*(R2+R4)/(Vx-Vy)
若默认Ry为无穷大，则可得：
Rx=Vx*(R1+R3)/(Vy-Vx)

通过上面的公式可以计算出Rx、Ry。

但经过简单分析就能发现，采用平衡模式的方案存在两个缺陷：

1、只能检测出单端绝缘故障，Rx、Ry都很小但又相等时的绝缘故障检测不出来；

2、若假定电压采样时误差为1%，那么在所有的场景下计算出来的Rx、Ry与实际值的偏差都会大于10%，而且偏差方向没有任何规律。

实话讲，要分析出上面的两个缺陷还是蛮简单的，但这么简单的分析……在这里就不吐槽啥了，继续分析误报发生的原因。

二、分析问题

前面提到该非平衡桥的方案在实际使用中对部分正常的外部设备会误报绝缘故障。但平衡模式的方案存在两个固有缺陷，肯定不能用。而非平衡模式按道理本身不会有什么问题，

于是一开始，我怀疑是电路参数选择不合适，导致如果电压采样有偏差（比如2%），在某些情况下可能会误报。于是我做了引入电压采样误差的分析：

下面对分析做进一步的说明：

1、U为DC+、DC-之间的电压；Rx、Ry为DC+与PE、DC-与PE等效电阻；R1、R3、R2、R4、R7、R8见上面的方案图，单位为kΩ。黄色标注的为原始输入数据，可更改；

2、J列Up+Un、M列（U+ + U-）为校核数据；

3、N~Q列分别为正极的AD采样电路-2%偏差、负极的AD采样电路+2%偏差时计算出的Rx阻值、计算出的Ry阻值、Rx计算值与实际值偏差百分比、Ry计算值与实际值偏差百分比；R~U分别为正极的AD采样电路+2%偏差、负极的AD采样电路-2%偏差时计算出的Rx阻值、计算出的Ry阻值、Rx计算值与实际值偏差百分比、Ry计算值与实际值偏差百分比；（完整分析包含正极+2%、0、-2%，负极+2%、0、-2%的9种组合下的分析，此处仅列出最极端的情况）

4、Rx、Ry取值：5、6、7……10、20、30……100、200……1000、2000……10000；电压U可任意设置

5、表格中第四行的公式可参考如下：

Rx//(R1+R3)： =F4*($A$2+$B$2)/(F4+$A$2+$B$2)

Ry//(R2+R4)： =G4*($C$2+$D$2)/(G4+$C$2+$D$2)

Rx//(R1+R3)//R7： =A4*$E$2/(A4+$E$2)

Ry//(R2+R4)//R8： =B4*$F$2/(B4+$F$2)

Up： =$B$2/($A$2+$B$2)*E4*A4/(A4+B4)

Un： =$D$2/($C$2+$D$2)*E4*B4/(A4+B4)

Up+Un： =H4+I4

U+： =$D$2/($C$2+$D$2)*E4*C4/(C4+D4)

U-： =$D$2/($C$2+$D$2)*E4*D4/(C4+D4)

U++U-： =K4+L4

正极AD采样电压偏差-2%，负极AD采样电压偏差+2%时Rx计算值：

=$E$2*$F$2*($A$2+$B$2)*(0.98*K4*1.02*I4-0.98*L4*1.02*H4)/(($A$2+$B$2)*1.02*I4*(1.02*L4*$E$2-0.98*K4*$F$2)-$E$2*$F$2*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4))

正极AD采样电压偏差-2%，负极AD采样电压偏差+2%时Ry计算值：

=$E$2*$F$2*($A$2+$B$2)*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4)/(($A$2+$B$2)*0.98*H4*(1.02*L4*$E$2-0.98*K4*$F$2)-$E$2*$F$2*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4))

Rx计算值偏离实际值的百分比： =(N4-F4)/F4

Rx计算值偏离实际值的百分比： =(O4-G4)/G4

正极AD采样电压偏差+2%，负极AD采样电压偏差-2%时Rx计算值：

=$E$2*$F$2*($A$2+$B$2)*(0.98*K4*1.02*I4-0.98*L4*1.02*H4)/(($A$2+$B$2)*0.98*I4*(0.98*L4*$E$2-1.02*K4*$F$2)-$E$2*$F$2*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4))

正极AD采样电压偏差+2%，负极AD采样电压偏差-2%时Ry计算值：

=$E$2*$F$2*($A$2+$B$2)*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4)/(($A$2+$B$2)*1.02*H4*(0.98*L4*$E$2-1.02*K4*$F$2)-$E$2*$F$2*(1.02*K4*0.98*I4-1.02*L4*0.98*H4))

Rx计算值偏离实际值的百分比： =(R4-F4)/F4

Ry计算值偏离实际值的百分比： =(S4-G4)/G4

6、上述公式复制粘贴，从第一行数据拉到最后一行数据，即可得到完整分析数据。

部分分析数据参考如下：

分析表格数据可以发现，存在两种类型的问题：

1、周期性出现的问题；

2、表格末尾部分出现的问题。

进一步的分析可发现：

1、周期性出现的问题，问题点出现在Rx：Ry ≈ R7：R8，结合绝缘检测方案原理图分析可知，在这些输入情况下，K2闭合前后两次采样电压非常接近，因此，电压采样值的极小偏差可能导致最终Rx、Ry计算结果的极大偏差；

2、表格末尾对应绝缘性能极好的情况，Rx、Ry都极大，结合绝缘检测方案原理图分析可知，在这种情况下，Rx、Ry的阻值本身几乎不影响电压采样值，自然，电压采样值误差的引入必然会导致最终Rx、Ry计算结果的极大偏差。（PS：如果Rx、Ry较小时测不准，R1、R2、R3、R4、R7、R8相应参数可取小一点；如果Rx、Ry较大时测不准，R1、R2、R3、R4、R7、R8相应参数可取大一点）

从上面的分析可发现，该方案存在固有的缺陷。因此，考虑采用新的方案。

三、解决问题

3.1 为解决问题，搜了一下其他公司的方案，初步选定的方案如下：

该方案的工作原理：测三次。

1、开关S1和S2全部闭合，测量正、负桥臂采样电阻 Rp1、Rn1上的电压 Up和 Un，可以得到直流充电桩正负母线之间的电压 U ：

2、闭合开关S1，断开开关S2，此时，正桥臂上的电阻 R9、Rp1与正母线对地绝缘电阻 Rp并联再与负母线对地绝缘电阻 Rn串联构成回路，测得正桥臂采样电阻 Rp1上的电压 U1，由分压定理可以得到式 (2) ：

3、闭合开关S2，断开开关S1，此时，负桥臂上的电阻 R8、Rn1与负母线对地绝缘电阻 Rn并联再与正母线对地绝缘电阻 Rp串联构成回路，测量负桥臂采样电阻 Rn1上的电压 U2，同理，由分压定理可以得到式 (3) ：

取 R8＝R9＝R；Rp1＝Rn1＝Rs，有：

采用和上面类似的分析方法，可以知道该方案采样电压的偏差不会对Rx、Ry的计算结果造成大的影响（即使采样电压偏差按2%考虑，Rx、Ry的计算结果与实际值的偏差百分比也在5%以内），如下表所示：

3.2 电路验证

然而，该方案只有理论上的可行性，实际并不能直接用。测试的第一组数据就碰壁了……

测试情况为模拟单端绝缘故障，选取Rx为100k，Ry为无穷大。测试结果与实际值偏差50%左右。

3.3 为什么实际测试结果与理论分析值会有这么大的偏差呢？

经深入分析，从下面图中的表格数据（见红色标注）或电路分析都可以发现，当一端绝缘性能良好时，采样电压U1的实际电压值仅为0.007997V，此时不能仅按照百分比的方式引入误差。

3.4 更新误差分析

更新的误差分析表格在分子（Up+Un-U1-U2）中新引入了10mV的偏差，如下图所示，该误差分析也解释了为什么测试结果与实际值会有50%左右的偏差。

3.5 最终方案

上面已经找出了问题出现的原因，原因找到了，解决方案自然不难找，最终方案如下图所示。

出现问题的原因在于单端故障（例如60k）、另一端绝缘性能良好（∞）时，故障侧开关闭合时，由分压关系60k：∞=0，采样电压值接近于0，误差分析不能按照百分比的方式引入。

解决方案：抬高AD采样电压。

在DC+、DC-与PE间各接入一个600k电阻。这样，对于常见的单端绝缘故障，假定故障等效电阻（Rx或Ry）为60k，60k：600k=1：10，总电压3.3V考虑，那么单端绝缘故障侧的AD采样电压约为300mV，此时引入的10mV电压偏差不会对最终结果造成大的影响。

其他说明：

1、新增了一个继电器，可以断开PE与GND之间的连接，这样不做绝缘检测时（或外部设备做绝缘检测时），检测电路本身参数不会对整机绝缘性能造成影响（此时两个600k电阻可当做负载）；

2、相应的电路参数取得越小，越利于Rx、Ry较小时的检测精度；根据实际使用场景确定参数即可

3、误差的引入可能导致Rx或Ry的计算值为负，出现负值可直接取正，不会影响结论。

4、绝缘性能极好的情况，记得处理一下软件中的数据溢出。

绝缘检测电路方案：发现问题→分析问题→解决问题全过程相关推荐

Experience 发现问题分析问题解决问题
[b]发现问题分析问题解决问题[/b] 按照这三个步骤,形成自己的风格,不要发现问题就不知所错了,必须细心的去分析. 积累每一次解决问题的方法, 成就自己动手的能力和解决问题的能力! ~~~~~~ ...
非平衡电桥电阻计算_绝缘检测电桥法中的几个重要概念
五一假期过得蛮快的哦,我也办完了大事,过程是几经波折,接下来继续投入紧张的工作中了. 最近查找了国内许多绝缘检测的相关专利,前文整理分享过给大家:总体来讲,国内针对绝缘检测的主流方案还是电桥法,在很多 ...
新能源充电枪充电桩源代码+PCB+BOM+高压绝缘检测+原理图
直流充电桩程序已经量产的资料包含PCB 原理图 BOM 源程序,此为直流双充类型最高支持180KW 链接:https://pan.baidu.com/s/17sB92LxEoiZObhy05f ...
电路方案分析（七）电源入口欠压保护（阈值设定电路）
1.需求需要做一个电源入口电路,电压大于6V时候进入电路板,电源电压小于6V的时候电源不进入电路板,电路板不会工作. 2.方案分析这就类似于一个欠压锁定电路,但是放在电源入口,可以用分立元器件搭建 ...
三相电检测电路c语言,三相缺相检测电路的原理分析
对于使用三相交流电的用电设备,一个最基本的可靠性保护功能就是三相输入缺相检测功能,当三相输入中任何一相电压缺相时,该电路模块输出缺相告警信号.通过对告警信号的处理,保证了对用电设备的安全保护. 一.工 ...
电路方案分析（十）2 端口 USB 3.0 集线器参考方案设计
2 端口 USB 3.0 集线器参考方案设计 tips:TI设计方案参考分析:TI Designs:TIDA-00287 1.电路描述 2.理论分析 3.器件选择 4.PCB设计 5.方案验证和性能测 ...
电路方案分析（二）BLDC驱动和控制电路原理图分析
1.前言上周家里老人去世了,回了一趟老家,挺忙的,没有更新了. 这次看到一个BLDC的原理图设计,跟大家交流一下: 代码需要的可以留言. 什么事BLDC呢: BLDC,无刷直流电机(Brushles ...
水位检测电路的设计（模电课设）
目录一.设计要求与内容二．设计及原理 1. 直流稳压电源 2. 水位检测电路三.电路仿真四.实物测试结果 1.直流稳压电源实物分析 2.水位检测电路 ...
11个经典物联网应用电路方案优选合辑
物联网在实际应用上的开展需要各行各业的参与,并且需要国家政府的主导以及相关法规政策上的扶助,物联网的开展具有规模性.广泛参与性.管理性.技术性.物的属性等等特征,其中,技术上的问题是物联网最为关键的问 ...

绝缘检测电路方案：发现问题→分析问题→解决问题全过程

绝缘检测电路方案：发现问题→分析问题→解决问题全过程相关推荐

最新文章

热门文章