直流电压检测线路设计

技术要求：

输入电压：200V~900Vdc
精度：3%
响应速度：100us(确保过压时及时响应)
过压保护准位：400V为低压保护准位，电压到420V时自动复位，滞回范围20V，防止电压波动触发不断报警；800V为过压保护准位，780V时需要复位命令复位，滞回范围20V；
温度：-20~80℃
隔离要求：非隔离
设计认证标准：无

1. 线路设计

线路采用电阻采样，然后经过RC滤波给MCU进行软件处理，MCU为16位，直流电压无正负，因此AD采样为16位（若为交流采样，则第一位为正负，AD采样为15位）

2. 元器件计算及选型

1） 考虑因素

需要考虑电阻数量，1206电阻耐压范围是160V，此处选择150V，因此电阻数量需要6颗；
封装的耐压值是：0805=150V，1206至2512=200V。　在实践应用中的标准是，电阻上的电压应该比额度耐压值小20%以上，不然时间一长就容易出问题了。

2） 电阻阻值选择

阻值受到功耗影响，1206电阻为0.25W
R=U^2/P/6=900900/0.25/6=540Kohm
1206电阻对应阻值549K和560K
先按照560K选择
功率计算：P=(900V/5)^2/560K=0.057W=23.1%P额
R/(560K5)900<3.3V R<10.26K 选择10K电阻
滤波线路RC选择
F=1/(2PiRC)>1/100us=10K
RC<1/(2Pi10K)=7.3710^-4
R选取1Kohm，C<7.37*10^-8F=737nf
C选取0.68uf（680nF）
Vdcbus=R7/(R1~R5+R7)*900=3.2V 符合要求
贴片电阻精度B =± 0.1%，F= ± 1%，一般电压侦测线路选择F精度
电阻温漂对此线路影响较小，先不进行分析！

3） 仿真验证

1） vin: RMS(v(vin))=900 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=3.20285 FROM 0 TO 0.1
2）vin: RMS(v(vin))=200 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=0.711744 FROM 0 TO 0.1
3）vin: RMS(v(vin))=600 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=2.13523 FROM 0 TO 0.1
以上仿真证明线路功能满足要求

4） Bom建立

BOM建立时需要考虑厂商品质，优选大牌厂商，然后考虑价格和供货可靠性
电阻厂家有yageo国巨电子；Vishay威世，Murata 村田，Rohm 罗姆，TA-I大毅，Royalohm 厚生
在选择材料时需要考虑封装，降额曲线，ROSH和Reach，矿物质竞争法等法规要求；电阻需要考虑是否使用抗硫化电阻，surge电阻

5） BOM元件仿真验证

3中仿真是针对计算值进行仿真，实际选择元器件时可能没有对应的值，因此需要采用BOM表元件值再次仿真验证

1） vin: RMS(v(vin))=900 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=3.20285 FROM 0 TO 0.1
2）vin: RMS(v(vin))=200 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=0.711744 FROM 0 TO 0.1
3）vin: RMS(v(vin))=600 FROM 0 TO 0.1
v(out): RMS(v(out))=2.13523 FROM 0 TO 0.1
以上仿真证明线路功能满足要求
MCU采用16位AD采样，因为母线电压只有正值，因此可以有16位计数，根据选型要求计算软件采样值，判断精度是否满足要求

3. 已有线路设计及选型

参考已有线路进行确认和验证，此步也可以放在第一步，因为如果有成熟线路可以使用，优先考虑成熟线路，也就是可以直接copy，这样可以降低新线路风险，也节省设计时间和难度

4. 可靠性设计

1) DFMEA

有专门分析表格和软件，此处线路简单，仅仅分析电阻开路或者短路，均会导致电压侦测线路异常，无法运行，不会产生炸机风险和人身伤害风险。

2) FTA失效分析

针对电压侦测线路异常进行分析，列出失效可能性
1） 当输入电压超过3.3V对应值时，可能损坏MCU
3.3V对应输入电压为928Vdc，是存在一定风险，对应措施减小采样电阻值，使采样范围扩大或者加一个钳位电阻，钳位电压设定3.5V左右
2） 线路受干扰导致误报过压故障或者低压故障
优化走线，目前滤波已经考虑干扰
3） 线路响应速度太慢，导致过压
滤波深度满足100us响应速度

3) MTBF

只懂原理，不会具体计算

4) 蒙特卡洛分析

蒙特卡洛分析可以分析元件误差导致的输出值偏差，可以评判元件差异导致的输出偏差是否在设计规格内；另外我认为这也可以作为产线ICT,FCT测规设定值的一个依据。因为在未大批量生产是，测规设定值一般是根据元件极值计算的，此范围偏大，导致设定的值偏大，可能导致部分异常元件被判定pass。
下图是用LTSpice进行蒙特卡洛分析，电压误差1%

仿真完成后可以在view—spice Error log中查看仿真结果，可以直接复制到Excel中，会自动分栏，可以进行整理编辑。


因此通过蒙特卡洛分析，可以设定ICT测量值范围
1） 直流源输入200V电压，在out端量测范围可以设定0.65V~0.73V(考虑测量仪器误差和接触阻抗进行适当放大)
2） 直流源输入600V电压，在out端量测范围可以设定2.00V~2.25V
3） 直流源输入900V电压，在out端量测范围可以设定3.00V~3.3V(此时会发现采样电阻偏大，应该适当放小一些，快超过MCU 3.3V电压范围了)
可以考虑两个15K电阻并联获得7.5K电阻采样

5) 极值分析

极值分析是将元器件按照最大偏离值进行分析，但需要注意此结果会导致误差偏大，如果按照这个结果去确保设计规格，会导致元器件选择过于苛刻或者成本增加很多，而实际元器件全部按照一个方向偏离的几率几乎不存在。

对比蒙特卡洛分析，极值分析会导致最大、最小值更偏离极限

5. Layout设计

1） 安规设计
2） EMC设计
3） 产线生产、组装影响
4） 客退维修影响

6. 相关测试

1） 电压侦测精度测试
用一精密电压源作为输入电压，量测MCU值和软件读取的电压值，判断线路是否满足设计精度要求
2） 低压报警，过压报警测试
电压报警一般是软件报警，可以用电压源加电压去确认报警准位；也可以利用马达回馈电压检测过压动作
3） 温湿度测试
整机进行温湿度测试，验证产品可靠性

7. ICT,FCT测试项目

通过蒙特卡洛分析，可以设定ICT测量值范围
1） 直流源输入200V电压，在out端量测范围可以设定0.65V~0.73V(考虑测量仪器误差和接触阻抗进行适当放大)
2） 直流源输入600V电压，在out端量测范围可以设定2.00V~2.25V
3） 直流源输入900V电压，在out端量测范围可以设定3.00V~3.3V
FCT为整机测试，用软件读取MCU电压值，需要考虑电源精度误差，线路误差，MCU AD采样精度，MCU电压值
如下是采用极值分析从MCU读取的电压值范围

1） 直流源输入200V电压，从MCU读取电压范围可以设定194V~206V；
2） 直流源输入600V电压，从MCU读取电压范围可以设定582V~618V；
3） 直流源输入600V电压，从MCU读取电压范围可以设定873V~927V；
保护功能测试
产线生产时，也会验证板件或者整机保护功能。此测试主要验证保护功能，电压保护一般是软件保护，因此保护主要验证低压和过压保护功能。比如低压保护准位是400Vdc，输入电压380V时，读取故障信息为低压故障；输入450V时，故障复位；输入电压810V，触发过压故障，电压为760V时，复位命令后故障复位

8. 认证相关

无专门认证，在整机中进行电压相关保护测试，需要量测过压到保护时间，尤其是电机能量回馈时是否可以及时进行保护

9. 失效相关案例

1） 总结电池电压侦测电路设计要点 避坑指南
https://www.elecfans.com/d/1682233.html

10. 设计参考文档及地址

以上线路并非真实线路，元件取值可能会有错误，仅供参考，请谨慎使用。

此线路为非常简单的线路，在公司里面时可能会copy原来机种线路根据需要修改下电阻值就行了，当从无到有去设计线路时，才发现有许多地方都要考虑，平时太过于眼高手低了！

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