설계 설명

이 절연 단일 공급 양방향 전류 감지 회로는 –50A~50A의 부하 전류를 정확하게 측정할 수 있습니다. 입력의 선형 범위는 –2.05V~2.05V의 차동 출력 스윙과 1.44V의 출력 공통 모드 전압(V_CM)에서 –50mV~50mV입니다. 절연 증폭기 회로의 게인은 41V/V로 고정됩니다. TLV9002를 사용하는 2차 증폭기 단계는 차동 출력 전압을 단일 종단 출력 전압으로 55mV에서 4.945V로 변환합니다. 전체 신호 체인은 단일 5.0V 레일에서 작동합니다.

이 회로는 태양광 인버터, 모터 드라이브 및 보호 릴레이와 같은 여러 고전압 산업용 애플리케이션에 적용됩니다. 이 설계의 부품 선택에 대한 방정식 및 설명은 완제품의 요구 사항 및 시스템 사양을 기준으로 사용자 지정할 수 있습니다.

설계 노트

1. AMC3302는 장치의 정확도, 입력 전압 범위, 단일 저압측 전원 요구 사항으로 인해 선택되었습니다.
2. TLV9002는 저비용, 저오프셋, 작은 크기, 듀얼 채널로 인해 선택되었습니다.
3. TLV9002 및 AMC3302에 전원을 공급하고 단일 종단 출력에 공통 모드 전압을 제공하는 AVDD용 낮은 임피던스, 저잡음 소스를 선택하십시오.
4. 가장 높은 정확도를 위해 온도 계수가 낮은 정밀 션트 저항을 사용하십시오.
5. 예상되는 피크 입력 전류 수준에 대한 전류 션트를 선택하십시오.
6. 연속 작동의 경우, IEEE 표준에 따라 정상 조건에서 션트 저항을 정격 전류의 3분의 2 이상으로 작동하지 마십시오. 엄격한 전력 손실 요구 사항을 가진 애플리케이션의 경우 션트 저항을 더 줄이거나 정격 와트를 늘려야 할 수 있습니다.
7. 공통 모드 전압을 적절히 설정하려면 적절한 저항 분할기 값을 사용하십시오.
8. TLV9002의 채널 2에서 게인 설정 저항에 대한 적절한 값을 선택하여 단일 종단 출력이 적절한 출력 스윙을 갖도록 하십시오.

설계 단계

1. 절연 증폭기의 입력 전류 범위와 고정 게인을 고려하여 전송 방정식을 결정합니다.
   $V_{OUT}=I_{in}\times R_{shunt}\times 41$
2. 최대 션트 저항 값을 결정합니다.
   $R_{shunt}=\frac{V_{inMax}}{I_{inMax}}=\frac{50 mV}{50 A}=1 m\mathrm{\Omega }$
3. 최소 션트 레지스터 전력 손실을 결정합니다.
   ${Power R}_{shunt}={I_{inMax}}^2\times R_{shunt}=2500 A\times 0.001 \mathrm{\Omega }=2.5\mathrm{ }\mathrm{W}$
4. 5V ADC와 인터페이스하기 위해 AMC3302 및 TLV9002는 모두 5V에서 작동할 수 있으므로 단일 공급 장치를 사용할 수 있습니다.
5. TLV9002의 채널 1은 채널 2의 단일 종단 출력의 2.5V 공통 모드 전압을 설정하는 데 사용됩니다. 5V 공급에서 간단한 저항 분할기를 사용하여 5V를 2.5V로 나눌 수 있습니다. R₄에 1kΩ을 사용하면 다음 방정식을 사용하여 R₃를 계산할 수 있습니다.
   $R_3=\frac{V_{DD}\times R_4}{V_{CM}}-R_4=\frac{5 V\times 1000 \mathrm{\Omega }}{2.5 V}-1000 \mathrm{\Omega }=1000 \mathrm{\Omega }$
6. TLV9002는 레일 투 레일 연산 증폭기입니다. 그러나 TLV9002의 출력은 공급 레일에서 최대 55mV를 스윙할 수 있습니다. 따라서 단일 종단 출력은 55mV에서 4.945V(4.89Vpk-pk)로 스윙해야 합니다.
7. AMC3302의 V_outp 및 V_OUTN 출력은 2.05Vpk-pk, 180도 페이즈, 공통 모드 전압 1.44V입니다. 따라서 차동 출력은 ±2.05V 또는 4.1Vpk-pk입니다. TLV9002의 출력 제한을 유지하려면 AMC3302의 출력을 4.89/4.1배 증폭해야 합니다. R₆ = R₇ 및 R₅ = R₈일 때 다음과 같은 전송 기능을 사용하여 R₅ 및 R₈을 계산할 수 있습니다.
   $V_{OUT}=\left(V_{OUTP}-V_{OUTN}\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{R_{\mathrm{6,7}}}\right)+V_{CM}$
8. 이전에 계산된 TLV9002의 출력 스윙을 사용하고 R₆ 및 R₇을 10kΩ으로 선택하면, R₅ 및 R₈은 다음 방정식을 사용하여 11.93kΩ으로 계산할 수 있습니다. 표준 저항 값을 고려하려면 대신 11.8kΩ 저항을 사용합니다.
   $4.945=\left(2.465 V-415 mV\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{10 k\Omega }\right)+2.5$

DC 전송 특성

다음 플롯은 TLV9002 증폭기와 AMC3302 차동 출력의 단일 종단 출력으로 시뮬레이션된 DC 특성을 보여줍니다. 두 플롯 모두 출력이 ±50A에서 선형임을 볼 수 있습니다.

폐쇄형 루프 AC 시뮬레이션 결과

다음 AC 스윕은 단일 종단 출력의 AC 전송 특성을 보여줍니다. AMC3302의 게인은 41V/V이고 차동-단일 종단 변환에 1.2V/V 게인이 적용되며 다음 이미지에 표시된 33.83dB의 게인이 예상됩니다.

과도 시뮬레이션 결과

다음 과도 시뮬레이션은 –50A~50A에서 AMC3302 및 TLV9002 모두의 출력 신호를 보여줍니다. AMC3302의 차동 출력은 예상대로 ±2.05Vpk-pk이며 단일 종단 출력은 4.89Vpk-pk이고, 55mV~4.945V로 스윙합니다.

설계 레퍼런스

TI의 포괄적인 회로 라이브러리에 대한 아날로그 엔지니어의 회로 안내서를 참조하십시오.

텍사스 인스트루먼트, 차동 출력(절연) 증폭기를 단일 종단 입력 ADC에 적용하는 애플리케이션 요약.

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