设计说明

此电路利用 ISO224 隔离式放大器、TLV9002 运算放大器和 ADS7142 SAR ADC 执行 ±12V 隔离式电压检测测量。ISO224 可以测量具有 ⅓V/V 固定增益的 ±12V 单端信号，并且产生输出共模电压为 VDD2/2 的 ±4V 隔离式差分输出电压。TLV9002 的通道 1 用于调节 ISO224 的输出以适应 ADS7142 的输入范围，而通道 2 用于监控 ISO224 失效防护输出。ADS7142 是一款具有满量程输入和 AVDD 基准电压（范围为 1.65V 至 3.6V）的双通道 ADC。本指导手册的电路将在伪差分配置中使用 ADS7142 双通道输入，从而可以通过 ISO224 测量正负信号。该电路适用于许多高电压工业应用，如列车控制和管理系统、模拟输入模块 和逆变器与电机控制。此设计中的元件选型公式和说明可根据系统规格和要求进行定制。

规格

设计说明

1. 选择 ISO224 是因为其具有宽输入范围、灵活的功率配置以及高精度特点。
2. 选择 ADS7142 是因为其具有极低功耗、高集成度、灵活的功率配置以及小尺寸特点。
3. 选择 TLV9002 运算放大器是因为其具有优化成本、多种配置选项以及小尺寸特点。
4. 为 AVDD、V_CM 以及 AINN 伪差分输入（用于设置 ADC 的共模电压）选择低阻抗、低噪声源。
5. 查找 ADC 满标量程范围和共模规格。“元件选型”部分中介绍了该内容。
6. 选择适合 C_FILT 的 COG 电容器尽量减少失真。
7. 为实现卓越性能，请考虑使用 0.1% 20ppm/°C 的薄膜电阻器或性能更佳的电阻器作为 R_FILT1,2 来尽量减少失真。
8. 了解和校准 ADC 系统的失调电压和增益 介绍了误差分析的方法。请查看该链接，了解更大限度减少增益误差、失调电压误差、漂移误差和噪声误差的方法。
9. TI 高精度实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 R_FILT 和 C_FILT 的方法。此类元件值取决于放大器带宽、数据转换器采样速率以及数据转换器设计。此处所示的规格值可为该示例中的放大器和数据转换器提供良好的趋稳和交流性能。如果改动了设计，必须选择其他的 RC 滤波器。请参阅 SAR ADC 前端元件选型简介，了解如何选择 RC 滤波器以实现卓越的趋稳和交流性能。

元件选型

1. 根据输入电压范围选择隔离放大器并确定输出共模电压和输出电压范围：

   ISO224 电源可以是 4.5V 至 18V（对于高侧电源）和 4.5V 至 5.5V（对于低侧电源）。ISO224 具有 ±12V 单端输入范围（固定增益为 ⅓V/V），产生 ±4V 差分输出，输出共模电压为 VDD2/2（此示例为 2.5V）：

   $\frac{{\pm 12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{l}\mathrm{e}-\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{3}=\pm {4\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T},\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}\mathrm{ }\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{ }2.5\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{D}2}}{2}\right)\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{m}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}-\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}$
2. 选择尺寸小且功耗低的 ADC：

   ADS7142 是一款可在伪差分配置中使用的小尺寸、低功耗、双通道 ADC。最大输入范围取决于基准电压并等于 AVDD，此示例为 3.3V：

   ${\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{C}}_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{l}-\mathrm{S}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{e}}=\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}=\mathrm{A}\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}=3.3\mathrm{V}$

   查找伪差分测量所需的 ADC 共模电压：

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}}{2}=1.65\mathrm{V}$
3. 选择一个运算放大器将 ISO224 的 ±4V 差分、2.5V 共模输出转换为 ADS7142 的 3.3V 伪差分、1.65V 共模输入。此外，优先选择具有第二通道（该通道可用于监控 ISO224 的失效防护输出特性）的运算放大器：

   TLV9002 是一款双通道、轨到轨输入和输出放大器，针对成本敏感和小尺寸应用进行了优化。

   通道 1 用于将 ISO224 的 ±4V 差分、2.5V 共模输出转换为共模电压为 1.65V 的 3.3V 峰值伪差分输出。当 R1 = R4 且 R2 = R3 时，传递函数由以下公式设置：

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{P}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{N}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}$

   信号必须从 ±4V 转换为 3.3V，这意味着信号必须降低 3.3V/±4V = 3.3V/8V 倍。用先前计算出的 1.65V 值代替 V_CM 并将 R2 和 R3 设置为 10kΩ，得到以下公式：

   $3.3\mathrm{V}=4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }0\mathrm{V}=-4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}$

   求解出 R1 和 R4 的值为 4.125kΩ。

   如需了解有关此主题的更多信息，请参阅将差分输出（隔离式）放大器连接到单端输入 ADC 技术手册。

   TLV9002 的通道 2 用于监控 ISO224 的失效防护输出特性。只要高侧电源 VDD1 丢失，无论 V_IN 引脚上的输入信号如何，ISO224 失效防护输出特性都将激活。TLV9002 通道 2 输出 VCOMP 被馈送到系统控制器上的 GPIO 端口，并在失效防护输出特性激活时变为高电平。如需了解更多详细信息，请参阅失效防护输出特性 应用手册。

4. 选择 R_1FILT、R_2FILT 和 C_FILT 以实现输入信号的趋稳以及 140kSPS 的采样率：

   优化 R_FILT 和 C_FILT 值（TI 高精度实验室视频）介绍了选择 R_FILT 和 C_FILT 的方法。经证实，1.1kΩ 和 330pF 的最终值可确保在采集窗口时间内趋稳至远低于最低有效位 (LSB) ½ 的位置。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了采集时间为 5.3μs 的瞬态趋稳结果。88μV 的噪声完全处于 0.5 × LSB 限制 403μV 的范围内。请参阅优化 Rfilt 和 Cfilt 值，了解有关此主题的详细理论。

主要文件链接

适用于隔离式设计的 TINA 文件：SBAC226。

设计中采用的器件