设计说明

此电路利用 ISO224 隔离式放大器和 ADS745 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 真差分信号，并且产生输出共模电压为 VDD2/2 的隔离式差分输出电压。ADS7945 是一款全差分输入 ADC，其满标度输入电压为 ±V_REF，共模输入电压为 V_REF/2 ±200mV。选择 +5V 基准电压，可使 ADS7945 接受来自 ISO224 的满标度输出和共模输出。与单端转换相比，使用全差分输入 ADC 采集 ISO224 输出可将系统动态范围翻倍。许多高电压工业应用，如 保护继电器、通道间隔离式 ±10V 模拟输入卡 以及逆变器和电机控制。此设计中的组件选择公式和说明可根据系统规格和需求进行定制。

规格

设计说明

1. 由于 ADS7945 具有低功耗特性和兼容 ISO224 的模拟输入结构，因此选择该器件。
2. 验证系统线性运行是否具有所需的输入信号范围。此验证通过使用直流传输特性选择中的仿真来执行。
3. 选择适合 C_FILT 的 COG 电容器以更大限度减少失真。
4. 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。
5. 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。此类组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本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 前端元件选择简介，了解如何选择 RC 滤波器以实现最佳的趋稳和交流性能。

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：

   • ±12V 单端输入范围
   • ⅓ 的固定增益，可实现 ±4V 的差分输出
   • +2.5V 的输出共模电压
   • 4.5V 至 18V 高侧电源，4.5V 至 5.5V 低侧电源
   • 输入失调电压：25°C 时为 ±5mV，±42µV/°C（最大值）
   • 增益误差：25°C 时为 ±0.3%，±50ppm/°C（最大值）
   • 非线性度：±0.01%（最大值），±1ppm/°C
   • 1.25MΩ 的高输入阻抗

2. 选择具有合适的共模和差分输入范围的 ADC，以匹配 ISO224 的 +2.5V 共模输出和 ±4V 差分输出：

   ADS7945：

   • ±5V（最大值）模拟输入范围
   • 由正负电压基准设置的满标度输入范围
   • 输入共模范围为 V_REF/2 ±0.2V
   • 2.7V 至 5.25V 电源电压
   • 2Msps 时具有 84 的高 SNR、11.6mW 的低功耗

3. 选择支持共模约束的电压基准，该共模约束由 ISO224 的 2.5V 共模输出电压和 ADS7945 的 V_REF/2 ±0.2V 共模输入电压设置。这意味着基准输出电压必须为 5V、低噪声，并且最好具有可配置输入电压：

   REF5050：

   • 5-V 输出
   • 5.2V 至 18V 输入电源电压
   • 3μVPP/V 噪声

4. 选择 R_1FILT、R_2FILT 和 C_FILT 以实现输入信号的趋稳以及 100ksps 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，120Ω 和 510pF 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。

直流传输特性

下图所示为 ±15V 输入的仿真输出。所需线性范围：输入为 ±12V 时，输出为 ±4V。此仿真显示线性输出范围大约为 ±4.6V，远远超出要求。

传递函数显示 ISO224 增益为 ⅓（即增益 · V_IN = V_OUT，(⅓)·(12V) = 4V）。

交流传输特性

仿真带宽大约为 186kHz，增益为 –9.57dB（或 0.332V/V），这与 ISO224（指定 fc = 175kHz，增益 = 0.333V/V）的预期增益和带宽非常接近。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了采集时间为 9.6μs 的瞬态趋稳结果。11μV 趋稳误差完全处于 305μV 的 0.5 × LSB 限制范围内。请参阅优化 Rfilt 和 Cfilt 值，了解有关此主题的详细理论。

噪声仿真

以下噪声计算仅考虑 ISO224 的噪声。ISO224 噪声远高于电路中其他噪声源的噪声，因此总噪声可以按 ISO224 噪声进行估算。对于 B 级也可使用同样的方法。

仿真噪声高于预期的计算噪声。此差异是由仿真模型中的噪声峰值造成。计算中未包括噪声峰值。请参阅计算 ADC 系统的总噪声 了解有关此主题的详细理论。

设计中采用的器件

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。

主要文件链接

请参阅 TINA 文件，获取隔离式设计的信息。