设计目标

设计说明

该电路利用 AMC1350 隔离放大器和分压器电路执行三相、线对中性、隔离式电压检测测量。分压器电路将电压从 ±480V 降至 ±5V，从而与 AMC1350 的输入范围相匹配。AMC1350 由高侧和低侧电源供电。通常，使用浮动电源生成高侧电源，或者使用隔离式变压器或隔离式直流/直流转换器生成低侧电源。AMC1350 可以 0.4V/V 的固定增益测量 ±5V 的差动信号。AMC1350 的差动输入阻抗为 1.25MΩ，支持高电压应用中的低增益误差和低漂移误差信号检测。

设计说明

1. AMC1350 非常适合电压检测应用，因为它具有高输入阻抗和低输入偏置电流，这两种情况都可以更大限度地减小直流误差。
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部分中的仿真来执行。
3. 确保电阻分压器电路中使用的电阻器能够将源极输入电压降至 ±5V 的 AMC1350 输入电压范围。
4. 确保电阻分压器电路中的电阻器具有足够的工作电流和电压额定值。
5. 验证 AMC1350 输入电流是否小于数据表的绝对最大额定值表中所述的 ±10mA。

设计步骤

1. 计算分压器电路的电压源与 AMC1350 输入的比率。
   $\frac{5{\mathrm{V}}_{\mathrm{AMC}1350,\mathrm{INPUT}}}{480\mathrm{V}}=0.010417$
2. AMC1350 的典型输入阻抗为 1.25MΩ。该阻抗与电阻器 R₅ 并联，在设计分压器电路时必须予以考虑。为 R₁、R₂、R₃ 和 R₄ 选择 1MΩ 电阻。使用前一步骤中的比率和下面的分压器公式，求解分压器的 R₅ 和 AMC1350 输入阻抗并联组合 ( || ) 所需的等效电阻。
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}=0.010417$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}{4\mathrm{M\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}=0.010417$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}=\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}$
3. 使用 1.25MΩ 替换 AMC1350 输入阻抗并使用以下公式，求解 R₅。使用模拟工程师计算器来确定 R₅ 的最接近标准值。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}=\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M\Omega }}$
   $\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=44.249\mathrm{k\Omega }; \mathrm{closest}\mathrm{ }\mathrm{standard}\mathrm{ }\mathrm{value}=44\mathrm{k\Omega }$
4. 验证等效电阻是否接近第 2 步中计算得出的电阻。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}=\frac{44\mathrm{k\Omega }\times 1.25\mathrm{M\Omega }}{44\mathrm{k\Omega }+1.25\mathrm{M\Omega }}=42.503\mathrm{k\Omega }$
5. 验证分压器电路是否处于合理的容差范围内。对于以下计算，假设 AMC1350 的输入电阻典型值为 1.25MΩ，这会导致 5.1% 的误差。但是，请考虑由于制造公容差的变化，输入电阻因器件而异。如果该误差范围是不可接受的，则必须执行校准，或者可以减小分压器电路的电阻。
   $\frac{42.503\mathrm{k\Omega }}{4.042503\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.01051$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.01051-0.010417\right|}{0.010417}\times 100=0.9\mathrm{\%}$
6. 计算从电压源流经分压器电路的电流，以确保功率耗散不超过电阻器的额定值。有关更多详细信息，请参阅高电压测量注意事项。
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+42\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=118.69\mathrm{\mu }\mathrm{A}$
7. 由于分压器的增益为 0.010417，AMC1350 的增益为 0.4V/V，因此可以使用传递函数公式 V_OUT = GAIN×V_IN 计算 480V 输入电压的输出电压。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{5}{480}\times 0.4\times 480=2\mathrm{V}$

直流传输特性

下图所示为 ±480V 输入下的 AMC1350 仿真输出。在 480V 输入电压下，根据步骤 7 的计算结果，输出电压约为 2.02V。

交流传输特性

仿真增益为 –47.52dB（或 0.0041V/V），这与分压器和 AMC1350 的预期增益非常接近。

瞬态

以下仿真显示了 AMC1350 的输入和输出信号。

参考资料

1. 德州仪器 (TI)，隔离信号链解决方案工程师指南电子书
2. 德州仪器 (TI)，使用 AMC3330 模拟工程师电路进行线间隔离电压测量的分接头连接
3. 德州仪器 (TI)，模拟电路设计和开发
4. 德州仪器 (TI)，TI 高精度实验室

设计中采用的 AMC0330D、AMC0330R、AMC0330S

设计备选器件 AMC131M03

AMC131M03 是一款精密、低功耗、隔离式三通道三角积分 (ΔΣ) 模数转换器 (ADC)，具有增强的隔离能力，与分压器配合使用时，还可用于执行三相、线对中性、隔离式电压检测测量。AMC131M03 的每个通道都需要通过电阻分压器连接到三相电压之一，从而降低到 ADC 的输入电压范围。该器件具有完全集成的隔离式直流/直流转换器，能实现器件低侧的 3.3V 或 5V 单电源运行。如果器件执行测量，ADC 会将三相测量值转换为数字数据。器件可通过串行外设接口 (SPI) 通信输出数字化数据，从而实现与微控制器的直接通信。动态范围、尺寸、功能集和功耗针对需要同步采样的成本敏感型应用进行了优化。