ZHCUDL3 December   2025

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 术语
    2. 1.2 主要系统规格
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
      1. 2.2.1 传感器选择
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1 TLV387
      2. 2.3.2 TLV9054
      3. 2.3.3 MSPM0G5187-LP
      4. 2.3.4 LOG300
      5. 2.3.5 UCC28881
      6. 2.3.6 TPS709
  9. 3系统设计原理
    1. 3.1 电流传感器
    2. 3.2 混合积分器
    3. 3.3 带通滤波器
      1. 3.3.1 对数放大器
      2. 3.3.2 电流低通滤波器
      3. 3.3.3 非隔离式电压检测
      4. 3.3.4 自动标记电路
        1. 3.3.4.1 线路电压检测
        2. 3.3.4.2 电弧间隙电压检测
        3. 3.3.4.3 差分至单端转换
      5. 3.3.5 电源
  10. 4硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 硬件要求
    2. 4.2 软件
    3. 4.3 测试设置
      1. 4.3.1 电弧测试装置
    4. 4.4 测试结果
  11. 5设计和文档支持
    1. 5.1 设计文件
      1. 5.1.1 原理图
      2. 5.1.2 BOM
    2. 5.2 工具与软件
    3. 5.3 文档支持
    4. 5.4 支持资源
    5. 5.5 商标
  12. 6作者简介

混合积分器

TIDA-010971 混合积分器原理图图 3-4 混合积分器原理图

积分器可在 PCB 罗氏线圈的全带宽范围内提供平坦的线性响应,并对低频信号进行放大。积分器在直流下的增益为无穷大。这会导致误差随时间累积,因此需要对积分器进行复位。本设计通过在放大器上使用反馈电阻器 R6,规避了这一问题。随后由 R6 与 R3 设定直流增益。

放大器噪声是积分器放大器选型的考量因素。依据 TIDA-01063 中的公式计算,60Hz 下罗氏线圈的灵敏度为 4µV/A。约 8nV 的噪声可实现约 2% 的精度。罗氏线圈兼具高通滤波器的功能。频率越高,信号幅值越大。60kHz 下 1mA 的信号搭配 4nV 噪声,可实现 2% 的精度。同理,60MHz 下 1µA 的信号也可实现 2% 的精度。TLV387 可满足这一低噪声要求。

积分器的截止频率选定为 1kHz(高于 60hz),以衰减负载信号,并为带通滤波器提供更陡峭的截止特性。

1kHz 下,开环增益可达 75dB。直流增益由 R6 与 R3 设定为 68.6dB(即 2543v/v)。这是该放大器在保留一定余量下可支持的最大增益。该电路的仿真相位裕度为 45.61°。当积分器增益为 2543v/v、灵敏度为 4µV/A 时,在 60Hz 频率条件下,其输出电压电流比与 60Hz 下的 10mV/A 相等。

有源低通滤波器存在带宽限制。但无源 RC 滤波器可拓展带宽。无源滤波器的截止频率需与设计的有源低通滤波器的交叉频率一致(2)。在 68.6dB 增益下,交叉频率为 2MHz。选定 R3 与 C5 的截止频率为 2MHz,以拓展积分器带宽。

TIDA-010971 无低通滤波器的积分器图 3-5 无低通滤波器的积分器
TIDA-010971 添加低通滤波器后的混合积分器最终幅频与相频特性图 3-6 添加低通滤波器后的混合积分器最终幅频与相频特性

在该增益下,输入失调电压也会被放大。在 0V 至 3.3V 的量程下,无信号余量时的最大失调电压为 1.29mV。TLV387 的最大输入失调电压为 10µV。这会产生 ±25mV 的直流失调,可通过带通级中的高通滤波器抵消。考虑到失调电压,放大器在全温范围内的调整后量程为 3.3V – 0.25V = 3.05V。该混合积分器在无削波情况下可检测的最大电流计算为:

方程式 2. ( a d j u s t e d r a n g e ) / ( g a i n × s e n s i t i v i t y ) = 3.25 V / ( 2543 × 4 μ V / A ) = 320 A

本设计选择 TLV387,是因其具备低噪声与低输入失调的特性。这些特性可实现对 PCB 罗氏线圈小信号的大幅放大。单个放大器使混合积分器拓扑可适用于高带宽应用场景。无源 RC 低通滤波器可拓展放大器带宽。对于无需高带宽的设计,采用两级“积分器 + 放大器”拓扑,搭配 OPAx323 或 TLV905x 即可满足需求。这种方案可避免输入失调电压导致的削波,但积分器带宽会受第二级放大器的限制。

表 3-1 放大器比较
放大器 TLVx387 OPAx323 TLV905x
通道数量 1、2、4 1、2、4 1、2、4
噪声 9nV/√Hz 5.5nV/√Hz 20nV/√Hz
带宽 5.7MHz 20MHz 5.5MHz
静态电流 570μA 1.6mA 330μA

最大输入失调电压

(-40°C 至 120°C)
10μV 1.35mV 2mV
典型输入失调电压 1μV 150μV 330μV