引言
在应对与设计精确隔离式电流和电压测量电路相关的挑战时有，设计人员多种选择。具体方法包括使用从分立式实现到隔离式放大器和调制器再到磁感应技术。所选技术因设计人员在电流检测或电压检测应用中所面对的系统、法规和灵活性而异 – 不同类型的技术可供设计人员专门应对其独特的设计难题。
本电子书通过帮助您快速有效地缩小与特定系统要求最相符的潜在器件列表，进一步简化电流和电压检测设计过程。
本电子书中包含的电流和电压检测信息介绍了特定的电流检测和电压检测用例和应用，重点在于确定最优化的器件，以便更好地应对特定应用中面临的挑战，并提供可能有益于其他电路优化的替代解决方案。
尽管本电子书并非详尽无遗地囊括电流和电压检测难题，但它确实解决了如今的许多更常见、更具挑战性的功能电路问题。如果您对此处涉及的主题有任何疑问，或者有任何关于其他电流和电压检测的问题，请将其提交到 TI E2E™ 设计支持论坛放大器论坛。
隔离式信号链简介
比较隔离式放大器和隔离式调制器
摘要
工业应用（如电机驱动器、光伏逆变器和不间断电源 (UPS)）和汽车应用（如车载充电器 (OBC)、牵引逆变器和直流/直流转换器）在高电压和电流下工作，旨在优化整体效率和功率吞吐量。这些系统会受到恶劣环境的影响，例如电噪声、振动、机械冲击、极端温度、污染物侵入等。因此，这类系统需要实现稳健可靠的电隔离，以将高压电路与低压电路隔离开来。通过隔离式放大器或隔离式调制器，在这些高压下测量的反馈信号可与低压控制器实现电隔离。
本文档比较了基于隔离式放大器和基于隔离式调制器的设计，并介绍了基于隔离式调制器的设计的一些独特优势。
隔离式放大器简介
图 1 展示了基于隔离式放大器的测量设计实现。
图 1 隔离式放大器实现隔离式放大器的输入级包含一个能够驱动 Δ-Σ 调制器的输入放大器。输入放大器的增益是固定的，并由内部精密电阻器设置。Δ-Σ 调制器使用内部基准电压和时钟发生器将模拟输入信号转换为数字比特流。驱动器跨隔离栅（将高压与低压域隔开）传输调制器的输出。接收的比特流和时钟由低压侧的模拟低通滤波器进行同步和处理，并呈现为模拟输出信号。
隔离式放大器的差分输出通常通过基于运算放大器的电路转换为单端模拟输出。该电路还可以使用低通滤波器，将信号带宽进一步降低至目标带宽，从而提高系统噪声性能。
模数转换器 (ADC) 位于微控制器 (MCU) 或数字信号处理器 (DSP) 的外部或内部，接收该反馈模拟输出并将其转换回数字域。
隔离式调制器简介
图 2 展示了基于隔离式调制器的测量设计实现。
图 2 隔离式调制器的实现隔离式调制器的输入级与隔离式放大器的输入级类似。驱动器跨隔离栅传输调制器输出。隔离式数据输出 DOUT 以更高频率（高达 20MHz）提供由 1 和 0 组成的数字比特流。此比特流输出的平均时间与模拟输入电压成正比。测量的信号通过微控制器系列（例如 TMS320F2807x 和 TMS320F2837x）、DSP 或者现场可编程门阵列 (FPGA) 内部的数字滤波器进行重建。
隔离式放大器和隔离式调制器的性能比较
表 10 显示了隔离式放大器和隔离式调制器的基本性能差异。
| 类别 | 隔离式放大器 | 隔离式调制器 |
|---|---|---|
| 采样分辨率 | 11 位（带宽 = 100kHz） | 可达到 > 14 位， 在分辨率与带宽或延迟之间进行权衡 |
| 延迟 | 2µs 至 3µs（固定） | 可达到 < 1µs， 在分辨率与带宽或延迟之间进行权衡 |
| 带宽 | 工作频率高达 300kHz 的应用 | 可达到 > 1MHz， 在分辨率与带宽或延迟之间进行权衡 |
| 精度和漂移性能 | 高 | 非常高 |
| 所需元件数 | 较多 | 较少 |
在基于隔离式放大器的设计 中，测得的模拟信号经过多次模数和数模转换。隔离式放大器内的各级、差分转单端级以及 ADC（位于 MCU 或 DSP 外部或内部）会降低整体精度和噪声性能，并增加延迟。隔离式放大器输出级中的固定低通滤波器实现会限制信号带宽。用于差分至单端转换的外部基于运算放大器的电路可用于创建有源低通滤波器，进一步限制信号带宽，从而提高噪声性能。隔离式放大器具有固定的延迟。基于隔离式放大器的设计被用户熟知并且相对易于实现，因此得到广泛使用。
如图 2 所示，在基于隔离式调制器的设计 中，测得的模拟信号仅进行一次模数转换。此设计无需差分转单端级，因此减少了元件数量，缩小了设计尺寸。此外，也无需基于隔离式放大器的设计中使用的 ADC。该 ADC 在许多情况下会限制可实现的最大采样分辨率和精度。与基于隔离式放大器的设计相比，基于隔离式调制器的方法提高了信号噪声性能和总体精度，并可以实现更高的信号带宽和更低的延迟。隔离式调制器提供更快的数字比特流输出，通常高达 20MHz。微控制器系列（如 TMS320F2807x 和 TMS320F2837x）内的 Σ-Δ 滤波器模块 (SDFM) 提供了一种调优噪声性能和信号带宽或延迟的简便方法。如表 2 所示，使用较高的过采样率 (OSR) 可得到更高的精度和更高的采样分辨率，但会降低信号带宽并增加延迟。同样，降低 OSR 会降低精度和采样分辨率，但会增加带宽并降低延迟。类似的 DSP 或 FPGA 也可以实现此类数字滤波器。
| OSR | ENOB（位） | 稳定时间 (µs) | 延迟 (µs) | 带宽 (kHz) |
|---|---|---|---|---|
| 8 | 4.65 | 1.2 | 0.6 | 1250 |
| 16 | 7.57 | 2.4 | 1.2 | 625 |
| 32 | 10.02 | 4.8 | 2.4 | 312.5 |
| 64 | 12.3 | 9.6 | 4.8 | 156.25 |
| 128 | 13.51 | 19.2 | 9.6 | 78.13 |
| 256 | 14.11 | 38.4 | 19.2 | 39.06 |
| 512 | 14.39 | 76.8 | 38.4 | 19.53 |
此外，如图 3 所示，可以并行实现多个数字滤波器，以便同时实现更高的采样分辨率、更低的延迟和更高的带宽。其中一个数字滤波器可以是高 OSR 数字滤波器，用于获得更好的噪声性能；另一个数字滤波器可以是低延迟数字滤波器。
图 3 两个数字滤波器并行实现鉴于基于隔离式调制器的设计提供的系统优势，高性能系统趋向于转向采用基于隔离式调制器的设计。
牵引逆变器中的隔离式调制器
图 2 展示了基于隔离式调制器的设计在汽车牵引逆变器中的实现。
图 4 使用隔离式调制器测量电流牵引逆变器直接影响驾驶体验，需要精确控制牵引电机的速度和扭矩。分流电阻器搭配隔离式 Δ-Σ 调制器，可为控制器提供超高质量的反馈信号，从而为桥式晶体管确立脉宽调制 (PWM) 模式。借助数字滤波器，工程师可以优化对牵引电机控制的质量。
如图 3 所示，FPGA、MCU 和 DSP 可以并行运行多个数字滤波器。其中一个数字滤波器可以是高性能数字滤波器，提供精确的反馈信号来控制桥式晶体管。另一个数字滤波器可以是用于检测过载或过流情况的低延迟数字滤波器。两个数字滤波器均可使用具有不同 OSR 的三阶 (sinc3) 滤波器。
隔离式放大器和调制器建议
表 3 列出了建议使用的隔离式放大器和调制器器件。
| 器件 | 隔离 | 说明 |
|---|---|---|
| AMC1306 | 增强型 | ±50mV、±250mV 小型隔离式调制器 |
| AMC1305、 AMC1305-Q1 | 增强型 | ±50mV、±250mV 隔离式调制器 |
| AMC1301、 AMC1301-Q1 | 增强型 | ±250mV 隔离式放大器 |
| AMC1302、 AMC1302-Q1 | 增强型 | ±50mV 隔离式放大器 |
| AMC1311、 AMC1311-Q1 | 增强型 | 0V 至 2V 隔离式放大器 |
结语
与隔离式放大器相比，隔离式调制器可提供更高的采样分辨率和精度。通过结合使用隔离式调制器和定制数字滤波器，工程师可以对系统延迟、带宽和采样分辨率进行权衡。基于隔离式调制器的设计需要的元件更少，并且以合理的成本实现了更小的设计尺寸。在需要高采样分辨率或低延迟的隔离式测量应用中，强烈建议使用隔离式调制器。
TI 具有超宽爬电距离和间隙的先进隔离式放大器
应用简报
电机驱动、光伏和风能逆变器等多个工业系统以及牵引逆变器等汽车系统需要在高共模电压下进行精确的电压和电流测量。这些系统中的工作电压越来越高，以提高输出功率和整体效率并降低成本。更高的直流总线电压可在不增加电流电平的情况下实现更高的额定功率，从而保持铜成本不变。这有助于降低产生的能量的单位成本。更高电压的另一个好处是提高了效率，因为总功率输出可以随着电压的升高而增加，但当电流不变时，导通损耗也保持不变。
在光伏系统 (PV) 中，存在将设计从 1000V 直流电压升级到 1500V 直流电压的趋势，以获得更高的工作电压带来的好处。光伏系统遵循 IEC 62109-2 等法规安全标准，可解决与电压升高相关的潜在电气危险。
在电机驱动 (MD) 系统中，IEC61800-5-1 用于解决潜在的电气危险。690VAC 等更高电压电网更具成本效益，能够用于大功率应用。因此，它们常见于大功率工业环境中。
在工业和专业用途焊接设备中，IEC 60974-1 规定了电源和焊接电路的安全性和性能要求，以防止电击。
在电动汽车 (EV) 领域，提高电动汽车电池电压以减轻系统重量、缩短充电时间和增加续航里程是大势所趋。
对高爬电距离和高间隙产品的需求
在设计这些系统时，工程师需要考虑相关的监管安全标准和若干要求，例如工作电压和瞬态电压、污染等级和海拔，以定义最小爬电距离和间隙要求。
大多数增强型隔离放大器采用 SOIC 封装，间隙和爬电距离规格小于 9mm。改进后的更宽封装可防止封装表面性能下降以及引脚间空气中产生电弧，从而确保隔离质量。工作电压高于 1000VRMS、脉冲电压要求高于 8000V 的系统，或专为超过 2000m 海拔高度或污染等级 2 或更高等级设计的系统，则可能需要大于 9mm 的间隙和爬电距离，具体取决于所设计系统的过压类别。
隆重推出采用扩展型 SOIC (DWL) 封装的 AMC1411 和 AMC1400
为了满足更高爬电距离和间隙的要求，德州仪器 (TI) 发布了高性能增强型隔离式放大器系列 AMC1411（图 5）和 AMC1400（图 6）。
图 5 使用 AMC1411 进行隔离式电压检测
图 6 使用 AMC1400 进行隔离式电流检测这些产品采用扩展型 SOIC (DWL) 封装（图 7）、间隙 ≥14.7mm，爬电距离 ≥15.7mm，专门用于高压、高海拔和高污染等级环境中。
图 7 DWL 封装，8 引脚 SOICAMC1411 和 AMC1400 提供符合 DIN VDE V 0884-11 (VIOTM) 标准的 10600VPK 增强型隔离，以及符合 UL1577 (VISO) 标准且长达 1 分钟的 7500VRMS 隔离。高隔离电压额定值和 100kV/µs 的高共模瞬态抗扰度 (CMTI) 可确保即便在苛刻的工业和汽车环境中，也能可靠、准确地工作。
0V 至 2V 输入电压范围、高输入阻抗、低输入偏置电流、出色的精度和低温度漂移使 AMC1411 成为一款适用于隔离式电压检测的高性能解决方案。
±250mV 的输入电压范围、超低非线性度和温度漂移使 AMC1400 成为适用于基于分流器的隔离式电流检测的高性能解决方案。
电机驱动中的 AMC1411 和 AMC1400
图 8 展示了一个三相电机驱动应用，它使用 AMC1411 来监测直流链路电压，并使用 AMC1400 来监测每相的同相电机电流。
图 8 电机驱动中的 AMC1411 和 AMC1400AMC1411 用于测量直流链路电压，该电压在高阻抗电阻分压器的底部电阻上分压至大约 2V 的电平。AMC1411 的输出是一个差分模拟输出电压，其值与输入电压相同，但通过增强型隔离栅与高侧实现电隔离。
AMC1400 用于通过检测连接电机的同相分流器上的压降来测量同相电机电流。
其他资源
- 要了解有关隔离式放大器和调制器的更多信息，请观看我们的视频培训系列。
- 阅读以下白皮书：
- 阅读应用简报隔离式分流器和闭环电流检测的精度比较。
选择树
图 9 隔离式电流检测：选择树
图 10 隔离式电压检测：选择树