设计目标

设计说明

该电路利用 ISO224 隔离放大器和分压器电路执行 ±480V 隔离式电压检测测量。分压器电路将电压从 ±480V 降至 ±12V，从而与 ISO224 的输入范围相匹配。ISO224 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。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。可以根据需要使用额外的运算放大器（如 TLV6001）来调节差分输出电压（如 SBOA274 中所示），以连接 ADC。

设计说明

1. 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。
2. 验证电阻分压器电路 (R₁–R₅) 中使用的电阻器是否能够耗散电压源提供的功率。
3. 验证 ISO224 输入端的电压是否小于 ±15V（如数据表的绝对最大额定值表中所述），并确保向输入端施加的电流小于 ±10mA。如果系统易受瞬态影响，请考虑在输入端添加一个 TVS 二极管。有关更多详细信息，请参阅 ISO224 具有 ±12V 单端输入和 ±4V 差分输出的增强型隔离放大器 数据表中的输入钳位保护电路的 I-V 曲线 图像。

设计步骤

1. 计算分压器电路的电压源与 ISO224 输入的比率。
   $\frac{{12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224,\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{480\mathrm{V}}=0.025$
2. ISO224 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 ISO224 输入阻抗并联组合 ( || ) 所需的等效电阻。
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}=102564\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}$
3. 使用 1.25MΩ 替换 ISO224 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。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=102564\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}$
   $102564\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=111.73\mathrm{k}\mathrm{\Omega };\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}=111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
4. 验证等效电阻是否接近第 2 步中计算得出的电阻。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
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 ISO224 的输入电阻典型值为 1.25MΩ，这会导致 0.6% 的误差。不过，务必注意，由于内部钳位保护电路的电阻会发生变化，因此输入电阻因器件而异。如果使用 1MΩ 的最小输入电阻执行相同的计算，则误差为 2.5%。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。
   $\frac{101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{4.101947\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.02485$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.02485-0.025\right|}{0.025}\times 100=0.6\mathrm{\%}$
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。
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=117\mathrm{\mu }\mathrm{A}$

直流传输特性

下图所示为 ±600V 输入的仿真输出。分压器将增益减小 1/40，ISO224 将增益进一步减小 ⅓。

传递函数显示系统增益为来自分压器的 1/40 以及来自 ISO224 的 ⅓（即，增益 × V_IN = V_OUT，(1/40) × (⅓) × (480V) = 4V）。

交流传输特性

仿真增益为 –41.58dB（或 0.008337V/V），这与分压器和 ISO224 的预期增益非常接近。

参考资料

1. 模拟工程师电路设计指导手册
2. SPICE 仿真文件 SBAC232
3. TI 高精度设计 TIDA-00835
4. TI 高精度实验室

设计备用隔离运算放大器