ZHCY211 December 2024 AMC0106M05 , AMC0106M25 , AMC0136 , AMC0311D , AMC0311S , AMC0386 , AMC0386-Q1 , AMC1100 , AMC1106M05 , AMC1200 , AMC1200-Q1 , AMC1202 , AMC1203 , AMC1204 , AMC1211-Q1 , AMC1300 , AMC1300B-Q1 , AMC1301 , AMC1301-Q1 , AMC1302-Q1 , AMC1303M2510 , AMC1304L25 , AMC1304M25 , AMC1305M25 , AMC1305M25-Q1 , AMC1306M05 , AMC1306M25 , AMC1311 , AMC1311-Q1 , AMC131M03 , AMC1336 , AMC1336-Q1 , AMC1350 , AMC1350-Q1 , AMC23C12 , AMC3301 , AMC3330 , AMC3330-Q1
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- 引言
- 隔离式信号链简介
- 选择树
- 电流检测
- 电压感测
- EMI 性能
- 终端设备
- 其他参考设计/电路
工业和汽车应用（例如车载充电器、串式逆变器和电机驱动器）需要某种类型的隔离式电流测量以驱动电流控制环路的反馈算法，同时保护数字电路免受执行某种功能的高压电路的影响。
高性能隔离式放大器是用于跨隔离栅传输电流测量数据的出色器件。但是，选择正确的隔离式放大器并非易事。选择隔离式放大器时，有许多决定因素需要考虑，例如隔离规格、如何为高侧供电以及选择输入电压范围。本文将详细说明这些决定因素，以帮助您选择更适合特定系统的隔离式放大器。
选择用于隔离式电流测量的器件时，第一步便是确定所需的隔离级别。有两个隔离级别：基本隔离和增强型隔离。系统架构和终端设备标准（例如有关电机驱动器的国际电工委员会 (IEC) 61800 和有关医疗设备的 IEC 60601）将规定所需的隔离级别。
用于量化隔离栅性能的主要规格如下：
- 隔离工作电压是指在均方根电压中定义并且隔离式放大器在整个运行寿命期间可持续承受的最大电压。
- 共模瞬态抗扰度描述了隔离式放大器可承受（无错误）的接地电位差的最大变化率。
- 隔离瞬态过压是指在峰峰值电压中定义并且隔离式放大器可耐受 60s 的电压。
- 符合 IEC 60065 的电涌额定值（脉冲电压额定值）是指隔离式放大器可无故障耐受的 1.2µs/50µs 电压幅度。
一些终端设备制造商的产品通过了第三方认证，目的是验证这些产品是否符合隔离规格。隔离式放大器本身并未按照这些规格衡量，因为它们是终端设备的内部元件，终端设备标准仅间接适用于它们。实际上，这些元件根据德国标准化协会 (DIN) 德国电气工程师协会 (VDE) V 0884-11 和美国保险商实验室 (UL) 1577 等器件级认证来衡量。如 IEC 标准中所述，符合元件级标准且具有同等要求的器件无需接受单独评估。这也适用于国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 辐射发射电磁干扰 (EMI) 标准。有关德州仪器 (TI) 隔离式放大器的辐射发射性能，请参阅 [1]。
为了获得出色性能，建议使用器件特定数据表中所示的布局和应用实践；[2] 列出了 TI 隔离式放大器器件级认证。
选择隔离式放大器时，下一步则是确定如何在隔离栅的高侧为隔离式放大器供电。
设计此部分电路时，请注意，高侧电源电压必须随所测电流的共模输入电压而浮动。这意味着对于多相电流测量，每个相位都需要一个带有独立高侧电源的隔离式放大器。高侧电源电路设计错误会导致超出绝对最大模拟输入电压额定值，从而造成器件永久损坏。
有三个可为隔离式放大器的高侧供电的主要设计方案。
第一个设计方案是设计一个分立的隔离式变压器电路，以便从低侧向隔离式放大器的高侧提供电压。这种方法将需要选择一个隔离式变压器、一个变压器驱动器（例如 TI 的 SN6501）和一个低压差稳压器（例如 TI 的 TLV704）。尽管易于设计，但是此方案需要较大的电路板面积和若干器件。图 12 展示了 AMC1300 评估模块 (EVM) 顶部的实现示例。
图 12 具有隔离式变压器的 AMC1300 EVM。第二个设计方案（如图 13 所示）是使用浮动高侧栅极驱动器电源（通常为 15V）和并联稳压器（例如齐纳二极管）将电压下调至 5V。该设计方案的示例请见器件数据表，例如 AMC1300B-Q1 增强型隔离式放大器。尽管此设计方案经济高效，但是布局限制以及栅极驱动器电源接地基准与放大器接地基准之间的寄生阻抗会导致共模输入电压越限和瞬态误差。
第三个设计方案（如图 14 所示）最为简单，使用具有集成直流/直流转换器的器件。具有集成直流/直流转换器的隔离式放大器（例如 TI 的 AMC3302）大幅减小了解决方案的尺寸，降低了复杂度和系统成本，可提供出色的转换效率，并允许灵活放置分流电阻器。[4]
选择隔离式放大器时，最后一个步骤就是选择器件的输入电压范围。为电流检测而进行了优化的大多数隔离式放大器都可以选择 ±50mV 或 ±250mV 线性输入电压范围。确定哪个输入电压范围适合此应用，这取决于所测电流的幅度和分流电阻器的大小。通常，具有高电流幅度的系统要求输入范围较小（例如 ±50mV）的隔离式放大器。具有相对较低电流幅度的系统会受益于稍大的输入电压范围 (±250mV)，这样便可实现更高的信噪比
图 13 AMC1300B-Q1 和浮动电源。
图 14 具有内部直流/直流转换器的 AMC3302 隔离式放大器。选择输入电压范围时，需要考虑两个公式：欧姆定律（请参阅方程式 1）以及在电阻器中耗散的功率（请参阅方程式 2）：
这两个公式决定了在更大限度增大隔离式放大器的满量程输入范围与分流电阻器中的功耗值之间如何权衡。如电流和电阻值已提供，则可根据方程式 1 计算出分流电阻器两端的压降。尝试使该电压范围尽可能接近隔离式放大器的满量程输入电压范围，因为两个值之间的不匹配都会导致分辨率的直接损失。
方程式 2 可量化分流电阻器中的功率耗散。这很重要，因为一旦通过电阻器消耗的功率达到额定功率耗散的一半，分流电阻器就会开始因为自发热而产生温漂（根据电阻器的温漂规格），从而导致增益误差。为了避免因自发热引起的过多分流温漂，通常情况下，最好将分流电阻器的标称功率耗散限制为等于或小于额定功率耗散的八分之一。
例如，如果对电流的要求是标称电流为 18A 而最大电流为 52A，已知线性输入电压范围有两个选项（±50mV 和 ±250mV），并且还已知晓最大电流，则可计算出理想的分流电阻值以满足这两种选择情况下的满量程输入范围：
±250 mV: RIdeal = 4.8 mΩ
找出最接近的标准分流电阻器值：
for ±250 mV: R = 5 mΩ
将这些值代入方程式 1，计算出分流电阻器两端产生的满量程压降：
for ±250 mV: V = I × R = (52 A) × (5 mΩ) = 260 mV
请注意，从理想计算值到最接近标准值的电阻值略有增加，这会导致满量程输入电压范围大于隔离式放大器的线性满量程输入范围。这说明对于满量程电流幅度而言，所产生的电压幅度将不再处于隔离式放大器输入的线性范围内。隔离式放大器在开始削波之前，通常具有超出线性输入电压范围的额外输入电压范围。在此范围内（对于 ±250mV 器件，通常高达 ±280mV；对于 ±50mV 器件，通常高达 ±56mV），数据表中未规定隔离式放大器的精度；但是，隔离式放大器将继续以类似于线性范围的精度输出电压。在某些应用中，如果与标称测量值相比，最大电流幅度的精度要求相对宽松，那么这是可接受的。
接下来，使用标准电阻值和标称电流幅度来计算分流电阻器中的功耗，这里假设分流电阻器中的功耗额定值为 3W。
在 ±50mV 计算中，标称功率耗散小于额定功率耗散的八分之一。在测量标称电流时，该分流电阻器不应因自发热而出现明显温漂。±250mV 计算中得出的功率耗散超过额定功率耗散的一半，这说明在测量标称电流范围时会出现明显的温漂。
可采取额外的措施来减少分流电阻器中散发的热量，例如形成较大的印刷电路板平面，或者使用散热器或风扇。在电流很大的应用中，可使用运算放大器来获取输入信号，从而更大限度地增大输入范围，以便与隔离式放大器的满量程输入范围相匹配（参考5 中使用的方法）。
在测量高标称电流幅度的大多数应用中，一个好方法是选择具有较小输入电压范围 (±50mV) 的隔离式放大器（例如 TI 的 AMC1302 或 AMC3302）。
最后一步是确认最大电流幅度下的功率耗散未超过分流电阻器的额定功率耗散，因为超过额定功率耗散会使分流电阻器永久损坏。
要查看与示例相似的测量结果，请参阅6。