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  • 具有前端增益级的隔离式电流检测电路

    • ZHCACL2 april   2023 AMC1202 , AMC1302 , AMC1302-Q1 , AMC3330

       

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Analog Engineer's Circuit

具有前端增益级的隔离式
电流检测电路

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

设计目标

电流源(标称值) 电流源(短路) 输入电压 输出电压 电源
IIN MIN IIN MAX ISHORT VSHUNT, MIN VSHUNT, MAX

VOUT

VDD1 VDD2

±10mA

±10A ±200A ±10µV ±10mV

55 mV – 3.245 V

5V

3.3V

设计说明

一些应用需要使用电路来测量小标称电流,同时承受高短路电流,例如断路器。本电路设计文档介绍了一种隔离式电流检测电路,可以准确测量 ±10mA 至 ±10A 的标称负载电流,同时可承受高达 ±200A 的短路电流。对于该电路,假设输出与 3.3V 单端 ADC(例如集成到 MSP430 中的 ADC)一起使用。被测线路电流与 ADC 之间的隔离是使用隔离放大器 (AMC1302) 实现的。在使用 1mΩ 分流电阻器的情况下,预期的最小标称电流会产生 ±10µV 信号,由于 Δ-Σ 调制器死区,该信号太小而无法在零电压输入附近被准确解析。为了解决此问题,电路可使用一个 2 通道运算放大器 (TLV9002) 以 5V/V 的增益将信号放大并将共模电压设置为 1V;这不仅能使最小标称电流脱离死区,而且能使最大标称电流达到隔离放大器的满量程线性输入范围。隔离放大器的满量程线性输入范围为 ±50mV,差分输出摆幅为 ±2.05V,输出共模电压为 1.44V,内部固定增益为 41V/V。在隔离放大器的输出侧,使用了第二个 2 通道运算放大器 (TLV9002),其中第一个通道用于将单端共模电压设置为 1.65V,第二个通道用于将隔离放大器的差分输出信号转换为可与 3.3V 单端 ADC 一起使用的单端信号。

GUID-20230313-SS0I-DFFP-1CQD-73FSS8RK6LB2-low.svg

设计说明

  1. 得益于 AMC1302 的低功耗、分辨率和 ±50mV 满量程输入电压范围,我们选择该器件作为隔离放大器。
  2. 得益于 TLV9002 的低成本、低失调电压、小尺寸和双通道封装,选择该器件作为运算放大器。
  3. 为 VDD1 和 VDD2 选择低阻抗、低噪声源,这两者为 TLV9002IN、TLV9002OUT 和 AMC1302 提供电源,同时还用于设置单端输出的共模电压。
    • VDD1 以 GND1 为基准,VDD2 以 GND2 为基准。
  4. 为获得超高精度,请使用温度系数低的精密分流电阻器。
  5. 根据预期的标称和短路输入电流水平选择分流电阻器。
    1. 对于连续运行,根据 IEEE 标准,在正常条件下,分流电阻器的工作电流不得超过额定电流的三分之二。对于具有严格功耗要求的应用,可能需要进一步降低分流电阻或增加额定功率。
    2. 对于短路电流,请查看分流电阻数据表中的短期过载规格。该电流通常是标称功率耗散的 5 倍。
    3. 如需有关计算功率耗散方面的帮助,请参阅隔离放大器电流检测 Excel 计算器。
  6. 使用适当的电阻分压器值来设置 TLV9002IN 和 TLV9002OUT 通道 1 上的共模电压。确保不违反隔离放大器的输入共模规格。
  7. 为 TLV9002OUT 通道 2 上的增益设置电阻器选择合适的值,以便单端输出具有合适的输出摆幅。

设计步骤

  1. 根据最大标称电流确定相应的分流电阻器值。
    RSHUNT = VinMaxIinMax = 50mV10A = 5 mΩ
  2. 由于该分流电阻器必须能够承受 200A 的短路电流,因此进一步将分流电阻器的电阻降低为原来的五分之一,这在步骤 6 中得到了补偿。确定最大标称电流工作期间的分流电阻器功率耗散。
    PoWer RSHUNT = IinMax2 × RSHUNT = 100 A)2 × 1 mΩ = 0.1 W

    确定最小标称电流工作期间的分流电阻器功率耗散。

    PoWer RSHUNT = IinMin2 × RSHUNT = 0.1 mA2 × 1 mΩ = 0.1 μW
  3. 确定短路期间的分流电阻器功率耗散。请务必验证所选的短期过载规格(通常为标称值的 5 倍)是否能够承受短路耗散的功率。
    PoWer RSHUNT = IinShort2 × RSHUNT = 40,000 A)2 × 1 mΩ = 40 W

    选择功耗降低为原来的五分之一的分流电阻器。因此,如果短期过载要求为 40W,则分流 Pdissipation = 8W。有关更多详细信息,请参阅隔离式电流检测的设计注意事项 模拟设计期刊。

  4. TLV9002IN 的通道 1 用于设置 TLV9002IN 通道 2 的单端输出的 1V 共模电压。通道 1 的 1V 输出也被发送到 AMC1302 的正输入端。在使用 5V 电源的情况下,可以使用一个简单的电阻分压器将 5V 分压为 1V。在使用 4kΩ 的 R1 时,可以通过以下公式计算 R2。
    R2 = VCM × R1VDD - VCM = 1.00 V × 4000 Ω5.00 V - 1.00 V = 1000 Ω
  5. TLV9002IN 的通道 2 用于放大分流电阻器的电压,以便在测量最大标称电流范围时利用 AMC1302 的满量程输入电压范围。对于 1mΩ 的分流电阻器和 ±10A 的最大标称电流,分流电阻器的输出电压为 ±10mV。由于 AMC1302 的最大输入电压为 ±50mV,必须以 5V/V 的增益放大分流电阻器的输出。在保持 R3|R4 为 1kΩ 的同时,可以通过以下公式计算 R5|R6 的电阻值。
    、、Gain (VV)=R5,6R3、4 ; R5,6=Gain (VV) × R3、4=5 VV × 1 kΩ=5 kΩ
  6. 根据所选的分流电阻器,验证在短路期间是否未违反 AMC1302 输入的绝对最大电压限制。200A 短路电流会在 AMC1302 上施加 1V 的差分电压。由于输入共模被设置为 1V,因此相对于 GND1,AMC1302 的负输入端上会施加最大 2V 的电压。
    VinAMC = 200 A × 0.001 Ω × 5 VV = 1 V

    AMC1302 的绝对最大输入电压比高侧电源电压高 500mV(如 AMC1302 精密、±50mV 输入、增强型隔离放大器 数据表中所述)。在使用 5V 高侧电源电压时,不会违反绝对最大输入电压额定值。

  7. TLV9002OUT 的通道 1 用于设置 TLV9002OUT 通道 2 的单端输出的 1.65V 共模电压。在使用 3.3V 电源的情况下,可以使用一个简单的电阻分压器将 3.3V 分压为 1.65V。在使用 1kΩ 的 R7 时,可以通过以下公式计算 R8。
    R8 = VCM × R7VDD - VCM = 1.65 V x 1000 Ω3.3 V - 1.65 V = 1000 Ω 
  8. 虽然 TLV9002 是轨至轨运算放大器,但 TLV9002 的输出最多只能相对于电源轨摆动 55mV。因此,TLV9002OUT 的单端输出摆动范围为 55mV 至 3.245V (3.19Vpk-pk)。
  9. AMC1302 的 VOUTP 和 VOUTN 输出为 2.05Vpk-pk,具有 180 度的相位差,共模电压为 1.44V。因此,差分输出为 ±2.05V 或 4.1Vpk-pk。

    为了保持在 TLV9002OUT 的输出限制范围内,AMC1302 的输出需要衰减为原来的 3.2/4.1。当 R9 = R10 且 R11 = R12 时,可以使用差分转单端级的以下传递函数来计算 R11 和 R12。

    VOUT= VOUTP-VOUTN×R11,12R9,10+VCM 
  10. 通过使用之前计算的 TLV9002OUT 输出摆幅并将 R9 和 R10 设置为 10kΩ,可以使用以下公式计算得出 R11 和 R12 为 7.8kΩ。
    3.2= 2.465V-415mV×R11,1210kΩ+1.65

    在使用标准的 0.1% 电阻值时,可以使用 7.8kΩ 电阻器。这提供了 TLV9002 限制范围内的最大输出摆幅。

  11. 电容器 C1 和 C2 与电阻器 R11 和 R12 并联放置,可限制高频信号。当 R11 = R12 且 C1 = C2时,可以通过以下公式计算截止频率。
    、fc= 12×π×R11,12×C1、2

    当 C1 = C2 = 1nF 且 R11 = R12 = 7800Ω 时,可以计算得出截止频率为 20.414kHz。

    fc= 12×π×7800Ω×1nF=20.414kHz

设计仿真

直流仿真结果

仿真结果展示了分流器电压的仿真直流特性、AMC1302 的差分输入/输出以及 TLV9002 放大器的单端输出(–10A 至 10A)。

GUID-20230313-SS0I-LPDV-MFHP-FT4MXCZQSGSH-low.svg仿真结果

短路事件仿真通过演示输入和输出如何在 ±200A 下做出反应,显示了短路事件期间的电路仿真。穿过图形的红线和蓝线标记了 AMC1302 的输出开始削波的点。从该点开始,电路的目的是在发生短路事件后继续运行。在设计步骤 部分中,选择了适当的 AMC1302 高侧增益和分流电阻值以避免在该事件期间造成损坏。以下仿真验证了这些选择:在短路事件中进入 AMC1302 的最大输入电压为 ±1V,低于该器件的绝对最大额定值。因此,仿真确认电路在短路事件过去后继续运行。

GUID-20230313-SS0I-4Z5W-QZ94-LPP49MDBVHHG-low.svg短路事件仿真

闭环交流仿真结果

交流仿真显示了单端输出的交流传递特性。该仿真显示当频率接近并超过使用步骤 11 中第二个公式计算的截止频率时预期的增益 (dB)。模拟前端增益为 5V/V,AMC1302 增益为 41V/V,差分转单端增益为 0.78V/V;因此,预计增益为 44.07dB,如下图所示。

GUID-20230313-SS0I-GJDV-MT6W-JLBVK4JRLRHD-low.svg交流仿真

正弦波仿真结果

正弦波模拟展示了分流器的输出、AMC1302 的差分输入和输出以及 TLV9002 响应正弦波的单端输出(振幅为 –10A 至 10A)。AMC1302 的差分输出为 ±2.05Vpk-pk,与预期相符,单端输出为 3.19Vpk-pk,摆动范围为 55mV 至 3.245V。

GUID-20230313-SS0I-MPB0-ZPPK-RSQKWGGB0B01-low.svg正弦波仿真

设计参考资料

请参阅模拟工程师电路设计指导手册,了解 TI 综合电路库,并参阅将差分输出(隔离式)放大器连接到单端输入 ADC 应用简报,了解有关差分至单端转换输出的更多信息。

设计采用的隔离式放大器

AMC1302
工作电压 1500 VRMS
Gain 41 V/V
带宽 280 kHz(典型值)
线性输入电压范围 ±50mV
输入电阻 4.9kΩ(典型值)
输入偏移电压和漂移 ±50µV(最大值)、±0.8µV/°C(最大值)
增益误差和漂移 ±0.2%(最大值),±35ppm/°C(最大值)
非线性度和漂移 0.03%(最大值)、1ppm/°C(典型值)
隔离瞬态过压 7071VPEAK
共模瞬态抗扰度 (CMTI) 100kV/µs(最小值)

设计备选隔离式放大器

AMC3302
工作电压 1200 VRMS
Gain 41 V/V
带宽 334 kHz(典型值)
线性输入电压范围 ±50mV
输入电阻 4.9kΩ(典型值)
输入偏移电压和漂移 ±50µV(最大值)、±0.5µV/°C(最大值)
增益误差和漂移 ±0.2%(最大值),±35ppm/°C(最大值)
非线性度和漂移 ±0.03%(最大值)、1ppm/°C(典型值)
隔离瞬态过压 6000VPEAK
共模瞬态抗扰度 (CMTI) 95kV/us(最小值)
AMC1202
工作电压 1000 VRMS
Gain 41 V/V
带宽 280 kHz(典型值)
线性输入电压范围 ±50mV
输入电阻 4.9kΩ(典型值)
输入偏移电压和漂移 ±50µV(最大值)、±0.8µV/°C(最大值)
增益误差和漂移 ±0.2%(最大值),±35ppm/°C(最大值)
非线性度和漂移 ±0.03%(最大值)、1ppm/°C(典型值)
隔离瞬态过压 4250VPEAK
共模瞬态抗扰度 (CMTI) 100kV/µs(最小值)

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