設計說明

該隔離式單電源雙向電流檢測電路可以精確地測量 –50A 至 50A 的負載電流。輸入線性范圍為 –50mV 至 50mV，差分輸出擺幅為 –2.05V 至 2.05V，輸出共模電壓 (V_CM) 為 1.44V。隔離式放大器電路的增益固定為 41V/V。一個使用 TLV9002 的次級放大器級將差分輸出電壓轉換為 55mV 至 4.945V 的單端輸出電壓。整個信號鏈由單個 5.0V 電源軌供電。

該電路適用于許多高電壓工業應用，如光伏逆變器、電機驅動器和保護繼電器。該設計中與元件選擇相關的公式和說明可根據終端設備的需求和系統規格進行自定義。

設計說明

1. 選擇 AMC3302 是因為其精度、輸入電壓范圍，并且該器件只需單個低側電源。
2. 選擇 TLV9002 是因為其低成本、低失調電壓、小尺寸和雙通道。
3. 為 AVDD 選擇低阻抗、低噪聲源，用于為 TLV9002 和 AMC3302 供電并為單端輸出提供共模電壓。
4. 為獲得超高精度，請使用溫度系數低的精密分流電阻器。
5. 為預期峰值輸入電流電平選擇分流器。
6. 對于連續運行，根據 IEEE 標準，在正常條件下，分流電阻器的工作電流不得超過額定電流的三分之二。對于具有嚴格功耗要求的應用，可能需要進一步降低分流電阻或增加額定功率。
7. 使用適當的電阻分壓器值來適當設置共模電壓。
8. 為 TLV9002 通道 2 上的增益設置電阻器選擇合適的值，以便單端輸出具有合適的輸出擺幅。

設計步驟

1. 確定在給定隔離放大器輸入電流范圍和固定增益情況下的傳遞方程。
   $V_{OUT}=I_{in}\times R_{shunt}\times 41$
2. 確定最大分流電阻器值。
   $R_{shunt}=\frac{V_{inMax}}{I_{inMax}}=\frac{50 mV}{50 A}=1 m\mathrm{\Omega }$
3. 確定最小分流電阻器功率耗散。
   ${Power R}_{shunt}={I_{inMax}}^2\times R_{shunt}=2500 A\times 0.001 \mathrm{\Omega }=2.5\mathrm{ }\mathrm{W}$
4. 為了連接 5V ADC，AMC3302 和 TLV9002 都能在 5V 電壓下工作，因此可以使用單電源。
5. TLV9002 的通道 1 用于設置通道 2 的單端輸出的 2.5V 共模電壓。在使用 5V 電源的情況下，可以使用一個簡單的電阻分壓器將 5V 分壓為 2.5V。在使用 1kΩ 的 R₄ 時，可以通過以下公式計算 R₃。
   $R_3=\frac{V_{DD}\times R_4}{V_{CM}}-R_4=\frac{5 V\times 1000 \mathrm{\Omega }}{2.5 V}-1000 \mathrm{\Omega }=1000 \mathrm{\Omega }$
6. TLV9002 是一款軌到軌運算放大器。不過，TLV9002 輸出相對于其電源軌的最大擺幅為 55mV。因此，單端輸出擺動范圍為 55mV 至 4.945V (4.89Vpk-pk)。
7. AMC3302 的 V_OUTP 和 V_OUTN 輸出為 2.05Vpk-pk，具有 180 度的相位差，共模電壓為 1.44V。因此，差分輸出為 ±2.05V 或 4.1Vpk-pk。為了保持在 TLV9002 的輸出限制范圍內，AMC3302 的輸出需要按 4.89/4.1 的倍數放大。當 R₆ = R₇ 且 R₅ = R₈ 時，可以使用以下傳遞函數來計算 R₅ 和 R₈。
   $V_{OUT}=\left(V_{OUTP}-V_{OUTN}\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{R_{\mathrm{6,7}}}\right)+V_{CM}$
8. 通過使用之前計算的 TLV9002 輸出擺幅并選擇 R₆ 和 R₇ 為 10kΩ，可以使用以下公式計算得出 R₅ 和 R₈ 為 11.93kΩ。為了考慮到標準電阻器值，請改用 11.8kΩ 電阻器。
   $4.945=\left(2.465 V-415 mV\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{10 k\Omega }\right)+2.5$

直流傳輸特性

以下各圖分別顯示了 TLV9002 放大器單端輸出和 AMC3302 差分輸出的仿真直流特性。這兩個圖都表明，輸出在 ±50A 范圍內呈線性。

閉環交流仿真結果

以下交流掃描顯示了單端輸出的交流傳遞特性。由于 AMC3302 的增益為 41V/V，并且應用到差分至單端轉換的增益為 1.2V/V，因此預計下圖中所示的增益為 33.83dB。

瞬態仿真結果

以下瞬態仿真顯示了 AMC3302 和 TLV9002 在 –50A 至 50A 范圍內的輸出信號。AMC3302 的差分輸出符合預期，為 ±2.05Vpk-pk，而單端輸出為 4.89Vpk-pk，擺幅為 55mV 至 4.945V。

設計參考資料

有關 TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路手冊。

德州儀器 (TI)，將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入 ADC 應用簡報。

設計采用的隔離放大器

設計差分至單端放大器

設計備選隔離放大器

設計備選差分至單端放大器