設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

該電路利用 AMC1350 隔離放大器和分壓器電路執(zhí)行三相、線對(duì)中性、隔離式電壓檢測(cè)測(cè)量。分壓器電路將電壓從 ±480V 降至 ±5V，從而與 AMC1350 的輸入范圍相匹配。AMC1350 由高側(cè)和低側(cè)電源供電。通常，使用浮動(dòng)電源生成高側(cè)電源，或者使用隔離式變壓器或隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器生成低側(cè)電源。AMC1350 可以 0.4V/V 的固定增益測(cè)量 ±5V 的差動(dòng)信號(hào)。AMC1350 的差動(dòng)輸入阻抗為 1.25MΩ，支持高電壓應(yīng)用中的低增益誤差和低漂移誤差信號(hào)檢測(cè)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. AMC1350 非常適合電壓檢測(cè)應(yīng)用，因?yàn)樗哂懈咻斎胱杩购偷洼斎肫秒娏?，這兩種情況都可以更大限度地減小直流誤差。
2. 驗(yàn)證系統(tǒng)線性運(yùn)行是否具有所需的輸入信號(hào)范圍。此驗(yàn)證通過(guò)使用直流傳輸特性部分中的仿真來(lái)執(zhí)行。
3. 確保電阻分壓器電路中使用的電阻器能夠?qū)⒃礃O輸入電壓降至 ±5V 的 AMC1350 輸入電壓范圍。
4. 確保電阻分壓器電路中的電阻器具有足夠的工作電流和電壓額定值。
5. 驗(yàn)證 AMC1350 輸入電流是否小于數(shù)據(jù)表的絕對(duì)最大額定值表中所述的 ±10mA。

設(shè)計(jì)步驟

1. 計(jì)算分壓器電路的電壓源與 AMC1350 輸入的比率。
   $\frac{5{\mathrm{V}}_{\mathrm{AMC}1350,\mathrm{INPUT}}}{480\mathrm{V}}=0.010417$
2. AMC1350 的典型輸入阻抗為 1.25MΩ。該阻抗與電阻器 R₅ 并聯(lián)，在設(shè)計(jì)分壓器電路時(shí)必須予以考慮。為 R₁、R₂、R₃ 和 R₄ 選擇 1MΩ 電阻。使用前一步驟中的比率和下面的分壓器公式，求解分壓器的 R₅ 和 AMC1350 輸入阻抗并聯(lián)組合 ( || ) 所需的等效電阻。
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}=0.010417$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}{4\mathrm{M\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}=0.010417$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}=\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}$
3. 使用 1.25MΩ 替換 AMC1350 輸入阻抗并使用以下公式，求解 R₅。使用模擬工程師計(jì)算器來(lái)確定 R₅ 的最接近標(biāo)準(zhǔn)值。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}=\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},AMC1350}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M\Omega }}$
   $\mathrm{42,736.37}\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=44.249\mathrm{k\Omega }; \mathrm{closest}\mathrm{ }\mathrm{standard}\mathrm{ }\mathrm{value}=44\mathrm{k\Omega }$
4. 驗(yàn)證等效電阻是否接近第 2 步中計(jì)算得出的電阻。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{EQ}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{IN},\mathrm{AMC}1350}}=\frac{44\mathrm{k\Omega }\times 1.25\mathrm{M\Omega }}{44\mathrm{k\Omega }+1.25\mathrm{M\Omega }}=42.503\mathrm{k\Omega }$
5. 驗(yàn)證分壓器電路是否處于合理的容差范圍內(nèi)。對(duì)于以下計(jì)算，假設(shè) AMC1350 的輸入電阻典型值為 1.25MΩ，這會(huì)導(dǎo)致 5.1% 的誤差。但是，請(qǐng)考慮由于制造公容差的變化，輸入電阻因器件而異。如果該誤差范圍是不可接受的，則必須執(zhí)行校準(zhǔn)，或者可以減小分壓器電路的電阻。
   $\frac{42.503\mathrm{k\Omega }}{4.042503\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.01051$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.01051-0.010417\right|}{0.010417}\times 100=0.9\mathrm{\%}$
6. 計(jì)算從電壓源流經(jīng)分壓器電路的電流，以確保功率耗散不超過(guò)電阻器的額定值。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱高電壓測(cè)量注意事項(xiàng)。
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+42\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=118.69\mathrm{\mu }\mathrm{A}$
7. 由于分壓器的增益為 0.010417，AMC1350 的增益為 0.4V/V，因此可以使用傳遞函數(shù)公式 V_OUT = GAIN×V_IN 計(jì)算 480V 輸入電壓的輸出電壓。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{5}{480}\times 0.4\times 480=2\mathrm{V}$

直流傳輸特性

下圖所示為 ±480V 輸入下的 AMC1350 仿真輸出。在 480V 輸入電壓下，根據(jù)步驟 7 的計(jì)算結(jié)果，輸出電壓約為 2.02V。

交流傳輸特性

仿真增益為 –47.52dB（或 0.0041V/V），這與分壓器和 AMC1350 的預(yù)期增益非常接近。

瞬態(tài)

以下仿真顯示了 AMC1350 的輸入和輸出信號(hào)。

參考資料

1. 德州儀器 (TI)，隔離信號(hào)鏈解決方案工程師指南電子書(shū)
2. 德州儀器 (TI)，使用 AMC3330 模擬工程師電路進(jìn)行線間隔離電壓測(cè)量的分接頭連接
3. 德州儀器 (TI)，模擬電路設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)
4. 德州儀器 (TI)，TI 高精度實(shí)驗(yàn)室

設(shè)計(jì)中采用的 AMC0330D、AMC0330R、AMC0330S

設(shè)計(jì)備選器件 AMC131M03

AMC131M03 是一款精密、低功耗、隔離式三通道三角積分 (ΔΣ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，具有增強(qiáng)的隔離能力，與分壓器配合使用時(shí)，還可用于執(zhí)行三相、線對(duì)中性、隔離式電壓檢測(cè)測(cè)量。AMC131M03 的每個(gè)通道都需要通過(guò)電阻分壓器連接到三相電壓之一，從而降低到 ADC 的輸入電壓范圍。該器件具有完全集成的隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)器件低側(cè)的 3.3V 或 5V 單電源運(yùn)行。如果器件執(zhí)行測(cè)量，ADC 會(huì)將三相測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。器件可通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 通信輸出數(shù)字化數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)與微控制器的直接通信。動(dòng)態(tài)范圍、尺寸、功能集和功耗針對(duì)需要同步采樣的成本敏感型應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。