設計說明

此電路利用 ISO224 隔離式放大器、TLV9002 運算放大器和 ADS7142 SAR ADC 執行 ±12V 隔離式電壓檢測測量。ISO224 可以測量具有 ?V/V 固定增益的 ±12V 單端信號，并且產生輸出共模電壓為 VDD2/2 的 ±4V 隔離式差分輸出電壓。TLV9002 的通道 1 用于調節 ISO224 的輸出以適應 ADS7142 的輸入范圍，而通道 2 用于監控 ISO224 失效防護輸出。ADS7142 是一款具有滿量程輸入和 AVDD 基準電壓（范圍為 1.65V 至 3.6V）的雙通道 ADC。本指導手冊的電路將在偽差分配置中使用 ADS7142 雙通道輸入，從而可以通過 ISO224 測量正負信號。該電路適用于許多高電壓工業應用，如列車控制和管理系統、模擬輸入模塊 和逆變器與電機控制。此設計中的元件選型公式和說明可根據系統規格和要求進行定制。

規格

設計說明

1. 選擇 ISO224 是因為其具有寬輸入范圍、靈活的功率配置以及高精度特點。
2. 選擇 ADS7142 是因為其具有極低功耗、高集成度、靈活的功率配置以及小尺寸特點。
3. 選擇 TLV9002 運算放大器是因為其具有優化成本、多種配置選項以及小尺寸特點。
4. 為 AVDD、V_CM 以及 AINN 偽差分輸入（用于設置 ADC 的共模電壓）選擇低阻抗、低噪聲源。
5. 查找 ADC 滿標量程范圍和共模規格。“元件選型”部分中介紹了該內容。
6. 選擇適合 C_FILT 的 COG 電容器盡量減少失真。
7. 為實現卓越性能，請考慮使用 0.1% 20ppm/°C 的薄膜電阻器或性能更佳的電阻器作為 R_FILT1,2 來盡量減少失真。
8. 了解和校準 ADC 系統的失調電壓和增益 介紹了誤差分析的方法。請查看該鏈接，了解更大限度減少增益誤差、失調電壓誤差、漂移誤差和噪聲誤差的方法。
9. TI 高精度實驗室 - ADC 培訓視頻系列介紹了選擇電荷桶電路 R_FILT 和 C_FILT 的方法。此類元件值取決于放大器帶寬、數據轉換器采樣速率以及數據轉換器設計。此處所示的規格值可為該示例中的放大器和數據轉換器提供良好的趨穩和交流性能。如果改動了設計，必須選擇其他的 RC 濾波器。請參閱 SAR ADC 前端元件選型簡介，了解如何選擇 RC 濾波器以實現卓越的趨穩和交流性能。

元件選型

1. 根據輸入電壓范圍選擇隔離放大器并確定輸出共模電壓和輸出電壓范圍：

   ISO224 電源可以是 4.5V 至 18V（對于高側電源）和 4.5V 至 5.5V（對于低側電源）。ISO224 具有 ±12V 單端輸入范圍（固定增益為 ?V/V），產生 ±4V 差分輸出，輸出共模電壓為 VDD2/2（此示例為 2.5V）：

   $\frac{{\pm 12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{l}\mathrm{e}-\mathrm{E}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{3}=\pm {4\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T},\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}}\mathrm{ }\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{ }2.5\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{D}\mathrm{D}2}}{2}\right)\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{m}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}-\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}$
2. 選擇尺寸小且功耗低的 ADC：

   ADS7142 是一款可在偽差分配置中使用的小尺寸、低功耗、雙通道 ADC。最大輸入范圍取決于基準電壓并等于 AVDD，此示例為 3.3V：

   ${\mathrm{A}\mathrm{D}\mathrm{C}}_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{l}-\mathrm{S}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{ }\mathrm{R}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{e}}=\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}=\mathrm{A}\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{D}=3.3\mathrm{V}$

   查找偽差分測量所需的 ADC 共模電壓：

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}}}{2}=1.65\mathrm{V}$
3. 選擇一個運算放大器將 ISO224 的 ±4V 差分、2.5V 共模輸出轉換為 ADS7142 的 3.3V 偽差分、1.65V 共模輸入。此外，優先選擇具有第二通道（該通道可用于監控 ISO224 的失效防護輸出特性）的運算放大器：

   TLV9002 是一款雙通道、軌到軌輸入和輸出放大器，針對成本敏感和小尺寸應用進行了優化。

   通道 1 用于將 ISO224 的 ±4V 差分、2.5V 共模輸出轉換為共模電壓為 1.65V 的 3.3V 峰值偽差分輸出。當 R1 = R4 且 R2 = R3 時，傳遞函數由以下公式設置：

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{P}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}\mathrm{N}}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}$

   信號必須從 ±4V 轉換為 3.3V，這意味著信號必須降低 3.3V/±4V = 3.3V/8V 倍。用先前計算出的 1.65V 值代替 V_CM 并將 R2 和 R3 設置為 10kΩ，得到以下公式：

   $3.3\mathrm{V}=4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }0\mathrm{V}=-4\mathrm{V}\left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)+1.65\mathrm{V}$

   求解出 R1 和 R4 的值為 4.125kΩ。

   如需了解有關此主題的更多信息，請參閱將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入 ADC 技術手冊。

   TLV9002 的通道 2 用于監控 ISO224 的失效防護輸出特性。只要高側電源 VDD1 丟失，無論 V_IN 引腳上的輸入信號如何，ISO224 失效防護輸出特性都將激活。TLV9002 通道 2 輸出 VCOMP 被饋送到系統控制器上的 GPIO 端口，并在失效防護輸出特性激活時變為高電平。如需了解更多詳細信息，請參閱失效防護輸出特性 應用手冊。

4. 選擇 R_1FILT、R_2FILT 和 C_FILT 以實現輸入信號的趨穩以及 140kSPS 的采樣率：

   優化 R_FILT 和 C_FILT 值（TI 高精度實驗室視頻）介紹了選擇 R_FILT 和 C_FILT 的方法。經證實，1.1kΩ 和 330pF 的最終值可確保在采集窗口時間內趨穩至遠低于最低有效位 (LSB) ? 的位置。

瞬態 ADC 輸入穩定仿真

以下仿真顯示了采集時間為 5.3μs 的瞬態趨穩結果。88μV 的噪聲完全處于 0.5 × LSB 限制 403μV 的范圍內。請參閱優化 Rfilt 和 Cfilt 值，了解有關此主題的詳細理論。

主要文件鏈接

適用于隔離式設計的 TINA 文件：SBAC226。

設計中采用的器件