設計目標

設計說明

該電路利用 ISO224 隔離放大器和分壓器電路執行 ±480V 隔離式電壓檢測測量。分壓器電路將電壓從 ±480V 降至 ±12V，從而與 ISO224 的輸入范圍相匹配。ISO224 由高側和低側電源供電。通常，使用浮動電源生成高側電源，或者使用隔離式變壓器或隔離式直流/直流轉換器生成低側電源。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?？梢愿鶕枰褂妙~外的運算放大器（如 TLV6001）來調節差分輸出電壓（如 SBOA274 中所示），以連接 ADC。

設計說明

1. 驗證系統線性運行是否具有所需的輸入信號范圍。此驗證通過使用直流傳輸特性 部分中的仿真來執行。
2. 驗證電阻分壓器電路 (R₁–R₅) 中使用的電阻器是否能夠耗散電壓源提供的功率。
3. 驗證 ISO224 輸入端的電壓是否小于 ±15V（如數據表的絕對最大額定值表中所述），并確保向輸入端施加的電流小于 ±10mA。如果系統易受瞬態影響，請考慮在輸入端添加一個 TVS 二極管。有關更多詳細信息，請參閱 ISO224 具有 ±12V 單端輸入和 ±4V 差分輸出的增強型隔離放大器 數據表中的輸入鉗位保護電路的 I-V 曲線 圖像。

設計步驟

1. 計算分壓器電路的電壓源與 ISO224 輸入的比率。
   $\frac{{12\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224,\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{T}}}{480\mathrm{V}}=0.025$
2. ISO224 的典型輸入阻抗為 1.25MΩ。該阻抗與電阻器 R₅ 并聯，在設計分壓器電路時必須予以考慮。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 ISO224 輸入阻抗并聯組合 ( || ) 所需的等效電阻。
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{{\mathrm{R}}_3{+\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   $\frac{{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+{{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=0.025$
   ${{\mathrm{R}}_5\left|\right|\mathrm{ }\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}=102564\mathrm{\Omega }={\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}$
3. 使用 1.25MΩ 替換 ISO224 輸入阻抗并使用以下公式，求解 R₅。使用模擬工程師計算器來確定 R₅ 的最接近標準值。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=102564\mathrm{\Omega }=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{{\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}$
   $102564\mathrm{\Omega }\left({\mathrm{R}}_5+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }\right)={\mathrm{R}}_5\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_5=111.73\mathrm{k}\mathrm{\Omega };\mathrm{c}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}=111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
4. 驗證等效電阻是否接近第 2 步中計算得出的電阻。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{E}\mathrm{Q}}=\frac{{\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_{\mathrm{I}\mathrm{N},\mathrm{I}\mathrm{S}\mathrm{O}224}}=\frac{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}{111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+1.25\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
5. 驗證分壓器電路是否處于合理的容差范圍內。對于以下計算，假設 ISO224 的輸入電阻典型值為 1.25MΩ，這會導致 0.6% 的誤差。不過，務必注意，由于內部鉗位保護電路的電阻會發生變化，因此輸入電阻因器件而異。如果使用 1MΩ 的最小輸入電阻執行相同的計算，則誤差為 2.5%。如果該誤差范圍是不可接受的，則必須執行校準，或者可以減小分壓器電路的電阻。
   $\frac{101.947\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{4.101947\mathrm{M}\mathrm{\Omega }}=0.02485$
   $\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{\%}=\frac{\left|\mathrm{A}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{a}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}\right|}{\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}\times 100=\frac{\left|0.02485-0.025\right|}{0.025}\times 100=0.6\mathrm{\%}$
6. 計算從電壓源流經分壓器電路的電流，以確保功率耗散不超過電阻器的額定值。有關更多詳細信息，請參閱高電壓測量注意事項。
   $\mathrm{V}=\mathrm{I}\mathrm{R};\mathrm{ }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{R}}=\frac{480\mathrm{V}}{4\mathrm{M}\mathrm{\Omega }+111\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}=117\mathrm{\mu }\mathrm{A}$

直流傳輸特性

下圖所示為 ±600V 輸入的仿真輸出。分壓器將增益減小 1/40，ISO224 將增益進一步減小 ?。

傳遞函數顯示系統增益為來自分壓器的 1/40 以及來自 ISO224 的 ?（即，增益 × V_IN = V_OUT，(1/40) × (?) × (480V) = 4V）。

交流傳輸特性

仿真增益為 –41.58dB（或 0.008337V/V），這與分壓器和 ISO224 的預期增益非常接近。

參考資料

1. 模擬工程師電路設計指導手冊
2. SPICE 仿真文件 SBAC232
3. TI 高精度設計 TIDA-00835
4. TI 高精度實驗室

設計備用隔離運算放大器