設(shè)計(jì)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(fù)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(gè)使用 TLV9002 的次級(jí)放大器級(jí)將差分輸出電壓轉(zhuǎn)換為 55mV 至 4.945V 的單端輸出電壓。整個(gè)信號(hào)鏈由單個(gè) 5.0V 電源軌供電。

該電路適用于許多高電壓工業(yè)應(yīng)用，如光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)繼電器。該設(shè)計(jì)中與元件選擇相關(guān)的公式和說明可根據(jù)終端設(shè)備的需求和系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行自定義。

設(shè)計(jì)說明

1. 選擇 AMC3302 是因?yàn)槠渚?、輸入電壓范圍，并且該器件只需單個(gè)低側(cè)電源。
2. 選擇 TLV9002 是因?yàn)槠涞统杀尽⒌褪д{(diào)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(qǐng)使用溫度系數(shù)低的精密分流電阻器。
5. 為預(yù)期峰值輸入電流電平選擇分流器。
6. 對(duì)于連續(xù)運(yùn)行，根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)于具有嚴(yán)格功耗要求的應(yīng)用，可能需要進(jìn)一步降低分流電阻或增加額定功率。
7. 使用適當(dāng)?shù)碾娮璺謮浩髦祦磉m當(dāng)設(shè)置共模電壓。
8. 為 TLV9002 通道 2 上的增益設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)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(gè)簡單的電阻分壓器將 5V 分壓為 2.5V。在使用 1kΩ 的 R₄ 時(shí)，可以通過以下公式計(jì)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(yùn)算放大器。不過，TLV9002 輸出相對(duì)于其電源軌的最大擺幅為 55mV。因此，單端輸出擺動(dòng)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(nèi)，AMC3302 的輸出需要按 4.89/4.1 的倍數(shù)放大。當(dāng) R₆ = R₇ 且 R₅ = R₈ 時(shí)，可以使用以下傳遞函數(shù)來計(jì)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(jì)算的 TLV9002 輸出擺幅并選擇 R₆ 和 R₇ 為 10kΩ，可以使用以下公式計(jì)算得出 R₅ 和 R₈ 為 11.93kΩ。為了考慮到標(biāo)準(zhǔn)電阻器值，請(qǐng)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(gè)圖都表明，輸出在 ±50A 范圍內(nèi)呈線性。

閉環(huán)交流仿真結(jié)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(yīng)用到差分至單端轉(zhuǎn)換的增益為 1.2V/V，因此預(yù)計(jì)下圖中所示的增益為 33.83dB。

瞬態(tài)仿真結(jié)果

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

設(shè)計(jì)參考資料

有關(guān) TI 綜合電路庫的信息，請(qǐng)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(yīng)用簡報(bào)。

設(shè)計(jì)采用的隔離放大器

設(shè)計(jì)差分至單端放大器

設(shè)計(jì)備選隔離放大器

設(shè)計(jì)備選差分至單端放大器