設(shè)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(zhí)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(chǎn)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(diào)節(jié) ISO224 的輸出以適應(yīng) ADS7142 的輸入范圍，而通道 2 用于監(jiān)控 ISO224 失效防護輸出。ADS7142 是一款具有滿量程輸入和 AVDD 基準(zhǔn)電壓（范圍為 1.65V 至 3.6V）的雙通道 ADC。本指導(dǎo)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(yè)應(yīng)用，如列車控制和管理系統(tǒng)、模擬輸入模塊 和逆變器與電機控制。此設(shè)計中的元件選型公式和說明可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格和要求進行定制。

規(guī)格

設(shè)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(yōu)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(shè)置 ADC 的共模電壓）選擇低阻抗、低噪聲源。
5. 查找 ADC 滿標(biāo)量程范圍和共模規(guī)格?！霸x型”部分中介紹了該內(nèi)容。
6. 選擇適合 C_FILT 的 COG 電容器盡量減少失真。
7. 為實現(xiàn)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(zhǔn) ADC 系統(tǒng)的失調(diào)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(diào)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(xùn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣速率以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計。此處所示的規(guī)格值可為該示例中的放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供良好的趨穩(wěn)和交流性能。如果改動了設(shè)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(xiàn)卓越的趨穩(wěn)和交流性能。

元件選型

1. 根據(jù)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(cè)電源）和 4.5V 至 5.5V（對于低側(cè)電源）。ISO224 具有 ±12V 單端輸入范圍（固定增益為 ?V/V），產(chǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)換為 ADS7142 的 3.3V 偽差分、1.65V 共模輸入。此外，優(yōu)先選擇具有第二通道（該通道可用于監(jiān)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(yīng)用進行了優(yōu)化。

   通道 1 用于將 ISO224 的 ±4V 差分、2.5V 共模輸出轉(zhuǎn)換為共模電壓為 1.65V 的 3.3V 峰值偽差分輸出。當(dāng) R1 = R4 且 R2 = R3 時，傳遞函數(shù)由以下公式設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(guān)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(shù)手冊。

   TLV9002 的通道 2 用于監(jiān)控 ISO224 的失效防護輸出特性。只要高側(cè)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(tǒng)控制器上的 GPIO 端口，并在失效防護輸出特性激活時變?yōu)楦唠娖?。如需了解更多詳細信息，請參?a xmlns:opentopic="http://www.idiominc.com/opentopic" class="xref" target="_blank">失效防護輸出特性 應(yīng)用手冊。

4. 選擇 R_1FILT、R_2FILT 和 C_FILT 以實現(xiàn)輸入信號的趨穩(wěn)以及 140kSPS 的采樣率：

   優(yōu)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(jīng)證實，1.1kΩ 和 330pF 的最終值可確保在采集窗口時間內(nèi)趨穩(wěn)至遠低于最低有效位 (LSB) ? 的位置。

瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定仿真

以下仿真顯示了采集時間為 5.3μs 的瞬態(tài)趨穩(wěn)結(jié)果。88μV 的噪聲完全處于 0.5 × LSB 限制 403μV 的范圍內(nèi)。請參閱優(yōu)化 Rfilt 和 Cfilt 值，了解有關(guān)此主題的詳細理論。

主要文件鏈接

適用于隔離式設(shè)計的 TINA 文件：SBAC226。

設(shè)計中采用的器件