博通ACPL-C72x系列精密微型隔離放大器的深度剖析

在電子功率轉(zhuǎn)換器的電流傳感應(yīng)用中，像電機(jī)驅(qū)動(dòng)和可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域，隔離放大器起著至關(guān)重要的作用。今天就來(lái)詳細(xì)剖析博通的ACPL-C72B、ACPL-C72A和ACPL-C720這三款精密微型隔離放大器。

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產(chǎn)品概述

功能與應(yīng)用場(chǎng)景

這些隔離放大器專(zhuān)為電子功率轉(zhuǎn)換器中的電流傳感而設(shè)計(jì)，常見(jiàn)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和可再生能源系統(tǒng)。在典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用里，電流通過(guò)外部分流電阻，產(chǎn)生的模擬電壓降由隔離放大器檢測(cè)。在光隔離屏障的另一側(cè)，會(huì)產(chǎn)生與電流成比例的差分輸出電壓。

型號(hào)與性能特點(diǎn)

• 低功耗設(shè)計(jì)：ACPL - C72x系列優(yōu)化為接受±50 - mV的輸入電壓范圍，旨在降低分流電阻上的功率損耗。
• 高精度選項(xiàng)：對(duì)于一般應(yīng)用，推薦使用ACPL - C72A（±1%增益容差）和ACPL - C720（±3%增益容差）；對(duì)于高精度應(yīng)用，則可選用ACPL - C72B（±0.5%增益容差）。
• 出色性能表現(xiàn)：產(chǎn)品采用單5V電源供電，具有65 - dB的高信噪比（SNR），展現(xiàn)出優(yōu)秀的線(xiàn)性度和動(dòng)態(tài)性能。其高達(dá)25 kV/μs的共模瞬態(tài)抗擾度，能在高噪聲的電機(jī)控制環(huán)境中精確監(jiān)測(cè)電機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)更平滑的控制。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

結(jié)合了卓越的光耦合技術(shù)，ACPL - C72x系列采用了Σ - Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器、斬波穩(wěn)定放大器和全差分電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備無(wú)與倫比的隔離模式噪聲抑制能力、低失調(diào)、高增益精度和穩(wěn)定性。此外，它采用緊湊的、可自動(dòng)插入的拉伸SO - 8（SSO - 8）封裝，符合全球法規(guī)安全標(biāo)準(zhǔn)。

產(chǎn)品特性

電氣性能

• 高精度：ACPL - C72B的增益精度高達(dá)±0.5%，輸入失調(diào)電壓僅0.5 - mV，線(xiàn)性度優(yōu)異，達(dá)到0.03%。
• 高帶寬：具有65 - dB的信噪比和200 - kHz的寬帶寬，能滿(mǎn)足高速信號(hào)處理的需求。
• 寬工作范圍：供電電壓范圍為3V至5.5V，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 110°C，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。

安全特性

• 高共模瞬態(tài)抗擾度：達(dá)到25 kV/μs，確保在高噪聲環(huán)境下穩(wěn)定工作。
• 安全認(rèn)證：獲得了IEC/EN/DIN EN 60747 - 5 - 5、UL 1577和CSA等多項(xiàng)安全和法規(guī)認(rèn)證，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的安全要求。

其他特點(diǎn)

• 小巧封裝：采用緊湊的自動(dòng)插入式SSO - 8封裝，節(jié)省電路板空間。
• 功能安全設(shè)計(jì)：具備$V_{DD 1}$電源丟失指示功能，適用于功能安全設(shè)計(jì)。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：在交流和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行電流傳感，確保電機(jī)的精確控制。
• 可再生能源：用于太陽(yáng)能逆變器、風(fēng)力渦輪機(jī)逆變器等，提高能源轉(zhuǎn)換效率。
• 工業(yè)控制：在工業(yè)過(guò)程控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮作用，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 電源隔離：實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源信號(hào)隔離和通用模擬信號(hào)隔離，提高電源的安全性和抗干擾能力。

引腳配置與訂購(gòu)信息

引腳配置

需要注意的是，應(yīng)在引腳1和4之間以及引腳5和8之間連接10 - μF和0.1 - μF的旁路電容器。

訂購(gòu)信息

實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電源與旁路設(shè)計(jì)

• 電源調(diào)節(jié)：可使用78L05三端穩(wěn)壓器將柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓降至5V。為了衰減高頻電源噪聲或紋波，可以在穩(wěn)壓器的輸入側(cè)串聯(lián)一個(gè)電阻或電感，與輸入旁路電容器形成低通濾波器。
• 電源獲取：隔離放大器的電源通常來(lái)自為功率晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路供電的同一電源。若需要專(zhuān)用電源，可在現(xiàn)有變壓器上增加額外的繞組，或者使用簡(jiǎn)單的隔離電源，如線(xiàn)性變壓器或高頻DC - DC轉(zhuǎn)換器。
• 旁路電容：應(yīng)在隔離放大器的引腳附近盡可能靠近地放置0.1 - μF的旁路電容器（C2、C4），以應(yīng)對(duì)內(nèi)部高速數(shù)字信號(hào)。由于輸入電路的開(kāi)關(guān)電容特性，還建議在輸入引腳處使用一個(gè)47 - nF的旁路電容器（C3），它不僅是抗混疊濾波器的一部分，還能防止高頻噪聲干擾輸入信號(hào)，并減少ESD事件引起的瞬態(tài)尖峰。

PCB布局設(shè)計(jì)

• 布局原則：PCB設(shè)計(jì)應(yīng)遵循良好的布局實(shí)踐，如將旁路電容器靠近電源引腳，將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)分開(kāi)，使用接地層和電源層等。
• 抗干擾設(shè)計(jì)：PCB布局會(huì)影響ACPL - C72B/C72A/C720的隔離瞬態(tài)抗擾度（CMTI），主要是由于輸入和輸出電路之間的雜散電容耦合。為了獲得最佳的CMTI性能，應(yīng)盡量增大輸入和輸出側(cè)之間的距離，避免接地層或電源層直接穿過(guò)或超出芯片本體。

分流電阻選擇

• 電阻特性：分流電阻應(yīng)具有低電阻、低電感和合理的公差，以最小化功率損耗、減少di/dt引起的電壓尖峰并保持電路精度。
• 阻值計(jì)算：選擇分流電阻的第一步是確定要測(cè)量的電流大小。根據(jù)電機(jī)的額定電流和最大推薦輸入電壓，可以計(jì)算出最大分流電阻值。例如，若電機(jī)的最大RMS電流為70 Arms，正常運(yùn)行時(shí)可承受50%的過(guò)載，則峰值電流為$70 × 1.414 × 1.5 = 150 Apk$。假設(shè)最大輸入電壓為50 mV，則此時(shí)的最大分流電阻約為0.5 mΩ。在過(guò)載條件下，最大輸入電壓為$150 A × 0.5 mΩ = 75 mV$，仍在±80 mV的滿(mǎn)量程輸入范圍內(nèi)。
• 散熱考慮：當(dāng)分流電阻因大電流產(chǎn)生明顯發(fā)熱時(shí)，電阻的溫度系數(shù)會(huì)引入非線(xiàn)性?？赏ㄟ^(guò)減小電阻的熱阻或使用低溫度系數(shù)的電阻來(lái)最小化這種影響，例如重新布置電阻位置、使用更大的PCB走線(xiàn)或添加散熱片。
• 電阻類(lèi)型：對(duì)于四端電流傳感電阻，由于采用了Kelvin連接，可以消除引線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量精度的影響。

連接方式

• 分流電阻連接：通常將$V{IN+}$（引腳2）連接到分流電阻的正端，$V{IN-}$（引腳3）短接到GND1（引腳4），電源返回路徑作為分流電阻負(fù)端的傳感線(xiàn)。這樣可以減少負(fù)載電流在電阻上產(chǎn)生的噪聲干擾。
• 差分輸入連接：推薦采用差分輸入連接方法（平衡輸入模式），以充分發(fā)揮ACPL - C72B/C72A/C720的全差分輸入結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。這種連接方式可以平衡濾波器電阻上的輸入電流，抵消噪聲干擾。

輸出端設(shè)計(jì)

• 運(yùn)算放大器選擇：外部后置放大器電路中使用的運(yùn)算放大器應(yīng)具有足夠高的精度，以避免引入顯著的失調(diào)或失調(diào)漂移。一般來(lái)說(shuō)，具有雙極輸入級(jí)的運(yùn)算放大器比具有JFET或MOSFET輸入級(jí)的運(yùn)算放大器表現(xiàn)更好。
• 帶寬和壓擺率：運(yùn)算放大器還應(yīng)具備足夠的帶寬和壓擺率，以確保不影響整個(gè)電路的響應(yīng)速度。
• 濾波電容和增益電阻：后置放大器電路中的一對(duì)電容器（C5和C6）形成單極低通濾波器，可獨(dú)立調(diào)整后置放大器的帶寬，減少隔離放大器的輸出噪聲。增益設(shè)置電阻的公差應(yīng)控制在1%或更好，以確保電路的共模抑制比（CMRR）和增益公差。

總結(jié)

博通的ACPL - C72x系列精密微型隔離放大器以其高精度、高穩(wěn)定性和良好的抗干擾能力，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可再生能源等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，我們需要充分考慮電源與旁路、PCB布局、分流電阻選擇、連接方式以及輸出端設(shè)計(jì)等多個(gè)方面的因素，以確保放大器能夠發(fā)揮最佳性能。大家在使用這些放大器時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特殊的問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。