AMC1106x：小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調(diào)制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度的電流傳感和信號(hào)處理至關(guān)重要。今天，我們要深入探討德州儀器（TI）的AMC1106x系列，這是一款小體積、高精度的基本隔離式ΔΣ調(diào)制器，在三相電表等應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。

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產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

輸入特性與編碼選項(xiàng)

• 輸入電壓范圍：±50 - mV的輸入電壓范圍，專門針對(duì)使用分流電阻進(jìn)行電流測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化。這使得它能夠在較小的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的電流傳感，同時(shí)允許使用較小的分流電阻值，從而降低功耗。
• 編碼選項(xiàng)：提供曼徹斯特編碼或未編碼的比特流選項(xiàng)，為不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性。

高精度的直流性能

• 偏移誤差和漂移：最大偏移誤差為±50 μV，漂移為±1 μV/°C。這確保了在系統(tǒng)級(jí)別的高精度傳感中，能夠提供穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果。
• 增益誤差和漂移：最大增益誤差為±0.2%，漂移為±40 ppm/°C。在不同的溫度環(huán)境下，依然能夠保持較高的增益精度。

低功耗與系統(tǒng)診斷

• 低功耗運(yùn)行：采用3.3 - V電源供電，有效降低了隔離屏障兩側(cè)的功耗，提高了系統(tǒng)的能源效率。
• 系統(tǒng)診斷功能：具備系統(tǒng)級(jí)診斷特性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)告系統(tǒng)中的異常情況，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

電磁兼容性與安全認(rèn)證

• 高電磁抗擾度：具有高電磁抗干擾能力，可參考ISO72x數(shù)字隔離器磁場(chǎng)抗擾度應(yīng)用報(bào)告。
• 安全認(rèn)證：符合多項(xiàng)安全相關(guān)認(rèn)證，如5657 - (V{PK})基本隔離（DIN VDE V 0884 - 11: 2017 - 01）和4000 - (V{RMS})隔離1分鐘（UL1577、CAN/CSA No. 5A - 組件驗(yàn)收服務(wù)通知和DIN EN 61010 - 1終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)）。

主要應(yīng)用場(chǎng)景

AMC1106x在基于分流電阻的三相電表電流傳感中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的三相電表中，電流互感器（CT）是常用的電流傳感器，但強(qiáng)磁場(chǎng)可能會(huì)使CT飽和，影響能量測(cè)量的準(zhǔn)確性。而分流電阻對(duì)磁場(chǎng)免疫，結(jié)合AMC1106x的高精度特性，可以設(shè)計(jì)出不受磁場(chǎng)干擾的電表。

詳細(xì)技術(shù)解析

器件概述

AMC1106是一款精密的ΔΣ調(diào)制器，其輸出與輸入電路通過電容隔離屏障分離，該屏障對(duì)磁干擾具有高度抗性。輸入級(jí)經(jīng)過優(yōu)化，可直接連接到分流電阻或其他低電壓信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)出色的交流和直流性能。

功能框圖與工作原理

• 功能框圖：包括模擬輸入級(jí)、ΔΣ調(diào)制器、隔離接口等部分。模擬輸入級(jí)是一個(gè)全差分放大器，將輸入信號(hào)饋送到二階ΔΣ調(diào)制器，將模擬信號(hào)數(shù)字化為1 - 位輸出流。
• 工作原理：外部時(shí)鐘信號(hào)在CLKIN引腳提供，輸出的串行比特流的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比。

特性詳細(xì)描述

• 模擬輸入：前端電路包含差分放大器和采樣級(jí)，差分放大器的增益由內(nèi)部精密電阻設(shè)置為20倍，輸入電阻為4.9 kΩ。為了降低偏移和偏移漂移，采用斬波穩(wěn)定技術(shù)，開關(guān)頻率為(f_{CLKIN } / 32)。
• 調(diào)制器：二階開關(guān)電容前饋ΔΣ調(diào)制器，將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻，需要在輸出端使用低通數(shù)字濾波器來提高整體性能。
• 隔離通道信號(hào)傳輸：采用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過基于(SiO_{2})的電容隔離屏障傳輸調(diào)制器輸出的比特流，提高了CMTI性能并降低了輻射發(fā)射。
• 數(shù)字輸出：輸入電壓在 - 50 mV至50 mV范圍內(nèi)時(shí)，輸出具有線性特性；超出該范圍，輸出會(huì)出現(xiàn)非線性行為，量化噪聲增加。當(dāng)輸入小于或等于 - 64 mV時(shí)，輸出為全零；大于或等于64 mV時(shí)，輸出為全一。
• 曼徹斯特編碼特性：AMC1106E05提供符合IEEE 802.3的曼徹斯特編碼功能，生成的比特流至少有一個(gè)轉(zhuǎn)換，支持從比特流中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)，便于單線路數(shù)據(jù)和時(shí)鐘傳輸。

器件功能模式

• 故障安全輸出：當(dāng)AVDD高側(cè)電源電壓缺失時(shí)，輸出為邏輯0的穩(wěn)態(tài)比特流；當(dāng)輸入共模電壓達(dá)到或超過共模過壓檢測(cè)電平(V_{CMov})時(shí)，輸出為邏輯1的穩(wěn)態(tài)比特流。
• 滿量程輸入時(shí)的輸出行為：當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到滿量程時(shí)，器件每128個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)1或0，方便在系統(tǒng)級(jí)區(qū)分滿量程輸入和電源缺失的情況。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)字濾波器的使用

調(diào)制器輸出的比特流需要經(jīng)過數(shù)字濾波器處理，以獲得類似于傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換結(jié)果。推薦使用sinc3類型的濾波器，它在二階調(diào)制器中能夠以最小的硬件成本提供最佳的輸出性能。

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求

• 電源電壓：AVDD1、AVDD2和AVDD3高側(cè)電源電壓為3.3 V或5 V，DVDD低側(cè)電源電壓為3.3 V或5 V。
• 分流電阻電壓降：線性響應(yīng)時(shí)，分流電阻上的電壓降最大為±50 mV。
• 精度要求：達(dá)到0.5級(jí)或更高精度。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 電源設(shè)計(jì)：AVDD可通過外部電容降壓或無芯變壓器電源電路獲取，使用低ESR的0.1 μF去耦電容進(jìn)行濾波。
• 分流電阻選擇：根據(jù)歐姆定律(V{SHUNT }=I ×R{SHUNT })計(jì)算分流電阻上的電壓降，選擇合適的電阻值，確保電壓降不超過推薦的差分輸入電壓范圍和引起削波輸出的輸入電壓。
• 濾波電路：在AMC1106前端使用RC濾波器，提高系統(tǒng)的信噪比和抗高頻電磁場(chǎng)干擾能力。
• 輸出處理：推薦使用TI的MSP430F67x系列低功耗微控制器進(jìn)行輸出比特流平均處理，該系列提供了sigma - delta模塊（SD24_B），可直接訪問數(shù)字濾波器。

電源與布局建議

電源建議

為了降低系統(tǒng)成本，AMC1106的高側(cè)電源（AVDD）可采用外部電容降壓電源。在電源路徑上使用0.1 μF的去耦電容，并將其盡可能靠近AVDD引腳。對(duì)于控制器側(cè)的數(shù)字電源，使用0.1 μF電容靠近DVDD引腳，再加上1 μF至10 μF的額外電容進(jìn)行去耦。

布局指南

• 元件放置：將分流電阻靠近AMC1106的AINP和AINN輸入，并保持連接布局對(duì)稱。去耦電容應(yīng)盡可能靠近AMC1106的電源引腳。
• 隔離區(qū)域：在布局中設(shè)置清晰的隔離區(qū)域，避免導(dǎo)電材料進(jìn)入，以確保隔離性能。

總結(jié)

AMC1106x系列調(diào)制器以其小體積、高精度、低功耗和出色的隔離性能，為三相電表等應(yīng)用中的電流傳感提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇元件、優(yōu)化電源和布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨多嘗試和探索，挖掘其更多的潛力。

你在使用AMC1106x或者類似器件的過程中，遇到過哪些有趣的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。